TY - THES A1 - Mehrjouei, Mohammad T1 - Advanced oxidation processes for water treatment : reactor design and case studies T1 - Moderne Oxidationsprozesse für Wasseraufbereitung: Reaktor-Design und Fallstudien N2 - The aim of this work was to study in detail the physical-chemical aspects of water and wastewater treatment using different so-called “advanced oxidation systems”. Our target was to construct an annular multiphase falling film reactor with a fixed photocatalyst (TiO2) and to compare its performance with that of a planar reactor in different chemical oxidation regimes. The annular design of the falling film reactor was prepared for heterogeneous photocatalytic oxidation systems by combining three different phases (solid fixed photocatalyst, falling liquid wastewater and an ozone/oxygen gaseous mixture). UVA light sources were employed for irradiation of the photocatalyst surface. In the first step, the design, construction and characterisation of the reactor was performed. The next step was the assessment of the performance of the falling film reactor in the decomposition of selected organic chemicals as model compounds. Six different oxidation methods were evaluated for the degradation of model compounds. Photo-oxidation (UVA/O2), photo-ozonation (UVA/O3), ozonation (O3), catalytic ozonation (TiO2/O3), photocatalytic oxidation (TiO2/UVA/O2) and photocatalytic ozonation (TiO2/UVA/O3) processes were investigated in this study. It was shown that due to the synergetic effects between ozone molecules and the irradiated surface of TiO2, photocatalytic ozonation was the most effective oxidation process for the decomposition of model compounds. Oxalic acid, dichloroacetic acid, citric acid, terephthalic acid, p-chlorobenzoic acid, methyl tert-butyl ether, ethyl tert-butyl ether, tert-amyl ethyl ether and tert-butanol were chosen as model compounds. Two different immobilisation techniques were employed and evaluated for fixing TiO2 nanoparticles onto the reactor walls. The immobilisation of photocatalysts was performed on borosilicate glass and polymethylmethacrylate. It was observed that the photoactivity of fixed TiO2 particles on borosilicate glass was higher than that on polymethylmethacrylate. The stability of immobilised photocatalysts on both substrates was good. The influences of different experimental parameters, such as the initial concentration of model compounds, ozone concentration, solution pH, temperature and solution recycling rate on the degradation rate and efficiency of the oxidation systems were studied and discussed. In terms of the characterisation of the falling film reactor, different aspects were studied. The thickness and distribution pattern of falling films, the gas washing effects of falling films, the absorption of ozone in the falling films, the adsorption of organic pollutants on the photocatalyst surface, the effect of UVA irradiation on ozone decomposition, etc. were studied in detail. The concentration of model compounds was determined by ion chromatography (IC), high performance liquid chromatography (HPLC) and headspace techniques. Chemical oxygen demand (COD) was applied to quantify the quality of wastewaters and total organic carbon (TOC) measurements were employed for the determination of model compound mineralisation. At the end of this study, treatment of real wastewater was performed by means of the falling film reactor as a case study. The real wastewater was produced in a pyrolysis process. More than 30 organic and inorganic compounds were included in the composition of this wastewater. The application of ozone-based advanced oxidation processes showed good results in terms of colour and odour removal of pyrolysis wastewater as well as in terms of decreasing its COD. N2 - Das Ziel dieser Arbeit war es, die physikalisch-chemischen Aspekte der Wasser-und Abwasserbehandlung