Università degli studi di Napoli Federico II Anno Accademico 2017/2018 Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale «Sviluppo di una cella fotocatalitica a combustibile per la cattura di energia solare basata sul sistema WO 3 /Fe(III)/Fe(II)» Tesi di Laurea Magistrale in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio Relatore: Ch.mo Prof. Roberto Andreozzi Correlatori: Dott. Danilo Russo Dott.ssa Laura Clarizia Ing. Ilaria Di Somma Candidata: Lorenza Di Prizito Matr. M67/389
Energia e Ambiente Fonti fossili Fonti rinnovabili
La fotocatalisi È un fenomeno che sfrutta una radiazione luminosa per operare l attivazione di una particolare sostanza definita fotocatalizzatore (SC) al fine di incrementare la velocità di una reazione chimica. SC hν e + h + A ads + e A ads D ads + h + + D ads
I fotocatalizzatori Vantaggi: Largamente disponibile in natura; Stabilità chimica, non-tossicità e costi ridotti; In grado di ossidare un gran numero di composti organici. Svantaggi: Assorbe solo le radiazioni del vicino ultravioletto (UV); Ricombinazione elettrone-lacuna.
Scopo della tesi Realizzazione di un dispositivo fotoelettrochimico atto alla decontaminazione di reflui e alla contestuale produzione di energia elettrica. Processo studiato al variare di: Intensità della radiazione; Catalizzatore; Carico del catalizzatore; Carico del co-catalizzatore (Pd); ph; Concentrazione iniziale di Fe(III). Sviluppo di un modello matematico in grado di descrivere il comportamento del sistema e determinare l influenza dei parametri operativi sull intero processo.
Apparecchiature e procedure sperimentali Reattore anulare Caratteristiche principali: - Cammino ottico L= 1.1 cm, costante lungo il suo asse; - Diametro esterno D=6.5 cm; - Altezza H= 20 cm; - Volume irradiato V=300 ml. Lampada a vapori di mercurio (Hg) ad alta pressione (UV 12F Helios Italquartz) con camicia di vetro avente una potenza nominale di 125 Watt. Inertizzazione tramite flusso di N 2 in continuo. Tecniche e apparecchiature per l analisi: Analisi della concentrazione di Fe(II) con metodo colorimetrico e spettrofotometro CARY 100 UV/Vis (Agilent) : λ = 510 nm; Misure di irradianza della soluzione nell intervallo 380-550 nm mediante un radiometro (UV-Vis, Delta Ohm 2101,1); Monitoraggio del ph della soluzione (ph-metro ORION 420 A+).
Apparecchiature e procedure sperimentali Cella fotoelettrochimica Caratteristiche principali: Cella in vetro V semi =150 ml; Elettrodi in Pt - A=4 cm 2 ; Semi-elementi separati tramite una membrana di Nafion; Inertizzazione in flusso di azoto; Alloggiamento della lampada esterno alla cella. Tecniche e apparecchiature per l analisi: Misurazione del potenziale mediante un voltmetro (Mod. UT33-D, UNI-T); Monitoraggio del ph della soluzione (ph-metro ORION 420 A+); Monitoraggio e Analisi della concentrazione di Fe(II) con metodo colorimetrico e spettrofoto metro CARY 100 UV/Vis (Agilent): λ = 510 nm.
Concentrazione Fe2+ [mm] Prove al variare dell intensità della radiazione 12 10 8 6 Prova al buio Prova con filtro UV Prova con filtro UV-No cat. Prova senza filtro UV Prova senza filtro UV-No Cat. WO 3 Condizioni operative: ph 0 =2; [Fe 3+ ] 0 = 10 mm; [WO 3 ] 0 =500 ppm; T=25 C; P=1 atm; Assenza di ossigeno. 4 2 Fotolisi diretta 0 0 50 100 150 200 tempo [min]
Concentrazione Fe(II) [mm] Prove al variare dell intensità della radiazione 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Fotolisi diretta 500 ppm TiO2 500 ppm WO3 0 30 60 90 120 150 180 Tempo [min] Condizioni operative: ph 0 =2; [Fe 3+ ] 0 = 10 mm; [WO 3 ] 0 =500 ppm; T=25 C; P=1 atm; Assenza di ossigeno; Prove condotte con filtro UV.
C/C0 Prove al variare dell intensità della radiazione 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Prova senza filtro UV- No cat. Prova senza filtro UV- WO3 Prova senza filtro UV- TiO2 Condizioni operative: ph 0 =2; [Fe 3+ ] 0 = 10 mm; [WO 3 ] 0 =500 ppm; T=25 C; P=1 atm; Assenza di ossigeno; Prove condotte senza filtro UV. 0 0 30 60 90 120 150 180 Tempo [min]
Concentrazione Fe2+ [mm] Prove a diverso carico di 8 7 6 5 4 3 2 1 WO3= assente WO3=100 ppm WO3=300 ppm WO3= 500 ppm Condizioni operative: ph 0 =2; [Fe 3+ ] 0 = 10 mm; T=25 C; P=1 atm; Assenza di ossigeno; Prove condotte con filtro UV. 0 0 50 100 150 200 Tempo [min]
Aggiunta di Pd Fe(III) Light e e CB Fe(II) Fe 3+ + e Fe 2+ h + VB e + h + Q
Prove a diverso carico di Pd Condizioni operative: ph 0 =2; [Fe 3+ ] 0 = 10 mm; [WO 3 ] 0 =500 ppm; T=25 C; P=1 atm; Assenza di ossigeno; Prove condotte con filtro UV.
