Badania synergii pomiędzy ozonem i wytwarzanymi plazmowo nowymi katalizatorami w hybrydowym procesie elektrochemicznego ozonowania mikrozanieczyszczeń
Investigation of the synergy between ozone and novel plasma-deposited catalysts in hybrid electrochemical ozonation of micropollutants
Typ projektu: naukowo-badawczy
Słowa kluczowe: cienkowarstwowe electrokataliztory zimna plazma zaawansowane procesy utleniania mikrozanieczyszczenia oznowanie recykling wody
Słowa kluczowe (angielski): thin-film electrocatalysts cold plasma advanced oxidation processes micropollutants ozonation water reuse
Członkowie konsorcjum: Projekt nie był realizowany w ramach konsorcjum
Okres realizacji projektu: 1.10.2021 - 30.09.2024
Instytucja finansująca: Narodowe Centrum Nauki
Nazwa programu: Sonata
Kierownik projektu: Marta Gmurek
Wartość dofinansowania: 1 084 160,00 PLN
Wartość projektu: 1 084 160,00 PLN
W ostatnim czasie obserwuje się znaczący wzrost obecności różnych związków zanieczyszczających wodę, obejmują one min. farmaceutyki, produkty higieny osobistej, pestycydy, substancje zaburzające gospodarkę hormonalną itp., są one coraz częściej wykrywane w stężeniach znacznie wyższych niż oczekiwano i istnieje obawa, że związki te mogą mieć wpływ na organizmy wodne oraz ludzi (z ang. contaminants of emerging concern (CEC). Jak wiadomo, recykling wody pełni coraz większą rolę w przemyśle, dlatego też niezbędne staje się odpowiednie oczyszczanie ścieków do poziomu akceptowalnej jakości. Metody pogłębionego utleniania (AOPs) są bardzo skuteczne w usuwaniu zanieczyszczeń obecnych w ściekach w niskich stężeniach. Technologie oparte na ozonie wykorzystują jego wysoką reaktywność, jednak często uzyskuje się niskie poziomy mineralizacji, ponieważ powstające produkty nie są podatne na dalsze utlenianie ozonem. Natomiast procesy elektrochemiczne to obiecujące techniki, które wykazują również wysoką efektywność w degradacji zanieczyszczeń organicznych. Zatem, procesy ozonowania elektrokatalitycznego, łączące elektrochemię z ozonem, są wydajnym procesem przyjaznym dla środowiska i nie wymagającym dodatkowych odczynników. Łącząc obie wysokoefektywne metody AOP, intensyfikując powstawanie reaktywnych rodników hydroksylowych uzyskuje się proces posiadający silny potencjał utleniania. Głównym celem projektu jest zbadanie roli synergicznego efektu między zaprojektowanymi na poziomie molekularnym, wytworzonymi za pomocą zimnej plazmy cienkowarstwowymi układami elektrokatalitycznymi a ozonem w hybrydowym procesie elektrochemicznego ozonowania CEC. Istotą tego procesu jest znalezienie elektrod o wysokiej stabilności i elektroaktywności, które zintensyfikują proces degradacji dzięki połączonemu działaniu ozonu. Chemiczne osadzanie z fazy lotnej wspomagane plazmą prowadzi do wytworzenia pożądanej cienkiej warstwy na powierzchni dowolnego nośnika i jest metodą bardzo wszechstronną, wpisującą się w zakres „zielonej chemii” ze względu na niskie zużycie energii i niemal bezodpadowy proces produkcji. Zastosowana metoda polimeryzacji plazmowej pozwala modyfikować strukturę powierzchni nadając hydrofilowy charakter, co jest interesującą właściwością przy zastosowaniu ozonowania elektrokatalitycznego, ponieważ może to prowadzić do zwiększenia kontaktu między zanieczyszczeniem a miejscami aktywnymi elektrokatalizatora. Opracowane w ramach projektu rozwiązanie będzie nowatorskim sposobem oczyszczaniem ścieków z wytwarzanymi metodą depozycji plazmowej nowymi electrokatalizatorami. Nowością projektu jest ocena zwiększonej skuteczności eliminacji CECs poprzez zastosowanie nowych nanostrukturowych wytwarzanych plazmowo elektrod w hybrydowym elektrochemicznym ozonowaniu do celów recyklingu wody. Jako modelowe CEC wybrano antybiotyk, neuroaktywny insektycyd i ksenoestrogen. Projekt koncentruje się zastosowaniu elektrochemicznych procesów tj. elektrokoagulacja, utlenianie elektrochemiczne i redukcja elektrochemiczna, z wykorzystaniem nowatorskiej elektrody nanostrukturalnej wytworzonej przez osadzanie plazmowe z metaloorganicznych prekursorów w postaci jednowarstwowych i/lub wielowarstwowych cienkich warstw na podłożu przewodzącym. W celu wyjaśnienia mechanizmu hybrydowego elektrochemicznego ozonowania (HEOP) (z uwzględnieniem analiz mechanizmów procesów jednostkowych) zostanie zbadania aktywność elektrochemiczna wytworzonych elektrod oraz powstawanie reaktywnych form tlenu. Określone zostanie optymalne warunki procesowe HEOP. Ostatnim etapem projektu będzie ocena wpływu hybrydowych procesów elektrochemiczno-ozonowania na usuwanie mieszaniny wybranych CEC w wodzie syntetycznej z uwzględnieniem oceny toksykologicznej. W związku z wyżej zarysowaną problematyką zasadne jest podjęcie badań mających na celu zbadanie roli efektów synergicznych między ozonem wytwarzanymi plazmowo nowymi electrokatalizatorami w hybrydowym elektrochemicznym ozonowaniu. Projekt opiera się na badaniach podstawowych w zakresie wytwarzania, analizowania i doboru odpowiedniej cienkowarstwowej elektrody wytworzonej metodą depozycji plazmowej (charakteryzującej się zwiększoną elektroaktywnością i wyższą zdolnością do intensyfikacji generania ●OH), a także degradacji CEC w wyniku oddziaływania elektrochemicznego procesu i ozonu. Wyniki projektu będą stanowiły uzupełnienie istniejącej wiedzy z zakresu inżynierii chemicznej, inżynierii powierzchni plazmowej, inżynierii elektrochemicznej i inżynierii środowiska na temat mechanizmu hybrydowego procesu elektrochemicznego ozonowania, co wypełni niszę w dotychczasowych doniesieniach literaturowych na ten temat Projekt jest propozycją rozwiązania nowych problemów i zadań naukowych, w aktualnym nurcie badań podstawowych, z drugiej zaś strony w przypadku pozytywnych rezultatów będzie stanowić punkt wyjścia dla dalszych prac rozwojowych.
