Diaphragm discharge in organic dye solutions with focus on electrolytic decomposition

Tato diplomová práce se zabývá fyzikálními a chemickými jevy působícími na rozklad organických barviv v diafragmovém výboji, který je generován v kapalných roztocích. Protože byl v experimentech použit zdroj stejnosměrného vysokého napětí v kontinuálním režimu, objevuje se účinek elektrolýzy na rozklad barviva v diafragmovém výboji. Hlavním cílem této práce bylo zjistit, kdy probíhá pouze elektrolýza (resp. kdy dochází k zapálení výboje), a které faktory ovlivňují bod zapálení. Dále bylo cílem provést rozklad vybraných potravinářských a textilních organických barviv pouze účinkem elektrolýzy. V teoretické části je uvedena teorie vzniku elektrického výboje v kapalných roztocích a popsány různé typy výbojů generované v kapalinách. Dále je v mé práci rozebrána rešerše na téma elektrických výbojů v kapalinách využívaných ve světě, využití diafragmového výboje a různé způsoby odstranění organických barviv z vodných roztoků. Nakonec je v této diplomové práci uvedena teorie elektrolýzy vodného roztoku elektrolytu, teorie UV-VIS spektroskopie a také jsou zde jednoduše popsány analytické metody vhodné pro detekci organických molekul. Experimentální část je zaměřena na popis experimentu, který byl prováděn v reaktoru s oddělenými elektrodovými prostory. Propojení obou prostorů bylo realizováno přepážkou rozdělující reaktor na dvě části, kde byla umístěna nevodivá diafragma s dírou o d = 0,4 mm uprostřed. Experimentální část obsahuje i popis chemikálií použitých v experimentech a je zde popsán i průběh jednotlivých experimentů. Nejprve byl zjištěn bod zapálení výboje v reaktoru (tj. stanovení fáze, kdy probíhá pouze elektrolýza bez jakéhokoli účinku výboje) tvorbou peroxidu vodíku a měřením dynamických elektrických charakteristik. Poté byl proveden rozklad vybraných barviv elektrolýzou. Protože rozklad barviv je doprovázen odbarvením, koncentrace barviva byla měřena na UV-VIS spektrometru v rozmezí vlnových délek 350–700 nm. Ve výsledkové části jsou porovnány různé faktory působící na bod zapálení, jako je druh použitého elektrolytu, počáteční vodivost, druh barviva, teplota roztoku a typ reaktoru (resp. objem roztoku). Z výsledků vyplývá, že nejvýznamněji ovlivňuje zapálení výboje počáteční vodivost roztoku. Po zjištění bodu zapálení byla provedena elektrolýza vybraných barviv, kde proud byl nastavován na 10 mA, elektrolyt byl použit NaCl, kterým se nastavovala počáteční vodivost na 500 µS/cm. Nakonec bylo provedeno srovnání rozkladu barviv v závislosti na dodávaném výkonu, kde bylo zjištěno, že samotná elektrolýza má pouze minimální účinnost (cca 15 %), a tudíž významně neovlivňuje rozklad barviv v diafragmovém výboji v kapalných roztocích.This Diploma thesis is focused on physical and chemical effects which contribute to the decomposition of organic dyes by diaphragm discharge generated in water solutions. Due to the application of DC high voltage source in continuous regime, there is an effect of electrolysis contributing to the dye decomposition by diaphragm discharge. The aim of this work was to find out when the electrolysis is running (or when is the moment of discharge breakdown) and which factors influence the breakdown. The other goal was decomposition of selected textile and food organic dyes by electrolysis itself. In the theoretical part, theory about creation of electrical discharges in aqueous solutions is noted and various types of underwater discharges are described. Background researches about underwater electrical discharges used in the world are mentioned as well as the use of diaphragm discharges and various ways how to remove organic dyes from wastewater. Finally, theories of electrolysis, UV-VIS spectroscopy and basis of other analytical methods useful for detection of organic molecules are described. Experimental part is oriented to experiment procedure which was carried out in a reactor with separated electrode areas. Separation was made by dielectric diaphragm with a pinhole in the centre. Its initial diameter was 0.4 mm. Used chemicals and course of experiments are described in this part, too. First, the breakdown moment in the reactor was investigated (i. e. determination, when only electrolysis was operating) by formation of hydrogen peroxide and measurement of dynamic (time resolved) electrical characteristics. Next, decomposition of selected dyes by electrolysis was carried out. As the decomposition was related to decolorization of the solution, UV-VIS spectroscopy in the range of 350–700 nm was used for determination of dye concentration. Next part focused on results presents various factors which had an effect on breakdown of diaphragm discharge. These factors are kind of used electrolyte, initial conductivity of solution, kind of dye, temperature of solution and type of reactor (or solution volume). From the result, the most important factor is initial solution conductivity. After the determination of the breakdown moment, the electrolysis of organic dyes was performed. The applied current was 10 mA, initial conductivity was 500 µS/cm and used electrolyte was NaCl. Moreover comparison of dye decomposition in dependence on the different applied power was realized. From this comparison one can assume, there is no significant contribution of electrolysis (the efficiency is approximately 15 %) to the diaphragm discharge in aqueous solution.