Proiect: 258 POC TTC-ITIM /2018

Titlu proiect: Creșterea capacității de Transfer Tehnologic și de Cunoștințe a INCDTIM Cluj în Domeniul Bioeconomiei, Acronim TTC-ITIM

 

O1. Obținerea fotocatalizatorilor pe baza de nanotuburi de carbon și nanoparticule semiconductoare

A1.1 Decorarea MWCNT cu nanoparticule semiconductoare de tipul ZnO, SnO2, TiO2 nedopate și/sau dopate cu metale tranziționale
A1.2 Caracterizare structurala, morfologica și optica a nanotuburilor decorate cu nanoparticule semiconductoare
A1.3 Proiectare și realizare model de laborator pentru evaluarea activității fotocatalitice a nanotuburilor de carbon decorate
A1.4 Modelare numerica în vederea stabilirii protocoalelor experimentale
A1.5 Evaluarea activității fotocatalitice. Experimentări pe modelul de laborator
A1.6 Studiu privind degradarea prin fotocataliza a unor compuși organici sintetici. Influenta matricii organice naturale a apei (NOM) asupra procesului de degradare fotocatalitică a compușilor țintă.

 

 

Activitatea A1.3

Proiectare model de laborator
Proiectul modelului de laborator a fost realizat într-o structura de reactor fotocatalitic, cu recirculare, utilizând drept sursa de radiație o arie de LED-uri UV. Recircularea se face cu ajutorul unei pompe peristaltice digitale, comandata din tabloul de automatizare echipat cu un PLC și interfață HMI. Se realizează un sistem recirculant, în care soluția încărcată cu poluant țintă este recirculata din rezervorul tampon RT, prin intermediul pompei peristaltice de recirculare Pr prin reactorul fotocatalitic R-UV și filtrul FI. Se vor preleva probe din rezervorul tampon, la diferite intervale de timp, care se vor analiza , separat, în laborator.
Elementele de baza ale procesului
1. Reactorul fotocatalitic R-UV
Este alcătuit dintr-o incinta cu șicane, din otel inoxidabil, care are o fereastra de cuarț pe o latură, iradiată de o arie LED-UV de tipul PUUA-100LLL-NK2P Pentru buna funcționare, aria LED-UV trebuie ventilata prin intermediul unui ventilator V.
Monitorizarea funcționării reactorului se face prin intermediul senzorului de temperatura TAH și a senzorului de radiație UV: AT
Reglajul intensități radiației, și, implicit a dozei de radiație UV se face prin controlul factorului de umplere al alimentarii ariei de LED-uri.
2. Pompa de recirculare
Este o pompa peristaltica de tip SEKO, KRONOS 50 KR FF 02 10 M 6.
Controlul debitului recirculat se va face pe baza unui semnal 4…20 mA ,sau pe baza unei tensiuni de comanda 0…10 V, din automatul programabil PLC
3. Rezervorul tampon RT
Este echipat cu un senzor de temperatura TAH-1

 

 

Schema tehnologică de proces

 

Modelul de laborator pentru evaluarea activității fotocatalitice a nanotuburilor de carbon se compune dintr-un ansamblu de echipamente electrice și hidraulice care au rolul colectării unor date experimentale privind degradarea unor compuși organici sintetici în prezența radiației din spectrul ultraviolet.

Instalația se compune din următoarele sub-ansamble și echipamente:

  • Reactor UV
  • Pompă de recirculare
  • Rezervor tampon
  • Tablou Electric de Automatizare

 poza

poza stand experimental

 

