Organic dye decomposition by AOP´s methods

Tato diplomová práce je zaměřena na studium vlivu pokročilých oxidačních procesů (AOP) na rozklad organických barviv. Mezi AOP – velmi účinné fyzikálně-chemické metody čištění odpadních vod – patří aplikace silných oxidačních činidel, UV a ionizujícího záření a elektrického výboje. Pro tuto práci byly zvoleny dvě z těchto metod – aplikace oxidačního činidla (ozón) a UV záření. Spolu s elektrolýzou, jež je v této práci zmíněna spíše okrajově (její studie je předmětem předchozí práce), jsou tyto jevy produktem elektrického výboje v kapalinách, kde se různou měrou podílejí na rozkladných procesech. Pro všechny série měření byla za modelové sloučeniny zvolena dvě přímá azobarviva – C.I. Direct Blue 106 a C.I. Direct Red 79. Pro rozklad barviv pomocí ozónu byl použit ozonizátor, do kterého byl jako výchozí plyn pro generaci ozónu zaváděn buď O2 anebo syntetický či technický vzduch. Vznikající ozón byl zaváděn do promývačky s roztokem barviva o různé počáteční koncentraci (10–130 mg.dm-3), na kterou navazovala promývačka s roztokem KI pro následné analytické stanovení množství generovaného ozónu. Z dalších parametrů byl měněn průtok plynu (1–2 dm3.min-1), výkon ozonizátoru (minimální a maximální), druh barviva, pH roztoku barviva (neutrální a kyselé) a přídavný elektrolyt (NaCl, Na2SO4 nebo žádný). Reaktor pro studium vlivu UV záření na rozklad barviv tvořil UV sterilizátor, do kterého byl umístěn odpovídající objem roztoku barviva. Možnosti nastavení experimentu zde byly omezenější, nastavoval se pouze druh barviva a přídavného elektrolytu a pH roztoku barviva (vše jako v případě ozónu). Celkem bylo naměřeno několik sérií měření za různě nastavených podmínek, které více či méně ovlivňovaly rozklad zvolených barviv. Bylo zjištěno, že v případě obou použitých metod se lépe odbourává barvivo Direct Blue 106, přičemž ozónem podstatně lépe než UV zářením. K rozkladu barviva Direct Red 79 došlo pouze působením ozónu, při aplikaci UV záření k rozkladu nedošlo. Při zkoumání vlivu počáteční koncentrace barviva na jeho rozklad bylo potvrzeno, že s rostoucí počáteční koncentrací barviva roste i jeho konečná koncentrace, přičemž při nízkých koncentracích (10–50 mg.dm-3) již nehraje počáteční koncentrace roli. V případě obou použitých metod měl urychlující efekt na rozklad barviva přídavek elektrolytu (NaCl i Na2SO4 vykazoval podobné konečné výsledky i přes rozdílný průběh rozkladu), přídavek HCl pak urychlil rozklad pouze v případě UV záření, při aplikaci ozónu nemělo pH prostředí na rozklad barviva vliv. Z plynů pro generaci ozónu měl nejlepší účinnost O2 a syntetický vzduch (srovnatelné výsledky), v případě technického vzduchu byla konečná koncentrace barviva o zhruba 30 % vyšší. Optimální objemový průtok plynu byl stanoven na 1,5 dm3.min-1, optimální výkon ozonizátoru na 30 W (maximální), při minimálním výkonu ozonizátor prakticky nepracoval.This diploma thesis is focused on the study of the influence of advanced oxidation processes on degradation of organic dyes. The field of AOP – very effective physically-chemical methods of wastewater treatment – includes application of strong oxidation agents, UV and ionizing radiation and electrical discharges. For this thesis, two of these methods were chosen – the application of oxidation agent (ozone) and UV radiation. Along with electrolysis, which is mentioned rather marginally in this thesis (it is the subject of the previous thesis), these phenomena are products of electrical discharge in water, where they participate in the processes of degradation in a different way. For all measurement series, two direct azo dyes were chosen as model substances – C.I. Direct Blue 106 and C.I. Direct Red 79. The ozonizer, in which either oxygen or synthetic or technical air were loaded as carrier gases, was used for degradation of dyes by ozone. The generated ozone was loaded into the bubbling vessel with dye solution of different initial concentration (10–130 mg.dm-3), which was followed by other bubbling vessel with KI solution for the next analytical determination of the amount of generated ozone. The other parameters changed were the gas flow (1–2 dm3.min-1), ozonizer output (minimal and maximal), type of dye, pH value of the solution (neutral or acid) and additional electrolyte (NaCl, Na2SO4 or any). The reactor for the study of the influence of UV radiation on degradation of dyes was an UV sterilizer into which the equivalent volume of dye solution was added. The possibilities of experimental settings were limited and only the type of dye, an additional electrolyte and pH value of the dye solution were adjusted (as in the case of ozone). Several series of samples were measured with various input conditions which more or less influenced the degradation of investigated dyes in this experiment. It was found that for both used methods the Direct Blue 106 dye was more degradable (with significantly better results for ozone than for UV radiation). The degradation of Direct Red 79 dye proceeded only by ozone treatment, in the case of the application of UV radiation no degradation occurred. By investigation of the influence of initial concentration of dye on its degradation, it was confirmed that with the initial concentration enhancement the final concentration rises as well, whereas in low concentrations (10–50 mg.dm-3) the initial concentration has no effect. The addition of an electrolyte had an accelerating effect on dye degradation in both methods (NaCl and also Na2SO4 showed similar results though the degradation proceeded in different ways). The addition of HCl accelerated the degradation only in the case of UV radiation; during the application of ozone the pH level of the system did not have any influence on the degradation. Oxygen and synthetic air had the strongest effect on ozone degradation (comparable results); in the case of technical air the final dye concentration was higher up to 30 %. The gas flow of 1.5 dm3.min-1 was stated as optimal with the ozonizer output 30 W (maximal). At minimal power the ozonizer produced very low amount of ozone.