mit verschiedenen sogenannten "Advanced Oxidation“ Systemen zu untersuchen. Es sollte ein ringförmiger (Ringspalt) Mehrphasen-Fallfilmreaktor mit einem fixierten Photokatalysator (TiO2) konstruiert und seine Leistung mit derjenigen eines planaren Reaktors unter verschiedenen chemischen Oxidationsbedingungen verglichen werden. Die Ringspalt-Anordnung des Fallfilmreaktors ermöglicht eine Kombination aus fest fixiertem Photokatalysator, Abwasser-Fallfilm und einem Ozon/Sauerstoff-Gasgemisch für heterogen-photokatalytische Oxidationsreaktionen. UVA Lichtquellen wurden zur Bestrahlung der Photokatalysatoroberfläche eingesetzt. Im ersten Schritt wurde die Planung, Konstruktion und Charakterisierung des Reaktors durchgeführt. Der nächste Schritt war die Bewertung der Leistung des Fallfilmreaktors anhand des Abbaus ausgewählter organischen Chemikalien als Modellverbindungen. Sechs verschiedene Oxidationsverfahren wurden für den Abbau von Modellverbindungen ausgewertet: Photo-Oxidation (UVA/O2), Photo-Ozonung (UVA/O3), Ozonung (O3), katalytische Ozonung (TiO2/O3), photokatalytische Oxidation (TiO2/UVA/O2) und photokatalytischen Ozonung (TiO2/UVA/O3). Es wurde gezeigt, dass die photokatalytische Ozonung aufgrund von Synergieeffekten zwischen Ozon-Molekülen und der bestrahlten TiO2-Oberfläche das effektivste Oxidationsverfahren für die Zersetzung der Modellverbindungen ist. Als Modellsubstanzen wurden vor allem Oxalsäure, Dichloressigsäure, Zitronensäure, Terephthalsäure, p-Chlorbenzoesäure, Methyl-tert-butylether, Ethyl-tert-butylether, tert-Amyl-ethylether und tert-Butanol ausgewählt. Zwei unterschiedliche Immobilisierungstechniken wurden zur Fixierung von TiO2-Nanopartikeln auf den Reaktorwänden eingesetzt und charakterisiert. Die Immobilisierung der Photokatalysatoren erfolgte auf Borosilikatglas und Polymethylmethacrylat. Es wurde beobachtet, dass die Photoaktivität der festen TiO2-Partikel auf Borosilikatglas höher ist als die von TiO2 auf Polymethylmethacrylat. Die mechanische Stabilität der immobilisierten Photokatalysatoren war auf beiden Substraten gut. Die Einflüsse von verschiedenen experimentellen Parametern, wie der Startkonzentration der Modellverbindungen, Ozon-Konzentration, pH-Wert, Temperatur und Umpumpgeschwindigkeit auf die Abbaurate sowie die Effizienz der Oxidationssysteme wurden untersucht und diskutiert. Zur Charakterisierung des Fallfilmreaktors wurden verschiedene Aspekte untersucht: Die Dicke und das Verteilungsmuster der Fallfilme, der Stofftransport von O3 in die flüssige Phase und die Adsorption organische Schadstoffe auf der Photokatalysatoroberfläche. Die Wirkung der UVA-Bestrahlung auf den Abbau von Ozon wurde im Detail untersucht. Die Konzentration der Modellverbindungen wurde durch Ionenchromatographie (IC), Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC) und GC-Headspace Techniken bestimmt. Der chemische Sauerstoffbedarf (COD) wurde zur Charakterisierung des Abwassers und der gesamte Gehalt an organischem Kohlenstoff (TOC) zur Bestimmung der Mineralisierung der organischen Verbindungen genutzt. Am Ende der Untersuchungen wurde die Behandlung von realem Abwasser mittels Fallfilmreaktor als Fallstudie durchgeführt. Das hierzu genutzte Abwasser entstammte einer Pyrolyseanlage und enthielt mehr als 30 organische und anorganische Verbindungen. Die Anwendung Ozon-basierter Oxidationsprozesse zeigte gute Ergebnisse bei der Farb- und Geruchsentfernung des Pyrolyseabwassers sowie bei der Senkung des COD. KW - Wasseraufbereitung KW - Photokatalyse KW - Ozonisierung KW - Moderne Oxidationprozesse KW - Fallfilmreaktor KW - Wasseraufbereitung KW - Photokatalyse KW - Photokatalytische Ozonisierung KW - Advanced oxidation processes KW - Falling film reactor KW - Water treatment KW - Photocatalysis KW - Photocatalytic ozonation Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-26619 ER -