Concentrazione Fe(II) [mm] 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Prove al variare del ph 500 ppm WO3-pH=1.00 500 ppm WO3-pH=2.00 500 ppm WO3-pH=2.19 500 ppm WO3-pH 2.5 0 30 60 90 120 150 180 Tempo [min] Condizioni operative: [Fe 3+ ] 0 = 10 mm; [WO 3 ] 0 =500 ppm; T=25 C; P=1 atm; Assenza di ossigeno; Prove condotte con filtro UV.
Concentrazione Fe2+ [mm] Prove al variare del [Fe(III)] 0 Condizioni operative: 10 9 8 7 6 5 4 3 Conc. Fe3+=10mM conc. Fe3+=5.48mM conc. Fe3+=2.5 mm Conc. Fe3+=15 mm ph 0 =2; [WO 3 ] 0 =500 ppm; T=25 C; P=1 atm; Assenza di ossigeno; Prove condotte con filtro UV. 2 1 0 0 30 60 90 120 150 180 Tempo [min] Prova senza cat.- Conc. Fe3+=10 mm
ph Andamento del ph durante il processo 2,2 2,15 2,1 2,05 2 1,95 Condizioni operative: ph 0 =2.18; [Fe 3+ ] 0 = 10 mm; [WO 3 ] 0 =500 ppm; T=25 C; P=1 atm; Assenza di ossigeno; Prove condotte con filtro UV. 1,9 1,85 1,8 0 30 60 Tempo 90[min] 120 150 180
Misure di irradianza Prova condotta con filtro UV Condizioni operative: ph 0 =2; [Fe 3+ ] 0 = 10 mm; [WO 3 ] 0 =500 ppm; T=25 C; P=1 atm; Assenza di ossigeno. Prova condotta senza filtro UV
Misure in cella: Potenziale Soluzione di riferimento al catodo: [HNO 3 ]=10 mm.
Misure in cella: Carica della pila Concentrazione Fe 2+ (mm) ΔV (mv) Equazione di Nernst E = E 0 + RT nf Fe 3+ α Fe2+ β 10 C Fe2+ 160 V misurato 8 V teorico 120 6 80 4 Condizioni operative: V=150 ml; [Fe 3+ ] 0 = 10 mm; [WO 3 ] 0 =500 ppm; Anodo: [Fe 3+ ] 0 = 10 mm; [WO 3 ] 0 =500 ppm; Prova senza filtro UV; Catodo: [NaNO 2 ]=0.1 mm; [HNO 3 ]=10 mm. 2 0 0 200 400 600 800 Tempo (min) 40 0 Al catodo: NO 3 + 2e + 2h + NO 2 + H 2 O
Potenziale [mv] Misure in cella: Scarica della pila Concentrazione Fe(II) [mm] 250 0,925 Potenziale 240 Conc. Fe(II) 0,92 230 0,915 220 210 0,91 200 0,905 190 Condizioni operative: V=150 ml; [Fe 3+ ] 0 = 10 mm; [WO 3 ] 0 =500 ppm; Anodo: [Fe 3+ ] 0 = 10 mm; [WO 3 ] 0 =500 ppm; Prova senza filtro UV; Catodo: [NaNO 2 ]=0.1 mm; [HNO 3 ]=10 mm. 180 0 5 10 15 20 25 30 Tempo [hr] 0,9
Calcolo rendimento quantico e resa della pila Φ = moli di elettroni per ridurre Fe(III) moli di fotoni assorbiti 0 mol ein = r Fe 3+ P V 1. [EtOH]=1.71 M; V=300 ml ; [TiO 2 ] = 500 ppm; [Fe(III)]= 10 mm; ph=2; T=25 C; Prova con filtro UV; 2. [EtOH]=1.71 M; V=300 ml ; [WO 3 ] = 500 ppm; [Fe(III)]= 10 mm; ph=2; T=25 C; Prova con filtro UV; 3. [EtOH]=1.71 M; V=300 ml ; [WO 3 ] = 500 ppm; [Fe(III)]= 10 mm; ph=2; T=25 C; Prova senza filtro UV; 4. [EtOH]=1.71 M; V=300 ml ; [TiO 2 ] = 500 ppm; [Fe(III)]= 10 mm; ph=2; T=25 C; Prova senza filtro UV; 5. [EtOH]=1.71 M; V=300 ml ; [WO 3 ] = 500 ppm; Pd= 2% w/w; [Fe(III)]= 10 mm; ph=2; T=25 C; Prova con filtro UV. Φ 1 = 2.13% Φ 2 =14.77% Φ 3 =18.22% Φ 4 =15.81% Φ 5 =31.24%
