Ultrasound-assisted electrochemical treatment of wastewaters containing organic pollutants by using novel Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes

Advanced oxidation processes (AOPs) are modern methods using reactive hydroxyl radicals for the mineralization of organic pollutants into simple inorganic compounds, such as CO2 and H2O. Among AOPs electrochemical oxidation (EO) is a method suitable for coloured and turbid wastewaters. The degradation of pollutants occurs on electrocatalytic electrodes. The majority of electrodes contain in their structure either expensive materials (diamond and Pt-group metals) or are toxic for the environment compounds (Sb or Pb). One of the main disadvantages of electrochemical method is the polarization and contamination of electrodes due to the deposition of reaction products on their surface, which results in diminishing of the process efficiency. Ultrasound combined with the electrochemical degradation process eliminates electrode contamination because of the continuous mechanical cleaning effect produced by the formation and collapse of acoustic cavitation bubbles near to the electrode surface. Moreover, high frequency ultrasound generates hydroxyl radicals at water sonolysis. Ultrasound-assisted EO is a non-selective method for oxidation of different organic compounds with high degradation efficiencies. The aim of this research was to develop novel sustainable and cost-effective electrodes working as electrocatalysts and test their activity in electrocatalytic oxidation of organic compounds such as dyes and organic acids. Moreover, the goal of the research was to enhance the efficiency of electrocatalytic degradation processes by assisting it with ultrasound in order to eliminate the main drawbacks of a single electrochemical oxidation such as electrodes polarization and passivation. Novel Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes were developed and found to be electrocatalytically active towards water (with 5% Ta content, 10 oxide film layers) and organic compounds oxidation (with 7.5% Ta content, 8 oxide film layers) and therefore these electrodes can be applicable in both environmental and energy fields. The synergetic effect of combined electrolysis and sonication was shown while conducting sonoelectrochemical (EO/US) degradation of methylene blue (MB) and formic acid (FA). Complete degradation of MB and FA was achieved after 45 and 120 min of EO/US process respectively in neutral media. Mineralization efficiency of FA over 95% was obtained after 2 h of degradation using high frequency ultrasound (381, 863, 1176 kHz) combined with 9.1 mA/cm2 current density. EO/US degradation of MB provided over 75% mineralization in 8 h. High degradation kinetic rates and mineralization efficiencies of model pollutants obtained in EO/US experiments provide the preconditions for further extrapolation of this treatment method to pilot scale studies with industrial wastewaters.

Immersioultraäänitutkimuksen kehittäminen

Teräksenvalmistajilta edellytetään jatkuvasti panostusta laadun ja laadunvarmistuksen kehittämiseen. Teräksen laatu ja puhtaus korostuvat varsinkin silloin, kun terästä käytetään vaativiin käyttökohteisiin, kuten autoteollisuuden tarpeisiin. Ultraäänitarkastusmenetelmää käytetään laadun-varmistuksessa teräksen sisävikojen etsimiseen. Ultraäänitarkastuksessa lähetetään suuritaajuuksista ääntä kappaleeseen. Ääni etenee materiaalissa ja heijastuu erilaisista epäjatkuvuuskohdista. Luotaimeen palaavaa ääntä analysoimalla saadaan tietoa teräksestä ja sen sisävioista. Ultraäänitarkastuksen ongelmana on vian tyypin määrittäminen hankaluus sekä herkkyys tutkittavan materiaalin aineominaisuuksille. Työn tavoitteena oli immersioultraäänitarkastuksen kehittäminen sovellettuna teräksenvalmistajan tarpeisiin. Materiaalin aineominaisuuksista tutkittiin seostuksen vaikutusta. Teräslajit tarkastettiin valssitilaisena, karkaistuna ja normalisoituna. Lisäksi tutkittiin kappaleen pinnankarheuden ja -muodon vaikutusta tarkastukseen. Vikatyyppien tunnistamisen mahdollisuuksia ultra-äänitarkastuksessa selvitettiin käyttäen FFT- taajuusanalyysiä. Erilailla lämpökäsitellyillä teräslajeilla näytti eniten tuloksiin vaikuttavan terästen raekoko. Valssitilaisilla teräksillä raekoko on suuri, jolloin ultraääni vaimenee voimakkaasti teräksessä. Huomattavaa kuitenkin oli, että mikäli lämpö-käsittelyillä ei teräksen raekokoa saada juuri pienennettyä, ei myöskään vaimeneminen vähene. Tämän vuoksi lämpökäsittely ei välttämättä ole aina tarpeellinen valmisteltaessa ultraääninäytteitä. Fourier’n taajuusanalyysissä huomattiin olevan eroavaisuuksia verrattaessa huokosista ja sulkeumista palaavien kaikujen taajuusspektrejä. Näiden tulosten perusteella näyttäisi olevan mahdollista käyttää FFT- menetelmää ultraääni-tarkastuksessa vikojen luokitteluun.