|
|
Study of Plasma - Liquid Interactions
Němcová, Lucie ; Brablec, Antonín (referee) ; Obradovic, Bratislav (referee) ; Krčma, František (advisor)
Disertační práce se zabývá detailním studiem vlastností různých elektrických výbojů generovaných ve vodných roztocích. Tyto výboje se staly v posledním desetiletí velmi populárním tématem, a to zejména díky mnoha praktickým využitím jako například v biomedicíně, čištění odpadních vod, ekologii nebo nanoinženýrství. Studium je zaměřeno na generaci peroxidu vodíku, jakožto jednu z nejvýznamnějších částic generovaných právě elektrickými výboji v kapalinách. Pro první část této práce byla využita speciální výbojová komora zkonstruovaná na Fakultě chemické Vysokého Učení Technického v Brně. Komora byla rozdělena tenkou diafragmovou přepážkou na dvě poloviny, přičemž uvnitř přepážky se nacházela malá dírka. V každé části komory se nacházela jedna elektroda, a obě dvě části komory byly vyplněny kapalinou. Ze zdroje bylo do kapaliny aplikováno vysokofrekvenční napětí (1 a 2 kHz), které tak vlastně upravovalo roztok chloridu sodného (1.5 l). Bylo zjištěno, že tento druh napětí, v porovnání s DC, nezpůsobuje nežádoucí přehřívání roztoku (počáteční vodivost 100 - 800 S/cm) během jeho úpravy při zachování účinnosti produkce peroxidu. Experimentální aparatura pro druhou část práce byla sestavena na Gentské Univerzitě v Belgii. Stejnosměrný výboj byl generován v bublinách plynů (He, Ar, N2, vzduch) v prostředí vodných roztoků. Byla studována generace peroxidu vodíku a odbourávání organických barviv přítomných ve zkoumaném roztoku. Ke generaci peroxidu vodíku byl použit roztok NaH2PO4 . 2H2O (5 microS/cm, V= 750 ml), ke zkoumání rozkladu barviv byly použity roztoky organických barviv Direct Red 79 (20 mg/l) a Direct Blue 106 (20 mg/l, V= 750 ml). Minimální koncentrace peroxidu vodíku byla naměřena při aplikaci proudu 10 mA, zatímco maximální koncentrace peroxidu vodíku byla zaznamenána při použití proudu 30 mA. Rozklad organických barviv vykazoval stejné vlastnosti. Čím vyšší byla dodávaná energie, tím více barviva se odbouralo. Třetí část práce probíhala ve spolupráci s Queen's University of Belfast, Centrum for Plasma Physics, UK. K realizaci experimentů bylo využito vysokofrekvenčního plazmového skalpelu (Arthrocar). Bylo zjištěno, že hodnota koncentrace peroxidu vodíku dosahovala maxima v roztocích s nepatrným přídavkem alkoholu (0.25 %). Celkem byly studovány čtyři 0.15 M roztoky BaCl2, Na2CO3, KCl a NaCl (V= 20 ml), jejichž počáteční vodivost se pohybovala kolem 13 mS/cm. Z výsledků bylo patrné, že největší rozdíl hodnot pH byl zaznamenán u roztoků s přídavkem ethanolu. V optických emisních spektrech byly identifikovány především radikály OH, které jsou prekurzory peroxidu vodíku. Výsledky ukázaly, že plazma v takovémto roztoku je stále tvořeno, což může být považováno za první krok generace plazmatu v organických sloučeninách. Poslední část práce byla zaměřena na tzv. mikroplazmatický jet v přímém kontaktu s kapalnou fází. Tato experimentální práce byla realizována na pracovišti Nanotechnology & Integrated Bio-Engineering Centre (NIBEC), University of Ulster, UK během studijní stáže. Jako vodivé médium byl použit roztok trihydrátu kyseliny chlorozlatité s různou počáteční vodivostí. Zajímavým zjištěním je fakt, že při tomto druhu měření bylo generováno stabilní plazma i při velmi malém výbojovém proudu (0.05 a 0.2 mA), a tedy i peroxid vodíku vznikal při velmi malé vstupní energii, což může být považováno za velmi dobrý výsledek.
