Hidrológiai tájékoztató, 2016
DIPLOMAMUNKA PÁLYÁZATOK - Hegedűs Péter: Triton X-l00 fotodegradációja immobilizált Ti02-dal
Triton X-100 fotodegradációja im mobilizált Ti02-dal * HEGEDŰS PÉTER Dolgozatomban az ipari vízszennyező anyagok hatékony eltávolítására alkalmas módszert vizsgáltam. Bevezetés, célok A technológiai fejlődéssel megjelenő újfajta vegyi anyagok ártalmatlanításához olyan eljárásokat kell kifejleszteni, amelyek a szennyezők széles skálájával szemben eredményesen bevethetők. Korábbi kutatási eredmények igazolják, hogy a heterogén fotokatalízis megfelel ezen elvárásnak. Munkám során célom egyrészt a nemionos felületaktív anyag bomlási mechanizmusának feltérképezése, másrészt a módszer gyakorlatban történő alkalmazhatóságának fejlesztése volt. Anyag és módszer A nagyhatékonyságú oxidációs eljárások során a környezetet terhelő szennyező anyagokat különböző módon generált aktív gyökökkel, elsősorban hidroxilgyökökkel oxidáljuk. A heterogén fotokatalízis esetében a fotoaktív félvezető nagy energiájú fénnyel történő gerjesztésekor keletkező elektron-lyukpárból töltésátviteli reakciókban képződő részecskék erélyes oxidálószerek, amelyek megtámadhatják az oldott reaktánst. Leggyakrabban alkalmazott katalizátor a titán-dioxid, nem toxikus, könnyen és olcsón beszerezhető, megfelelő fotoaktivitással rendelkezik. A kereskedelemben kapható TÍO2 általában az eltérő kristályszerkezetű és fajlagos felületű anatáz és rutil módosulatok keveréke. A legnépszerűbb a Degussa P25 Ti02, amely kb. 70% anatázt és 30% rutilt tartalmaz. Szerves szennyező anyagok lebontásakor általában szuszpenzió formájában alkalmazzák a fotokatalizátort, így az eljárás végén a félvezető részecskéket el kell választani a kezelt oldattól. Ez a folyamat ipari méretekben nehezen megoldható és költséges, a probléma kiküszöbölhető a katalizátor rögzítésével. A megoldás hátránya, hogy a rögzített fotokatalizátor aktív felülete lényegesen kisebb, így kisebb bomlási sebesség és hatékonyság érhető el. A katalizátor rögzítést poli(vinil-alkohol)-lal (PVA) végeztem, ami egy hidrofil tulajdonságú szintetikus polimer. Modellvegyületként a nemionos Triton X-100 oktilfenol-polietoxilát típusú felületaktív anyagot választottam. Jó mosóhatással és nedvesítő képességgel rendelkezik, valamint víz-olaj rendszerek esetén kitűnő diszpergáló, emulgeáló hatású, így felhasználása igen széleskörű. A jelenleg gyakorta alkalmazott biológiai szennyvízkezelő eljárásokkal csak részlegesen bontható. A bomlási mechanizmus vizsgálatát egy 2 dm3 hasznos térfogatú laboratóriumi méretű reaktorban végeztem. A kísérletek során a Ti02-ot szuszpenzióként alkalmaztam. A modellvegyület bomlását a reakcióelegy szerves széntartalmának mérésével, illetve a spektrális változások rögzítésével követtem nyomon. Eredmények Korábbi tudományos munkám során megállapítottam, hogy a Triton X-100 már egy óra bevilágítás alatt elbomlik, koncentrációja a kimutathatósági határ alá csökken. A keletkező intermedierek nehezen mineralizálhatók, kezdetben lassabban, majd két óra után már gyorsan bomlanak. A vegyület bomlási mechanizmusának vizsgálatakor fontos kérdés, hogy az eljárás során keletkező nagy reaktivitású hidroxilgyökök a molekula mely részét támadják meg (1. ábra). I. ábra. A folyamat vázlatos rajza A felületaktív anyag degradációjakor a fényelnyelési színképekben sáveltolódás vagy új sávok megjelenése nem tapasztalható, fokozatosan csökken a fényelnyelés mértéke a háromórás bevilágítás alatt nullára. Figyelembe véve, hogy a Triton X-100 koncentrációja már 60 perc alatt gyakorlatilag a kimutatási határ alá csökken, ez azt jelenti, hogy a reakcióelegy fényelnyelést mutató köztitermékeket, aromás intermediereket tartalmaz. A spektrális eredmények alapján kizárható a hidroxilgyök közvetlen támadása az aromás gyűrűn. Az alkilcsoport, illetve az etoxilát lánc töredezése nem befolyásolja az aromás gyűrű elektronfelhőjét oly mértékben, hogy az a fényelnyelési és emissziós színképekben változást okozzon. A bomlás során keletkező intermedierek azonosításához GC-MS analitikai módszert alkalmaztunk. A Triton X-100 oldatában ezzel az elemzési módszerrel a 7 etoxilát csoportnál kisebb oldalláncú komponensek mutathatók ki. Az elemzési adatok alapján megállapítottuk, hogy a hosszabb láncú komponensek gyorsabban és folyamatos ütemben bomlanak, míg a rövidebb láncúak mennyisége a bevilágítás kezdetén nő, majd csökken. A keletkező intermedierek a Triton X-100 komponenseitől jól elkülöníthetőek, retenciós idejük és relatív molekula- tömegük is jelentősen kisebb, mint a legrövidebb etoxilát láncú kiindulási komponensé. Koncentrációjuk a bevilágítás 50-60. percében éri el a maximumot, majd azt követően gyorsan csökken. A 206-os relatív moleku- latömegü vegyületet, 4 - (1,1,3,3-tetrametil-butil) fenolként azonosítottuk, az etoxilát lánc oxidálódási folyamatának végeredményeként keletkezik, anélkül, hogy a tenzid molekula többi része oxidálódna. A felületaktív anyag degradációjának első lépése az etoxilát lánc töredezése, a hosszabb láncúakból rövidebb láncúak keletkeznek, majd ezek is bomlanak. A leszakadt etoxilát láncok oxidációjakor változatos ösz- szetételü alkoholok, aldehidek keletkeznek. A titán-dioxid fotokatalizátort poli(vinil-alkohol)-lal immobilizáltuk. A vizes oldatban való stabilitást hőke-
