Photoefficiency enhancement of photocatalytic oxidation by periodic illumination

Abstract

ÖZET Hayvan ve bitki dokularının çürümesi sonucunda oluşan hümik maddelerin doğal sulardan giderimi son zamanlarda önem kazanmıştır, çünkü bu maddelerin klorlama sırasında, kanserojen dezenfeksiyon yan ürünlerinin oluşumuna neden olduğu bilinmektedir. Geleneksel arıtma yöntemleri pahalı ve komplike olduğundan, titandioksit kullanarak yürütülen heterojen fotokatalitik parçalanma prosesleri, hümik asit giderimi için alternatif yöntem olarak uygulanmaktadır. Bu çalışmada, nötr pH koşullarında (pH=7.3) periyodik aydınlatmanın, hümik asidin (10 mg L`1) fotokatalitik olarak oksidasyonu üzerine olan etkisi incelenmiştir. Fotokatalizör olarak titandioksit (0.25 mg mL`1) ve ışık kaynağı olarak da siyah ışıklı flurasan lamba kullanılarak laboratuvar ölçekli deneyler yapılmıştır. Karşılaştırma yapabilmek için, hümik asidin fotokatalitik degradasyonu beş ayrı ışık şiddetinde sürekli aydınlatma ile gerçekleştirilmiştir. Hümik asidin degradasyonu Langmuir-Hinshelwood ve birinci dereceden reaksiyon kinetiği ile RenLoö, RenLwo, UV280 ve UV254 parametreleri cinsinden incelenmiştir. Hümik asidin fotokatalitik degradasyonunda periyodik aydınlatma kullanıldığında, sürekli aydınlatılma kullanıldığında elde edilen giderim hızına oranla daha yüksek bir hız elde edilmiştir. Sürekli aydınlatma ile Io = 3.49x1 0`2 uE s`1 ışık şiddetindeki Renk436 ve UV254 için birinci dereceden reaksiyon hız sabitleri 3.76xl0`2 min`1 ve 1.96xl0`2 min`1 olarak bulunmuştur. Aynı ışık şiddetinde ise, periyodik aydınlatma ile Renk436 ve UV254 için giderim hız sabitleri 4.34xl0`2 min`1 ve 2.60xl0'2 min`1 e yükselmiştir. Işık şiddeti ile giderim hızı arasında doğrusal bir bağıntı bulunmuştur. Işık şiddeti Io = 1.48xl0`2 uE s`1 den uygulanan en yüksek değer olan I0 = 5.74xl0`2 uE s`1 e ulaştığı zaman, hümik asidin Renk436 için birinci dereceden giderim hızı %66 artmıştır. I0 = 2.54x1 0`2 uE s`1 ışık şiddetinde ise Renk436 için hız artımı %12 olarak hesaplanmıştır. Diğer yandan, en düşük ışık şiddetiyle karşılaştırıldığında, Io = 3.49xl0`2 uE s`1 ve I0 = 4.44xl0`2 uE s`1 ışık şiddetlerindeki Renlc^ için hız artımı sırasıyla %39 ve %46 olarak bulunmuştur. Benzer olarak, ışık şiddeti en düşük değerinden en yükseğine ulaştığında, 10 mg L`1 hümik asit için Langmuir-Hinshelwood kinetiği cinsinden Renlc^ için hız artımı %47 olarak gözlenmiştir.

IV ABSTRACT The destructive removal of humic substances which arise from the decomposition of plant and animal tissues, in natural waters has gained importance because these substances are known to be major precursors of carcinogenic disinfection by-products that are produced during chlorination. Since the conventional treatment methods are expensive and complicated, heterogeneous photocatalytic degradation processes using TİO2 have been applied as an alternative treatment for the destruction of humic acids. This study was conducted to investigate the effect of periodic illumination on the photocatalytic oxidation of humic acid (10 mg L`1) in aqueous medium at neutral pH conditions (pH=7.3). Bench scale experiments were carried out using titanium dioxide (0.25 mg mL`1) as the photocatalyst and Black Light Fluorescent Lamp as the irradiation source. For comparison purposes, the photocatalytic degradation of humic acid was performed at five different light intensities by continuous illumination. The degradation was followed by pseudo first order and Langmuir-Hinshelwood kinetics in terms of Color436, Color4oo, UV28o and UV254- The usage of periodic illumination resulted in increased removal rates on the photocatalytic degradation of humic acid compared to the rate obtained by continuous illumination. Pseudo first order reaction rate constants of continuous illumination for Colors and UV254 were found to be 3.76xl0`2 min`1 and 1.96xl0`2 min`1 at the light intensity of I0 = 3.49xl0'2 uE s`1. At the same light intensity, Color436 and UV254 removal rate constants increased to 4.34xl0`2 min`1 and 2.60xl0`2 min`1 by periodic illumination. A linear dependence of light intensity on the removal rate of humic acid was observed. As the light intensity increased from Io = 1.48xl0`2 uE s`1 to the highest light intensity applied I0 = 5.74xl0`2 ^E s`1, the removal rate of humic acid for Color436 in terms of pseudo first order reaction kinetics increased 66%. At the light intensity of I0 = 2.54xl0`2 nE s`1 there was an increase of 12% for the Color436 value of the calculated rate. On the other hand, at the light intensities Io = 3.49xl0'2 yE s`1 and I0 = 4.44x1 0`2 juE s`1, the increase amount of the reaction rate reached to 39 % and 46%, respectively, when compared to the smallest light intensity value. Similarly, as the light intensity increases from the smallest to the highest a 47% increase was observed in the rate obtained in terms of Langmuir-Hinshelwood kinetics for 10 mg L`1 humic acid for Colo^