|
|
|
New Methods of Study of Reactivity and Transport Properties of Biocolloids
Smilek, Jiří ; Weidlich,, Tomáš (referee) ; Pabst, Willi (referee) ; Klučáková, Martina (advisor)
The main aim of doctoral thesis was the study on reactivity, transport and barrier properties of biocolloidal and synthetic polymeric substances by simple diffusion techniques. It was studied mainly the influence of basic physic-chemical parameters (temperature, concentration, pH and modification of material) on the reactivity and barrier ability of chosen compounds. Further substances were chosen as a model compounds: biocolloids (humic acids, alginate, chitosan, hyaluronate) and synthetic polymer (polystyrenesulfonate). Reactivity, barrier and transport properties of chosen substances were studied by interactions with oppositely charged basic organic dyes (methylene blue, rhodamine 6G, amido black 10B respectively) in hydrogels medium based on linear polysaccharide (agarose). The attention was also paid to basic physic-chemical characterisation (infrared spectroscopy, rheology, elemental analysis, thermogravimetry and scanning electron microscopy) of chosen materials and also hydrogels. Key part of the whole doctoral thesis was the optimization of selected diffusion techniques (diffusion cell technique and non-stationary diffusion in cuvettes) designated for the study on reactivity and barrier properties of wide range compounds (optimized method should be used as an universal method for simple and fast determination of reactivity of different compounds at given or changing conditions). The rate of reactivity, transport and barrier properties was determined based on fundamental diffusion parameters such as diffusion coefficients, break-through time so called lag time, interfacial concentration of chosen organic dye, apparent equilibrium constant, tortuosity factor, partition coefficient.
|
|
|
Study of influence of organic dye structure on their decomposition in the diaphragm discharge in liquids
Pajurková, Jana ; Fasurová, Naděžda (referee) ; Kozáková, Zdenka (advisor)
The main goal of presented thesis is to study the influence of organic dyes structure on its degradation in diaphragm discharge in liquids. Diaphragm discharge is a kind of non-thermal plasma that can be generated in liquids by the application of high voltage. In plasma channels (so-called streamers), many physical and chemical processes are formed. High electrical field, shock waves and last but not least emission of electromagnetic waves in the range of visible and ultra-violet radiation appear among physical processes. The most important chemical process is generation of active species. These species initiate chemical reactions and could attack molecules of organic compounds contained in water solution. The reason why organic dyes were chosen in this study is its visible destruction, because it is related to its decolouration. Further, UV-VIS spectroscopy for the determination of concentration during the experiment can be used. Organic dyes are good models of organic substance often contained in waste water and for which removal classical biological, chemical and physical methods aren’t sufficient. Selected dyes were mostly from the group of azo-dyes: Acid Red 14, Acid Red 18, Acid Yellow 23, Direct Blue 53, Direct Red 79, Direct Red 80, Direct Yellow 29, Food Yellow 3 and further, Acid Blue 74 (indigotic dye) and Direct Blue 106 (oxazine dye). Experiments were carried out in a special batch discharge reactor with the anode and the cathode spaces divided by a non-conductive barrier, where the diaphragm with a pin-hole was placed. Measurement showed different removal in the anode and cathode space. We have supposed it was caused by different streamers features and energetic conditions. Dyes were decomposed with higher efficiency in the anode space where the final concentration reached 40 % of the initial concentration while it remained about 90 % in the cathode space. In this thesis the influence of dyes structure on the dye decomposition by electrical discharge was investigated. Dyes consisted of small molecules and dyes with many substitutes bounded on aromatic ring were decomposed more easily than dyes consisted of big molecules. The shift of characteristic wavelength on both directions (to shorter as well as longer wavelength) was observed during the experiments especially when the Direct dyes were decomposed. This phenomenon was probably due to the formation of intermediate product, which have different characteristic wavelength than the primary compound. In general, colourfulness is given by long conjugated systems of double bonds with substitutes bounded on an aromatic ring. Each change in the molecule structure provides the colour change and this could be the possible reason of the shift of characteristic wavelength. The other task was the comparison of degradation process efficiency by the mean of electrolysis and diaphragm discharge. Results showed that electrolysis (30 W) was more convenient for degradation of dyes consisted of small molecules while diaphragm discharge (130170 W) suited for complex molecules. For degradation of small molecules, oxidation on the anode assumed to be the most effective process that is initiated by electrolysis. For degradation of big molecules, attack of active species produced by the discharge is necessary.