Calcolo rendimento quantico e resa della pila η pila = OCV Δ Fe3+ V Q N P Δt 1. [EtOH]=1.71 M; V=300 ml ; [TiO 2 ] = 500 ppm; [Fe(III)]= 10 mm; ph=2; T=25 C; Prova con filtro UV; 2. [EtOH]=1.71 M; V=300 ml ; [WO 3 ] = 500 ppm; [Fe(III)]= 10 mm; ph=2; T=25 C; Prova con filtro UV; 3. [EtOH]=1.71 M; V=300 ml ; [WO 3 ] = 500 ppm; [Fe(III)]= 10 mm; ph=2; T=25 C; Prova senza filtro UV; 4. [EtOH]=1.71 M; V=300 ml ; [TiO 2 ] = 500 ppm; [Fe(III)]= 10 mm; ph=2; T=25 C; Prova senza filtro UV; 5. [EtOH]=1.71 M; V=300 ml ; [WO 3 ] = 500 ppm; Pd= 2% w/w; [Fe(III)]= 10 mm; ph=2; T=25 C; Prova con filtro UV. η 1 = 0.079% η 2 = 0.94% η 3 = 1.02% η 4 = 0.88% η 5 = 1.84%
Modello matematico Schema cinetico 1. WO 3 hv e + h + 2. e + h + k r Q 3. Et OH + Cl K eq1 Et(OH)ads G = G uv + G vis = φ uv V I a,uv+ φ vis V I a,vis K eq1 = [EtOH ads] Cl [EtOH] 4. Et(OH) ads + h + k 1 + h + P + 2H+ veloce 5. Fe 3+ + e k 2 Fe 2+ 6. Fe 3+ + OH K eq2 Fe(OH) 2+ 7. Fe(OH) 2+ + OH K eq3 + Fe(OH)2 8. Fe(OH) 2+hv,k f Fe 2+ + OH 9. Fe 2+ + OH k 3 Fe 3+ + OH 10. Et OH + OH k 4 P Ipotesi semplificative: È possibile trascurare il contributo della fotolisi diretta; Resistenze diffusive esterne trascurabili; ph costante nel tempo; Adsorbimento dell etanolo in accordo con il modello di Langmuir-Hinshelwood; I complessi del Fe 3+, Fe(OH) 2+ e Fe(OH) 2 + si riducono anch essi a dare Fe(II) reagendo con gli elettroni fotogenerati.
Modello matematico Equazioni di bilancio: d[h + ] = G r r 2r 1 dt d[e ] = G r r r 2 dt d[et(oh) tot ] = d [Et OH ] + [Et OH dt ads] = r 1 dt d[p] = r 1 dt d[fe 2+ ] = k e [Fe 3+ ][e ] dt [Fe 3+ tot ] = [Fe tot ] [Fe 2+ ] Condizioni iniziali: [e ] 0 =0; [h + ] 0 =0; [Et OH ] 0 =1.71 M; [P] 0 =0; [Fe 2+ ] 0 =0. Incognite: [e ], [h + ], [Et OH ], [P], [Fe 2+ ], [Fe 3+ tot ] Funzione da minimizzare: F = n k a l=1 j=1 i=1 (y i,j,l c i,j,l ) 2 Dove: y i,j,l e c i,j,l sono le concentrazioni calcolate e quelle sperimentali; n, k, a sono rispettivamente il numero di tempi sperimentali, il numero di componenti e il numero di prove.
Modello matematico Ottimizzazione parametrica Parametro Valore Errore (+/-) Unità di misura Ottimizzazione Riferimento k r 0.375 0.016 mm 1 min 1 Si Clarizia et al. 2016 K eq1 2.6 - mm 1 No Clarizia et al. 2016 k 1 559.56 - mm 1 min 1 No Clarizia et al. 2018 k 2 0.3508 0.020 mm 1 min 1 Si Canterino et al. 2008 φ uv 25.939 1.220 mmol Ein Si Clarizia et al. 2016 φ vis 88.78 2.219 mmol Ein Si Clarizia et al. 2016 N 3.69 10 4 - mol/g No Clarizia et al. 2018
Modello matematico Risultati del modello Condizioni operative: ph 0 =2; [Fe 3+ ] 0 = 10 mm; [WO 3 ] 0 =500 ppm; P,T atmosferica; Assenza di ossigeno
Conclusioni Miglioramento delle prestazioni del sistema per valori di ph inferiori a 2; Risultati più soddisfacenti raggiunti per una percentuale di Pd prossima al 2% w/w rispetto a WO 3 ; Il modello matematico formulato ha mostrato di poter prevedere con buona approssimazione i risultati ottenuti durante la campagna sperimentale; Valori di resa troppo bassi per poter pensare ad uno scale-up del sistema. Prospettive future Utilizzo di catalizzatori maggiormente attivi nel visibile; Utilizzo di nuovi co-catalizzatori; Sviluppo di un modello matematico più completo. Ridurre le perdite per sovratensione; Variare gli elettrodi, andando ad aumentare il valore dell OCV; Sviluppare un sistema in grado di operare in continuo.