Naslov (srp)

Примена композитних угљеничних електрода за електрохемијско уклањање органских боја из водених раствора - експериментални и теоријски приступ : докторска дисертација

Autor

Ječmenica Dučić, Marija, 1982-

Doprinosi

Vasić Anićijević, Dragana D., 1987-
Bajat, Jelena, 1964-
Grgur, Branimir N., 1965-
Gvozdenović, Milica, 1971-
Jokić, Bojan, 1977-
Pešić, Radojica, 1966-
Aćimović, Danka D., 1985

Opis (eng)

Electrooxidation (EO) of organic pollutants belongs to electrochemical advancedoxidation processes (EAOPs), a group of promising, environmental friendly technologies forwastewater treatment. Because contaminants are removed in unique way, and can bedegraded even up to carbon dioxide and water, electrooxidation is used when conventionaltechnologies are ineffective. Widespread use of EO is limited by low effectiveness resultingfrom high energy requirements, but possibilities for further process improvement are huge.Controlled design of highly efficient electrodes is currently one of the main strategies toimprove the applicability of EO in practice, although it often results in the development ofcomplex and expensive materials. Undoubtedly, sophisticated electrodes contribute tosatisfactory electrochemical performance, but the electrode material should also be simple,affordable and easy to prepare. The use of economically acceptable and sustainable materials,such as high-surface area carbonaceous materials, opens new possibilities for thedevelopment of easily synthesized, but highly specific and highly efficient electrodes.In this work, the electrooxidation of organic dyes was investigated using simplyprepared, carbon-based materials deposited on low-cost stainless steel substrate (metal oxide(MO2)/ carbonaceous base@SS). The goal of the research was to provide a systematic insightinto the efficiency of composite active/non-active electrodes and the degradation mechanismof organic dyes in sulphate electrolyte. The electrodes were structurally and electrochemicallycharacterized, and studies of their stability, repeatability and reproducibility showed thatthey are suitable for use in electrochemical processes. An indirect mechanism of EO, mediatedby hydroxyl radicals (•OH) generated on the anode surface, is assumed.Effective electrooxidation was confirmed during preliminary research by comparativeanalysis of MWCNT, SnO2/MWCNT, and PbO2/GNR electrodes as anodes for the degradationof Rhodamine B as a model organic pollutant. Previous assumption that the degradationmechanism is indirect was complemented with Density Functional Theory (DFT) calculationsof •OH radical interaction with appropriate model surfaces: graphene(0001), SnO2(001), andPbO2(001). It was found that the adsorbed •OH radical is more stabilized on the metal oxidecompared to the carbonaceous component of the materials, resulting in a more efficientdegradation of Rhodamine B on the composite electrodes.In further research, a mixture of three phenol-based dyes was used as a model organicpollutant: bromocresol green (BCG), cresol red (CR) and thymol blue (TB). A comparativestudy of the electrochemical degradation of the mixture with a total initial dyes concentrationof 15 ppm was performed using GNP@SS, SnO2/GNP@SS and TiO2/GNP@SS electrodes.Degradation kinetics were determined to quantify efficiency, and the main products and thevimineralization extends were tracked to gain a fundamental understanding of the degradationmechanism. It has been observed that the improvement of the degradation rate is constantupon the addition metal oxides, but the efficiency is mainly depended on the chemicalstructure of the dyes. These effects are most obvious with cresol red dye, so the proposedmechanism involves the attack of •OH radical on the oxygen heteroatoms of phenolic rings, asthe initial step in its degradation to aromatic compounds oxidized to different extents. Themechanism is corroborated with the DFT calculations of the reactivity of cresol red moleculestowards radical attack.This work provides useful information for the design of low-cost, easy-to-preparecarbon composite electrodes deposited on a low-cost stainless steel substrate. The resultscould be a good basis for further efforts in finding simple, affordable, but satisfactory efficientelectrodes for the electrochemical removal of organic pollutants. It is evident that the additionof non-active metal oxides leads to an improvement in the degradation rate, but it is alsoevident that the electrogenerated •OH radical is unable to degrade aromatic structures toaliphatic products. A series of similar dyes is electrochemically treated on a series of similarelectrodes, which allows a systematic insight into the degradation process. The conclusion isthat knowledge about the degradation mechanism and the presence of potentially toxicresidual products is crucial in further strategies for the development of systems for theremoval of phenol-based compounds from aqueous solutions.