|
|
|
Transport and sorption properties of modified humic acids studied in hydrogels matrixes
Polášková, Nikola ; Pekař, Miloslav (referee) ; Smilek, Jiří (advisor)
This diploma thesis is focused on transport and sorption properties of humic acids studied in hydrogel matrixes, which are similar to their natural environment (soil). These properties are studied by diffusion techniques. The humic acid standard isolated from Leonardite (from International Humic Substances Society, identification number 1S104H-5) was chosen as a representative of humic acids. Their transport and sorption properties were studied in agarose-based biopolymer hydrogel matrixes (agarose is a nonreactive, thermoreversible polysaccharide) with use of model pollutant Rhodamine 6G (positively charged organic dye), that simulates common pollutants. Humic acids were modified to block their specific functional groups in their structure. Then we are able to study the influence of each functional groups on the interactions with other compounds individually, that was the main goal and motivation of this work. Carboxyl functional groups were modified by methylation with a methylating agent trimethysilyldiazomethane (TMS-DM). For blocking carboxyl and phenolic functional groups together we repeated methylation of carboxyl groups with TMS-DM and then we acetylated phenolic functional groups with acetic anhydride. The successful modification was confirmed by thermogravimetry (TGA), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and acid-base titrations (direct, indirect and carboxyl titration). The techniques of diffusion cell and non-stationary diffusion in cuvettes were chosen to study how organic dye interacts with unmodified and modified humic acids in inert hydrogel matrix. Humic acids were characterised by their structure-based reactivity, respectively by the acidic functional groups content. This thesis verifies the use of the diffusion techniques as a low-cost and universal techniques suitable for studying properties of humic acids mentioned above. Due to the finding that acidic functional groups have a minor influence on these properties, the possibilities of taking other factors into account (such as hydrophobic interactions, hydrogen bonds, van der Waals forces or specific surface area) are opened up.
|
|
|
Nanostructured conducting polymer composites
Minisy, Islam ; Bober, Patrycja Magdalena (advisor) ; Kovalčík, Adriána (referee) ; Lisak, Grzegorz (referee)
Conducting polymers (CPs) combine the electrical properties of semiconductors and material properties of organic polymers. Polypyrrole (PPy) and polyaniline (PANI) are the most studied CPs due to their relatively high electrical conductivity (typically several units S cm-1 ), environmental stability, ease of preparation, good processability and low cost. Organic dyes have similar properties as surfactants, with an interesting ability to form various organized templates in water that could during synthesis tailor PPy morphologies to various nanostructures with high yield and improved electrical conductivity. Herein, PPy was prepared in the presence of cations dyes, safranin and phenosafranin, and anionic dye, methyl red, to obtain various nanostructures. The effect of dye concentration, oxidant-to-pyrrole mole ratio and other polymerization conditions on the physicochemical properties of the produced PPy was carefully investigated. Pyrrole was polymerized in the frozen reaction media at −24 řC in the presence of safranin, Acid Blue 25 (AB) or methyl orange (MO). Prepared one-dimensional nanostructures exhibited high yield and improved conductivity; the highest conductivity of 175 S cm−1 was obtained when safranin was used. Polypyrrole nanotubes prepared in the presence of MO were carbonized at 650...
