Pokročilé oxidační procesy pro snižování obsahu zapáchajících látek v odpadním vzduchu

Abstract

Tato disertační práce se zaměřuje na hodnocení účinnosti vybraných pokročilých oxidačních procesů (AOPs) při degradaci znečišťujících látek z odpadního vzduchu. Studie byla realizována v kontinuální fotochemické poloprovozní jednotce skládající se z fotolytického/ fotooxidačního reaktoru (vzduch/VUV185/UV254) a fotochemického reaktoru (voda/UV254/H2O2). Jako modelové kontaminanty byly použity těkavé organické látky (VOC), konkrétně styren, xylen a toluen a dále amoniak. Pro analýzu vybraných kontaminantů byly použity pokročilé analytické metody: plynová chromatografie s plamenově ionizačním detektorem (GC-FID) pro VOC a infračervená spektrofotometrie s Fourierovou transformací (FTIR) pro amoniak. Degradační produkty a meziprodukty v kapalné fázi byly identifikovány pomocí plynového chromatografu s kvadrupólovým hmotnostně selektivním detektorem (GC-MS), ionto výměnné chromatografie (IEC) a analyzátoru celkového uhlíku (TOC). Výsledky experimentů ukázaly vysokou účinnost degradace VOC, přičemž nejvyšší konverze byla dosažena u styrenu (až 74 % při vstupní koncentraci 50 ppmv a průtoku 100 m³/h). Směs styrenu a xylenu vykazovala celkovou konverzi 54 %, samotný xylen 48 %. Bylo potvrzeno, že účinnost degradace VOC významně závisí na době zdržení v reaktorech – vyšší průtoky vzduchu vedly k nižší konverzi. Analýza kapalné fáze potvrdila tvorbu jednoduchých organických sloučenin, především organických kyselin (octová, mravenčí, mléčná, šťavelová), dále etanolu, metanolu, acetonu a CO2. Konverze amoniaku v prvním stupni dekontaminační jednotky byla nízká (max. 30 % při průtoku 150 m3/h a vstupní koncentraci 20 ppmv); v druhém stupni byl však z více než 90% absorbován do peroxidového roztoku. Rychlost degradace amoniaku z kapalné fáze se ukázala jako poměrně nízká, přičemž nejlepších výsledků bylo dosaženo při kombinaci UV254nm a ozonu. Pro zvýšení účinnosti dekontaminace byly testovány dvě optimalizační úpravy. První spočívala v aplikaci heterogenní fotokatalýzy, kdy byly mezi lampy v prvním stupni degradační jednotky vsunuty desky z keramické pěny potažené vrstvičkou nanostrukturovaného TiO2. Jako modelový polutant pro tyto experimenty byl zvolen toluen (vstupní koncentrace 50 a 100 ppmv a průtoku 100 m3/h). Tato modifikace vedla ke zvýšení konverze toluenu téměř o třetinu. Celková konverze toluenu po průchodu oběma stupni však zůstala na podobné úrovni jako u neoptimalizovaného systému. Druhá úprava zahrnovala změnu geometrie prvního stupně jednotky. Přechodem z horizontálního na vertikální uspořádání reaktoru se konverze styrenu zvýšila o 25 %. Při průtoku 100 m3/h bylo v prvním stupni jednotky dosaženo degradace styrenu 97,2 %. Matematické modelování potvrdilo, že změna geometrie prodlužuje dobu zdržení kontaminantů v reaktoru, což vede k vyšší účinnosti. Dále bylo navrženo osazení pevné přepážky ve tvaru kříže do středu fotolytického reaktoru, což dle výpočtů mělo prodloužit dobu zdržení částic. Modelování ukázalo, že při tomto uspořádání by bylo možné dosáhnout kompletního odstranění styrenu (počáteční koncentrace 50 ppm, průtok 100 m3/h) již v prvním stupni technologie, přičemž by bylo eliminováno 80 % organického uhlíku. Poloprovozní dvoustupňová dekontaminační jednotka prokázala svou efektivitu při odbourávání kontaminantů z proudu vzduchu. V navrženém uspořádání by jednotka mohla být využita pro dočišťování odpadního vzduchu v menších průmyslových a zemědělských aplikacích.

This thesis is focused on the evaluation of the efficiency of selected advanced oxidation processes (AOPs) in the degradation of pollutants from waste air. The study was conducted in a continuous photochemical pilot-scale unit consisting of a photolytic/photooxidative reactor (air/VUV185/UV254) and a photochemical reactor (water/UV254/H2O2). As model contaminants were used volatile organic compounds (VOCs), namely styrene, xylene, and toluene; and then ammonia. Advanced analytical methods were used for the analysis of selected contaminants: gas chromatography with flame ionization detector (GC-FID) for VOCs and Fourier transformation infrared spectrophotometry (FTIR) for ammonia. Degradation products and intermediates in the liquid phase were identified using a gas chromatograph with a quadrupole mass selective detector (GC-MS), ion exchange chromatography (IEC), and a total carbon analyzer (TOC). The experimental results showed high efficiency of VOC degradation, with the highest conversion achieved for styrene (up to 74 % at an inlet concentration of 50 ppmv and a flow rate of 100 m³/h). The styrene and xylene mixture showed a total conversion of 54 %, and xylene alone 48 %. It was confirmed that the efficiency of VOC degradation significantly depends on the residence time in the reactors - higher air flows led to lower conversion. Analysis of the liquid phase confirmed the formation of simple organic compounds, mainly organic acids (acetic, formic, lactic, oxalic), as well as ethanol, methanol, acetone, and CO2. The conversion of ammonia in the first stage of the decontamination unit was low (max. 30 % at a flow rate of 150 m3/h and an inlet concentration of 20 ppmv); however, in the second stage, more than 90 % of it was absorbed into the peroxide solution. The rate of ammonia degradation from the liquid phase proved to be relatively low, with the best results achieved with a combination of UV254 and ozone. Two optimization modifications were tested to increase the efficiency of decontamination. The first consisted of the application of heterogeneous photocatalysis, where ceramic foam plates coated with a layer of nanostructured TiO2 were inserted between the lamps in the first stage of the degradation unit. Toluene was chosen as the model pollutant for these experiments (inlet concentrations of 50 and 100 ppmv and flow rate of 100 m3/h). This modification led to an increase in toluene conversion by almost a third. However, the total toluene conversion after passing through both stages remained at a similar level to that of the non-optimized system. The second modification involved a change in the geometry of the first stage of the unit. By switching from a horizontal to a vertical reactor arrangement, styrene conversion increased by 25 %. At a flow rate of 10 m3/h, styrene degradation of 97.2 % was achieved in the first stage of the unit. Mathematical modeling confirmed that changing the geometry extends the residence time of contaminants in the reactor, which leads to higher efficiency. It was also proposed to install a rigid cross-shaped partition in the center of the photolytic reactor, which, according to calculations, should extend the residence time of particles. Modeling showed that with this arrangement it would be possible to achieve complete removal of styrene (initial concentration 50 ppm, flow rate 100 m3/h) already in the first stage of the technology, while eliminating 80 % of organic carbon. A pilot-scale two-stage decontamination unit has proven its effectiveness in degrading contaminants from the air stream. In the proposed arrangement, the unit could be used for post-treatment of exhaust air in smaller industrial and agricultural applications.