Activitatea A1.4

Modelare numerică în vederea stabilirii protocoalelor experimentale
Purificarea apei este un proces complex în care se utilizează mai multe etape. Referitor la reactoarele de fotocataliza eterogena, sistemul de circulație al apei trebuie sa asigure o circulație turbulenta. Aceasta facilitează amestecul bifazic (lichid + solid în dispersie), suficient astfel încât să reacționeze cu poluanții din apă. Când se analizează un astfel de reactor de purificare, prima etapă este să se studieze curgerea turbulentă. Rezultatele obținute din simularea debitului turbulent pot fi utilizate mai departe pentru a analiza timpul de rezidenta, transportul speciilor chimice și reacțiile chimice. Acest lucru necesită adăugarea mai multor caracteristici fizice la model.
S-a utilizat pentru modelare pachetul software Comsol 5.3. Folosind acest model s-au rezolvat ecuațiile Navier -Stokes, cu contribuția dată de ecuațiile energiei cinetice turbulente și disiparea turbulentă (model k-e). Ecuațiile au fost rezolvate folosind o matrice directă și convergența a fost obținută atunci când eroarea relativă a soluției a fost mai mică decât 1E-3.
Câmpul de viteză în planul de simetrie este redat în Figura 1.

 

 

Distribuția vitezelor în volum

Fig. 2 – Distribuția vitezelor în volum

 

Jeturile de la orificiul de intrare se lovesc de partea superioară a șicanei, care împarte jetul. O jumătate din debit creează o zonă puternică de recirculare în prima "cameră". Cealaltă jumătate continuă în aval în reactor și se extinde treptat. Viteza scade cu cât mai mult fluid este antrenat în coloană.

 

Distribuția vitezelor la suprafațăFig. 3 – Distribuția vitezelor la suprafață

 

 

 

Rezoluția peretelui vâscosFig. 4 – Rezoluția peretelui vâscos

 

 

Activitatea A1.5 Evaluarea activității fotocatalitice. Experimentări pe modelul de laborator

Pentru a se demonstra eficiența modelului de laborator acesta a fost verificat din punct de vedere mecanic și electric, apoi a fost supus testărilor. Experimentările efectuate pe modelul de laborator au urmărit in principal funcționarea subansamblelor cât și funcționarea unitară a modelului.

Pentru evaluarea activități fotocatalitice au fost derulate, pentru început, teste pe o soluție de sintetică de ibuprofen cu concentrație inițială relativ crescută, de 0,2 mg/l. A fost utilizat un volum V= 2 l de soluție în regim recirculant, în modelul de laborator al reactorului fotocatalitic.

        Drept indicator al concentrației de ibuprofen a fost utilizată valoarea carbonului organic total (TOC), pe probe prelevate la anumite intervale de timp.

        Au fost făcute teste vizând capacitatea de fotodegradare în raport cu concentrația de catalizator și cu intensitatea radiației emisa de către sursă.

       fig5

Fig. 5 - Evoluția în timp a valorii TOC

 

        Se observă o creștere a capacității de fotodegradare o dată cu creșterea concentrației de catalizator în soluție. În Figura 6 este reprezentat timpul de înjumătățire a valorii concentrației TOC, T1/2 în raport cu concentrația de catalizator din soluție. Se observă o scădere accentuată a acestei valori, de la 2,3 h pentru o concentrație de 0,3 mg/ml, până la o valoare de 0,6 h la o concentrație a catalizatorului de 1,1 mg/ml.

fig6                                            

Fig. 6 - Evoluția timpului de înjumătățire

 

Pentru evaluarea capacității de fotodegradare în raport cu intensitatea sursei de radiație, a fost modificată capacitatea de emisie a modulurilor LED UV în trepte de putere, de la un procent de 10% până la un procent de 70%. Evolutța TOC, pentru o concentrație a catalizatorului de 0,333 mg/ml este prezentată în Figura 3

fig7

Fig. 7 - Curbele de evoluție a fotodegradării în raport cu puterea de emisie

Variația TOC în raport cu puterea de emisie, la intervale de timp prestabilite este prezentată în Figura 8.

fig8

Fig. 8 - Concentrația TOC în raport cu puterea de emisie

 

A 1.6 Studiu privind degradarea prin fotocataliza a unor compuși organici sintetici. Influența matricii organice naturale a apei (NOM) asupra procesului de degradare fotocatalitică a compușilor țintă.