Contaminants of emerging concern (CECs, pharmaceuticals, personal care products, pesticides, endocrine disruptors) comprise a vast array of contaminants that have only recently appeared in the water, or that are of recent concern because they have been detected at concentrations significantly higher than expected, and/or their risk to human and environmental health may not be fully understood. Although found in trace levels, their real impact on human health is unknown. Water recycling plays a prominent role, especially for water-consuming industries, thus, the purification of wastewaters becomes indispensable to achieve the ideal degree of quality. The appearance of CECs recalcitrant to classical biological treatments stimulated the development of new depuration technologies operating at room conditions of pressure and temperature. Electrochemical processes combined with ozonation are chosen advanced treatments to be studied and developed in this work since they can operate at ambient conditions and are more efficient and compact when compared to other technologies. The electro-peroxone process is an emerging electrocatalytic ozonation process that has shown great potential for micropollutant abatement in wastewater treatment. Unlike most catalytic ozonation processes that rely on the direct reaction of ozone with catalysts to produce hydroxyl radicals (●OH), the E-peroxone process employs an indirect catalytic strategy to enhance •OH production during ozonation, by electrocatalytically producing hydrogen peroxide from cathodic O2 reduction. Several works have been published in the electrochemical field for the water pollutant degradation using mainly Al, Fe or Boron-doped diamond (BDD) electrodes. In the case of electrochemical oxidation, different less costly electrodes should be tested to avoid dependence on the expensive BDD electrodes. However, literature is scarce in regards to apply other sacrificial electrodes to depurate complex synthetic mixtures and real wastewaters The plasma-deposited film used as an electrode seems to be a promising and interesting option. The novelty of the project is the evaluation of the improved effectiveness of elimination of CECs by application a new plasma deposited nanostructure electrodes for hybrid electrochemical and ozone utilization methods. This project will be focused on electrochemical processes like electrocoagulation, electrochemical oxidation and electrochemical reduction with the use of a novel electrode fabricated by plasma deposition from organometallic precursors in the form of single-layer and multilayer (sandwich-like system) thin films on the conductive supports. The main objective of the project is to investigate the role of synergistic effects between ozone and plasma-deposited thin film electrode in hybrid electrochemical and ozonation processes of CECs degradation. The essence of the process is to find both the active, sustained, and photostable plasma-deposited thin-film electrocatalysts which enhanced the degradation process with the combined action of ozone. The experiments in single processes conditions will be done due to a better understanding of the mechanism involved in the hybrid process. Quantitative evaluation of reactions involved in the hybrid electrochemical-ozonation processes (HEOP) system will be conducted including the synergistic effects between ozone and plasma-deposited thin films. The active reaction sites and reactive oxygen species generation will be revealed to further elucidate the mechanism of the HEOP process (taking into account analyses of unit mechanisms and processes). The optimal operational condition of HEOP processes will be determined. The final step of the project aimed to evaluate the effect of laboratory-scale hybrid electrochemical-ozonation processes on removing a mixture of different CECs from synthetic water. The relevant elements of this project will be the evaluation of the role of synergistic effects between ozone and plasma-deposited thin films and the determination of its contribution to the degradation and reduction of toxicity during the treatment. The project focuses on generating fundamental knowledge (in chemical engineering, plasma surface engineering, electrochemical engineering and environmental engineering) and theoretical understanding of a hybrid electrochemicalozonation process, which can be used in wastewater treatment plants if the results are positive.
Powrót