|
|
|
New Methods of Study of Reactivity and Transport Properties of Biocolloids
Smilek, Jiří ; Weidlich,, Tomáš (referee) ; Pabst, Willi (referee) ; Klučáková, Martina (advisor)
The main aim of doctoral thesis was the study on reactivity, transport and barrier properties of biocolloidal and synthetic polymeric substances by simple diffusion techniques. It was studied mainly the influence of basic physic-chemical parameters (temperature, concentration, pH and modification of material) on the reactivity and barrier ability of chosen compounds. Further substances were chosen as a model compounds: biocolloids (humic acids, alginate, chitosan, hyaluronate) and synthetic polymer (polystyrenesulfonate). Reactivity, barrier and transport properties of chosen substances were studied by interactions with oppositely charged basic organic dyes (methylene blue, rhodamine 6G, amido black 10B respectively) in hydrogels medium based on linear polysaccharide (agarose). The attention was also paid to basic physic-chemical characterisation (infrared spectroscopy, rheology, elemental analysis, thermogravimetry and scanning electron microscopy) of chosen materials and also hydrogels. Key part of the whole doctoral thesis was the optimization of selected diffusion techniques (diffusion cell technique and non-stationary diffusion in cuvettes) designated for the study on reactivity and barrier properties of wide range compounds (optimized method should be used as an universal method for simple and fast determination of reactivity of different compounds at given or changing conditions). The rate of reactivity, transport and barrier properties was determined based on fundamental diffusion parameters such as diffusion coefficients, break-through time so called lag time, interfacial concentration of chosen organic dye, apparent equilibrium constant, tortuosity factor, partition coefficient.
|
|
|
Study of Plasma - Liquid Interactions
Němcová, Lucie ; Brablec, Antonín (referee) ; Obradovic, Bratislav (referee) ; Krčma, František (advisor)
Disertační práce se zabývá detailním studiem vlastností různých elektrických výbojů generovaných ve vodných roztocích. Tyto výboje se staly v posledním desetiletí velmi populárním tématem, a to zejména díky mnoha praktickým využitím jako například v biomedicíně, čištění odpadních vod, ekologii nebo nanoinženýrství. Studium je zaměřeno na generaci peroxidu vodíku, jakožto jednu z nejvýznamnějších částic generovaných právě elektrickými výboji v kapalinách. Pro první část této práce byla využita speciální výbojová komora zkonstruovaná na Fakultě chemické Vysokého Učení Technického v Brně. Komora byla rozdělena tenkou diafragmovou přepážkou na dvě poloviny, přičemž uvnitř přepážky se nacházela malá dírka. V každé části komory se nacházela jedna elektroda, a obě dvě části komory byly vyplněny kapalinou. Ze zdroje bylo do kapaliny aplikováno vysokofrekvenční napětí (1 a 2 kHz), které tak vlastně upravovalo roztok chloridu sodného (1.5 l). Bylo zjištěno, že tento druh napětí, v porovnání s DC, nezpůsobuje nežádoucí přehřívání roztoku (počáteční vodivost 100 - 800 S/cm) během jeho úpravy při zachování účinnosti produkce peroxidu. Experimentální aparatura pro druhou část práce byla sestavena na Gentské Univerzitě v Belgii. Stejnosměrný výboj byl generován v bublinách plynů (He, Ar, N2, vzduch) v prostředí vodných roztoků. Byla studována generace peroxidu vodíku a odbourávání organických barviv přítomných ve zkoumaném roztoku. Ke generaci peroxidu vodíku byl použit roztok NaH2PO4 . 2H2O (5 microS/cm, V= 750 ml), ke zkoumání rozkladu barviv byly použity roztoky organických barviv Direct Red 79 (20 mg/l) a Direct Blue 106 (20 mg/l, V= 750 ml). Minimální koncentrace peroxidu vodíku byla naměřena při aplikaci proudu 10 mA, zatímco maximální koncentrace peroxidu vodíku byla zaznamenána při použití proudu 30 mA. Rozklad organických barviv vykazoval stejné vlastnosti. Čím vyšší byla dodávaná energie, tím více barviva se odbouralo. Třetí část práce probíhala ve spolupráci s Queen's University of Belfast, Centrum for Plasma Physics, UK. K realizaci experimentů bylo využito vysokofrekvenčního plazmového skalpelu (Arthrocar). Bylo zjištěno, že hodnota koncentrace peroxidu vodíku dosahovala maxima v roztocích s nepatrným přídavkem alkoholu (0.25 %). Celkem byly studovány čtyři 0.15 M roztoky BaCl2, Na2CO3, KCl a NaCl (V= 20 ml), jejichž počáteční vodivost se pohybovala kolem 13 mS/cm. Z výsledků bylo