Pentru a se studia influența materiei organice naturale apei (NOM) asupra procesului de degradare fotocatalitică a compușilor țintă, s-a prelevat o probă de apă de suprafață, dintr-un râu (proba A), pe acesta probă s-au efectuat următoarele analize: pH, CCOCr, TOC și CBO5. Rezultatele analizelor sunt redate în tabelul de mai jos:

 

Tabelul  1 – Rezultatele analizelor pentru proba A

 

pH

CCOCr

(mg/l)

TC

(mg/l)

TOC

(mg/l)

TIC

(mg/l)

CBO5

(mg/l)

Proba A

7.65

58

28,5

10.2

18.3

26.1

 

S-a amestecat proba A, 1 litru cu 1 l soluție sintetica nr. 1 (ibuprofen 0.01 mg/l), soluție test B și s-a supus testării. Rezultatele experimentărilor se pot observa din graficele de mai jos.

fig9

Fig. 9 -  Variația TOC și CCO-Cr în soluția test B, batch 1

fig10

Fig. 10 -  Variația TOC și CCOCr în soluția test B, batch 2

fig11

Fig. 11 -  Variația TOC și CCOCr în soluția test B,  batch 3

Din rezultatele analizelor se observă că: degradarea ibuprofenului este influențată de materia organică naturală (NOM) prezentă în apă.

A 2.3. Proiectare și realizare model de laborator pentru evaluarea eficienței membranelor fotocatalitice ultrafiltrante

 

            Abordarea evoluției hidraulicii în reactor, precum și estimarea chimismului, legat de reducerea concentrației de săruri prin filtrare în medii poroase a fost realizată prin utilizarea conceptului CFD (Computational Fluid Dynamics) și modelarea transportului speciilor diluate. A fost utilizat pachetul software COMSOL.

            Consideram specii diluate, acel amestec în care concentrația solventului este mai mare de 90% mol. Datorită diluției, proprietățile soluției: densitate, vâscozitate pot fi considerate ca fiind cele ale solventului.

            Fenomenele de transport implicate sunt date de transportul prin difuzie și cel prin convecție.

În figura 12 este reprezentată variația presiunilor în secțiunea reactorului, iar în fig.13. variația concentrației pentru o soluție 3 g/l NaCl.

fig12

Fig. 12 - Presiunile în secțiunea reactorului

fig13

Fig. 13 - Concentrația în secțiunea membranei

Pentru dimensionarea celulei reactorului modelului experimental au fost utilizate ecuațiile:

-       De bilanț pentru debitele de fluid, corelate cu parametrii sistemului:

-       De bilanț de masă pentru componenta “i” corelat cu parametrii sistemului:

A fost stabilit necesarul debitului de intrare Qin [l/h] în funcție de targetul de ieșire Qout[l/h] la o concentrație a soluției saline C= 3 g/l și diferite rate de recuperare, la o rată de rejecție de 66% (caz defavorabil).  Analiza a fost făcută la rate de recuperare Y= 0.85;0.90;0.95.

            Reprezentarea grafică a rezultatelor este prezentată în figura 14.

fig14

Fig. 14 - Necesarul debitului de alimentare pentru celula reactorului

În aceste condiții, stabilim debitul maxim al pompei de alimentare și recirculare Qmax= 10 l/h.

Sinteza - tema de proiectare

Element

Valoare/Caracteristici

Configurație sistem

- Duala: regim de recirculare și regim IN/OUT

- Configurația va fi prevăzută cu unul/două rezervoare tampon

Configurație celula reactor

- Configurație 1: regim de fotocataliza

- Configurație 2: regim ultrafiltrant, având ca “target” de bază rejecția sărurilor din soluții saline

Celula va fi executata în geometrie cilindrică, din oțel inox, cu două camere și suport mecanic permeabil pentru membrană

Sistem de alimentare

Pompa de alimentare Qmax=10 l/h

Elemente de măsură și control

- Măsura debit vehiculat

- Măsura presiune alimentare camera 1

- Măsura presiune refulare camera 2

- Măsura temperatura soluție rezervor

- Achiziție date și control cu sistem PLC și interfața HMI

 

fig15

Fig. 15 - Diagrama de proces a configurației experimentale

Pentru separarea solutiei brute de solutia ultrafiltrata se va utiliza si varianta separării rezervorului tampon de rezervorul de soluție brută. În Figura 16 este prezentată o vedere izometrică sistemului proiectat în această configurație.

fig16

Fig. 16 - Configurația modelului experimental cu separarea fluxurilor