Plasma catalysis as an efficient and sustainable air purification technology

Datum: 1 juni 2016

Locatie: UAntwerpen, Campus Drie Eiken, Promotiezaal Q00.2 - Universiteitsplein 1 - 2610 Antwerpen-Wilrijk

Tijdstip: 16 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Bio-ingenieurswetenschappen

Promovendus: Karen Van Wesenbeeck

Promotor: Silvia Lenaerts & Birger Hauchecorne

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Karen Van Wesenbeeck - Faculteit Wetenschappen, Departement Bio-ingenieurswetenschappen



Abstract

Onze binnenlucht is twee tot vijf keer meer vervuild dan buitenlucht. Onvoldoende ventilatie, vocht, schimmels, tabaksrook, bouwmaterialen, meubels, elektronische apparaten enz. veroorzaken immers een stijging in de concentraties van chemische componenten. Een daling van de luchtkwaliteit in huizen, scholen en andere openbare plaatsen is het gevolg. Wetende dat we ongeveer 90% van onze tijd binnen spenderen, maakt dit de kwaliteit van binnenlucht een zeer belangrijk topic voor de gezondheid en het welzijn van de mens.

Niet-destructieve technieken zoals mechanische en elektronische filtratie of adsorptie zijn in onze huidige leefomstandigheden niet voldoende om de vereiste binnenhuisluchtkwaliteit te garanderen. De afgelopen jaren is er daarom meer en meer aandacht uitgegaan naar het gebruik van geavanceerde oxidatieprocessen. Deze zijn namelijk in staat een brede waaier aan vervuilende polluenten af te breken onder milde omstandigheden.

Het niet-thermisch plasma dat gebruikt wordt in dit onderzoek is zo'n geavanceerd oxidatieproces. Een specifiek voordeel van plasmatechnologie is zijn flexibiliteit en het feit dat het gecombineerd kan worden met andere luchtzuiveringstechnologieën. Meer bepaald zijn synergie met heterogene katalyse leidt tot een efficiënter gebruik van plasma in luchtzuiveringstoepassingen. Fotokatalyse is een techniek die steeds vaker in aandacht komt als een innovatieve en veelbelovende techniek voor binnenluchtzuivering. De onderzoekshypothese is dat een synergetische werking bekomen kan worden door een fotokatalysator te plaatsen in de ontladingszone van een plasmareactor.

De doelstelling van dit doctoraat is het bestuderen en het afleveren van een innovatieve en efficiënte luchtzuiveringstechnologie door het combineren van een gelijkgestroomde corona ontlading met fotokatalyse. Om deze plasmakatalytische techniek duurzaam te maken, wordt een fotokatalytische coating aangebracht op de collector elektrode van het plasmasysteem.

In eerste instantie werd een plasmareactor ontwikkeld die gebaseerd is op gelijkgestroomde corona ontlading. Vervolgens werd de afbraak van stikstofoxide bestudeerd waarbij verschillende procesparameters gevarieerd werden: de polariteit, de aangelegde spanning, de relatieve vochtigheid van de gasstroom en de configuratie van de reactor zelf. De optimale werkingscondities voor de mineralisatie van polluenten werden bepaald door het bestuderen van iedere parameter afzonderlijk.

Het volgende luik van dit onderzoek bestaat uit de ontwikkeling en de optimalisatie van een fotokatalytische coating die aangebracht kan worden in de plasmareactor. De coating werd gebaseerd op de P25-poeder-gemodificieerde-sol-gel-methode. Hiervoor werd de molaire concentratie van titaniumisopropoxide, P25 titaandioxide, diethanolamine en water bestudeerd. In het laatste deel van dit werk werden het plasma en de fotokatalytische coating gecombineerd om zo een plasmakatalytische luchtzuivering te bekomen. Een nieuwe plasmareactor werd ontworpen en gebouwd waarbij de mogelijkheid bestaat om een UV lamp te incorporeren. De etheen afbraak werd bestudeerd in aan- en afwezigheid van de coating. Dit bood de mogelijkheid om de synergetische effecten tussen plasma en fotokatalyse te bestuderen. De algemene conclusies en verwezenlijkingen van dit onderzoek, met als doel het gebruik maken van plasmakatalyse als een duurzame en efficiënte luchtzuiveringstechnologie, kunnen als volgt samengevat worden:

  • De optimale werkingscondities van een zelf ontworpen plasma reactor werden bepaald.
     
  • Verschillende coatings werden geoptimaliseerd voor implementatie in een plasma systeem. Hierbij werd de coating aangebracht op de collectorelectrode.
     
  • Het plasmakatalytisch systeem, met een geïncorporeerde UV lamp, vertoont synergetische effecten waarbij de mineralisatie van etheen verbetert en de vorming van bijproducten afneemt.