Opis (srp)

Електрооксидација (EO) органских полутаната припада напреднимелектрохемијским оксидационим процесима (EAOPs), групи захвалних, еколошкиприхватљивих технологија за третман отпадних вода. Електрооксидација се користи услучају када се конвенционалне технике покажу неефикасним, јер се загађивачиуклањају на јединствен начин, и могу се разградити чак до угљен диоксида и воде.Шира употреба EO ограничена је малом ефективношћу због високих захтева заенергијом, али су могућности за унапређење процеса разноврсне. Једна од главнихстратегија за повећање примењивости EO у пракси је контролисани развој високоефикасних електрода, иако он за резултат често има сложена и скупа решења.Софистицирани дизајн недвосмислено доприноси томе да електрохемијскеперформансе електрода буду задовољавајуће, али материјал за њихову израду такођеби требало да буде једноставан, јефтин и лак за припрему. Употреба економскиприхватљивих и обновљивих материјала, као што су то угљенични материјали великeспецифичнe површинe, отвара нове могућности развоја специфичних и веомаефикасних електрода, чија је синтеза лака и једноставна.У овом раду, истражена је електрооксидација органских боја применомједноставно припремљених материјала са угљеничном основом нанетих на јефтинеподлоге од нерђајућег челика (оксид метала (MO2)/угљенична основа@SS). Циљистраживања био је да се омогући систематски увид у ефикасност композитнихактивних/неактивних електрода и механизам деградације органских боја у сулфатномелектролиту. Електроде су структурно и електрохемијски окарактерисане, а студијастабилности њиховог рада, као и поновљивости њихове припреме и примене, показалесу да су погодне за употребу у електрохемијским процесима. Претпостављен јемеханизам индиректне електрооксидације полутаната, посредством хидроксилрадикала (•OH) који настају на површини аноде.Ефикасна електрооксидација потврђена је током прелиминарних истраживања,поређењем дегарадације Родамина Б, као модела полутаната, на MWCNT, SnO2/MWCNT,и PbO2/GNR електроди (као аноди). Претходна претпоставка о индиректном механизмудеградације допуњена је прорачунима интеракција •OH радикала са одговарајућиммоделима површина: графен(0001), SnO2(001), и PbO2(001), базираним на теоријифункционала густине (DFT). Уочено је да је адсорбовани •OH радикал стабилнији наоксидима метала него на угљеничној комоненти материјала, што за резултат имаефикаснију деградацију Родамина Б на композитним електродама.ivУ даљим истраживањима, као модел полутанта коришћена је смеша три боје набази фенола: бромокрезол зеленог (BCG), крезол црвеног (CR) и тимол плавог (TB).Компаративно истраживање електрохемијске деградације смеше, укупне почетнеконцентрације боја од 15 ppm, изведено је применом GNP@SS, SnO2/GNP@SS иTiO2/GNP@SS електроде. Кинетика деградације одређена је као мера ефикасностипроцеса, а главни производи и степен минерализације су праћени ради утврђивањамеханизма деградације. Примећено је да се брзина деградације свакако повећава садодатком металних оксида, али да ефикасност највише зависи од хемијске структуребоје. Ови ефекти су најочигледнији у случају крезол црвеног, тако да је предложенмеханизам у коме је интеракција •OH радикала са хетероатомима кисеоника упрстеновима фенола, почетни корак у деградацији ове боје до ароматичних једињењаоксидованих у различитој мери. Механизам је потврђен DFT прорачунимареактивности молекула крезол црвеног према нападу радикала.Овај рад пружа корисне информације о могућностима израде јефтинихелектрода од угљеничних композита, које се лако припремају наношењем на јефтинуподлогу од нерђајућег челика. Приказани резултати могу пружити добру основу у циљуизналажења могућности добијања једноставних и јефтиних електрода, које имајузадовољавајућу ефикасност у уклањању органских полутаната. Очигледно је да седодатком оксида метала постиже повећање брзине деградације, као и да сеелектрогенерисаним •OH радикалом ароматичне структуре не могу разградити доалифатичних прозвода. Серија сличних боја је електрохемијски третирана применомсерије сличних електрода, што омогућава систематски увид у процес њиховедеградације. Закључак је да je познавање механизма деградације и потенцијалногприсуства токсичних споредних производа, кључно за будуће стратегије развојасистема за уклањање једињења на бази фенола из водених раствора

Opis (srp)

Технолошко инжењерство - Хемијско инжењерство / Technological engineering -Chemical engineering Datum odbrane: 26.09.2023.

Jezik

srpski

Datum

2023

Licenca

Ovo delo je licencirano pod uslovima licence
Creative Commons CC BY-NC 3.0 AT - Creative Commons Autorstvo - Nekomercijalno 3.0 Austria License.

http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/at/legalcode

Predmet

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Hemijsko inženjerstvo

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Hemija procesa visokih energija. Elektrohemija

угеничне нанокомпозитне електроде, електрохемијска оксидација, фенолни огрански полутанти, DFT прорачуни

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Hemijsko inženjerstvo

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Hemija procesa visokih energija. Elektrohemija

carbon nanocomposite electrodes, electrochemical oxidation, phenolic organic pollutants, DFT calculations