UV-reaktor. Katja Eriksson. Handledare: Hannah Heidkamp. Karlstads universitet

Transkript

1 UV-reaktor Katja Eriksson Handledare: Hannah Heidkamp Karlstads universitet

2 Sammanfattning Ett fotokemiskt experiment kan göras genom att bestråla ett organiskt material som exempelvis färg och på detta sätt kan man undersöka samverkan mellan ljus och materia. Detta experiment har gjort genom att bygga en UV-reaktor och skicka fotoner på färgämnet och sedan mäta absobansen i en spektrofotometer. Samma experiment gjorde med och utan katalysatorn TiO2. Syfte Syftet med laborationen var att studera nedbrytning av färgämnen med UV-ljus. Sedan undersöktes nedbrytningshastigheten av färgämnet med och utan katalysatorn TiO2. Bakgrund Titandioxid är ett basmaterial i vårt vardagsliv och har många användningsområden såsom vittpigment i färg, kosmetika och i mat. Titandioxid är ett halvledande material som kan bli kemiskt aktiverat av ljus, detta har undersökts omfattande i cirka 60 år. Under bestrålning av ljus så tenderar titandioxid att bryta ned många typer av bakterier, organiska och oorganiska material, exempel när färgen flagnar beror det på denna fotokatalytiska process. Varför just titandioxid används: - Reaktionen är ganska snabb och har milda betingelser (rumstemperatur och atmosfärstryck). - Många organiska föroreningar kan konverteras till vatten och koldioxid. - Inga kemiska reaktanter behövs och inga sidoreaktioner skapas. När titandioxid utsätts för UV-ljus så får den en unik förmåga att attrahera vatten istället för att repellera och detta kallas att det är super hydrofilt. Om bestrålningen avslutas så kommer det super hydrofila uppförandet att bibehållas i ungefär 2 dagar. Titandioxid har också applicerats på viktiga problem. Vattenrening Inom området av vattenrening blir titandioxiden finfördelad i vattenlösningen. Efter nedbrytningsprocessen under bestrålning av UV-ljus så kommer pulvret fortfarande att vara finfördelat. Det går inte att använda filter eller andra metoder för att ta bort titandioxiden, istället borde det läggas som en ytbehandling. Luftrening Fotokatalytisk oxidation har använts för att ta bort föroreningar inomhus. Reaktorerna fångar då de kemiskt oxiderbara organiska föreningarna och omvandlar dem till koldioxid och vatten. De kan användas i värme-, kylsystem och ventilation. 2

3 Anit-bakteriell och självrengöring Om titandioxiden läggs i ett tunt lager på en keramik platta så är det mycket effektivt mot organiska, oorganiska material och bakterier. Bakterierna dör fortare än de växer. Man använder dessa kakelplattor på till exempel sjukhus för att minska spridningen av infektioner. Plattorna visar ett super hydrofilt uppförande. Ytterligare områden som ska undersökas är utomhus material som till exempel betong. Byggnader blir förstörda av oljiga komponenter såsom avgaser. Två olika effekter skulle kunna funka. Först borde en super hydrofilyta som har högre affinitet för vatten än olja användas. Den andra ultraviolett strålning av titandioxid som leder till en reaktion med syre och vatten. Kombinationen mellan dessa två koncept skulle kunna leda till att byggnader rengörs med regnvatten[1]. I ett halvledande material upptar elektronerna en energinivå som kallas valensband. Nästa band med högre enegri kallas ledningsband och mellan dessa två energinivåer ett energigap som är en förbjuden zon. Elektronerna har inte denna energi men genom att bestråla elektronern med UV-ljus av fotoner kan tillräckligt med energi överföras och elektronerna exicteras. Elektronen kan då migrera genom halvledarensyta och blir då en absorberad molekyl som en följd av detta kommer reaktiviteten att öka vilket påskyndar processen. För att kunna jämföra skillande i hastiget på processen med och utan katalysator så kan ett värde beräknas. Detta värde är skillanden i lutning på linjerna som kallas för K app [2]. Material Pump Batteri Magnetomrörare UV-lampa Kondensor 3

4 Metod Först sattes själva UV-reaktorn ihop enligt figur 1. Figur 1. visar UV-reaktorn under experimentet. Lösningen som skulle testas blandades samman med kemikalien malakit grön och destillerat vatten. Enligt formel 1 där vikten makalit gtön bräknades, uppmättes och sedan späddes till 2l. Två experiment gjordes, först utan TiO2 och sedan med TiO2. Lösningen fick stå med magnetomrörare i 30 minuter innan pumpen startades och ett flöde gick runt i UV-reaktorn och sedan togs ett prov var tionde minut under två timmars period i båda försöken. Provet som togs var 3ml för att kunna fylla kyvetten när absorbansen skulle mätas. När proverna var tagna så centrifugerades dom i 5 minuter med hög hastighet. Absorbansen mättes på proverna i en spektrofotometer vid 625nm. (1) Resultat Resultanen som uppmättes under laborationen visas i diagram 1. 4

5 Diagram 1. Visar resultaten som erhölls i laborationen när absorbansen mättes. Kapp beräknades till 1,32 och är skillnaden i lutning mellan kurvorna. Diskussion Experimentet utfördes enligt laborationsinstuktionen. När laborationen utförts tidigare hade ett värde på K app erhållts som var ~16. Värde som beräknades denna gång låg på 1,32 vilket är mycket lågt i jämförelse. Proverna som togs under laborationen var 3ml och egentligen så skulle dessa prover även filtreras men detta utfördes inte på grund av den lilla mängden. Eftersom proverna inte filterades så kan det ha påverkat resultatet. I laborationsintruktionen användes färgämnet birlliant grön men i detta experiment användes malakit grön istället som är mer svårlöslig. Skilladen i löslighet kan ha inverkan på resultaten. Denna laboration kan utföras för att undersöka nedbrytning av färgämnen och metoden funkar väl. Referenser [1] Benedix R, Dehn F, Quaas J, Orgass M, Application of Titanium Dioxide Photocatalysis to Create Self-Cleaning Building Materials. [2] Poce-Fatou J.A, Gil M.L.A, Alcántara R, Botella C, Martin J, A Photochemical Reactor for the Studyof Kinetics and Absortion Phenomena, vol. 81, No 4, Journal of Chemical Education. 5