patrné, že největší rozdíl hodnot pH byl zaznamenán u roztoků s přídavkem ethanolu. V optických emisních spektrech byly identifikovány především radikály OH, které jsou prekurzory peroxidu vodíku. Výsledky ukázaly, že plazma v takovémto roztoku je stále tvořeno, což může být považováno za první krok generace plazmatu v organických sloučeninách. Poslední část práce byla zaměřena na tzv. mikroplazmatický jet v přímém kontaktu s kapalnou fází. Tato experimentální práce byla realizována na pracovišti Nanotechnology & Integrated Bio-Engineering Centre (NIBEC), University of Ulster, UK během studijní stáže. Jako vodivé médium byl použit roztok trihydrátu kyseliny chlorozlatité s různou počáteční vodivostí. Zajímavým zjištěním je fakt, že při tomto druhu měření bylo generováno stabilní plazma i při velmi malém výbojovém proudu (0.05 a 0.2 mA), a tedy i peroxid vodíku vznikal při velmi malé vstupní energii, což může být považováno za velmi dobrý výsledek.
|
|
|
Study of influence of organic dye structure on their decomposition in the diaphragm discharge in liquids
Pajurková, Jana ; Fasurová, Naděžda (referee) ; Kozáková, Zdenka (advisor)
The main goal of presented thesis is to study the influence of organic dyes structure on its degradation in diaphragm discharge in liquids. Diaphragm discharge is a kind of non-thermal plasma that can be generated in liquids by the application of high voltage. In plasma channels (so-called streamers), many physical and chemical processes are formed. High electrical field, shock waves and last but not least emission of electromagnetic waves in the range of visible and ultra-violet radiation appear among physical processes. The most important chemical process is generation of active species. These species initiate chemical reactions and could attack molecules of organic compounds contained in water solution. The reason why organic dyes were chosen in this study is its visible destruction, because it is related to its decolouration. Further, UV-VIS spectroscopy for the determination of concentration during the experiment can be used. Organic dyes are good models of organic substance often contained in waste water and for which removal classical biological, chemical and physical methods aren’t sufficient. Selected dyes were mostly from the group of azo-dyes: Acid Red 14, Acid Red 18, Acid Yellow 23, Direct Blue 53, Direct Red 79, Direct Red 80, Direct Yellow 29, Food Yellow 3 and further, Acid Blue 74 (indigotic dye) and Direct Blue 106 (oxazine dye). Experiments were carried out in a special batch discharge reactor with the anode and the cathode spaces divided by a non-conductive barrier, where the diaphragm with a pin-hole was placed. Measurement showed different removal in the anode and cathode space. We have supposed it was caused by different streamers features and energetic conditions. Dyes were decomposed with higher efficiency in the anode space where the final concentration reached 40 % of the initial concentration while it remained about 90 % in the cathode space. In this thesis the influence of dyes structure on the dye decomposition by electrical discharge was investigated. Dyes consisted of small molecules and dyes with many substitutes bounded on aromatic ring were decomposed more easily than dyes consisted of big molecules. The shift of characteristic wavelength on both directions (to shorter as well as longer wavelength) was observed during the experiments especially when the Direct dyes were decomposed. This phenomenon was probably due to the formation of intermediate product, which have different characteristic wavelength than the primary compound. In general, colourfulness is given by long conjugated systems of double bonds with substitutes bounded on an aromatic ring. Each change in the molecule structure provides the colour change and this could be the possible reason of the shift of characteristic wavelength. The other task was the comparison of degradation process efficiency by the mean of electrolysis and diaphragm discharge. Results showed that electrolysis (30 W) was more convenient for degradation of dyes consisted of small molecules while diaphragm discharge (130170 W) suited for complex molecules. For degradation of small molecules, oxidation on the anode assumed to be the most effective process that is initiated by electrolysis. For degradation of big molecules, attack of active species produced by the discharge is necessary.
|
guest ::
