Modellazione della produzione di radicali ossidrile in processi di fotocatalisi su biossido di titanio in sospensione mediante fluidodinamica computazionale (CFD)

A model is here presented to describe the production of hydroxyl radicals by titanium dioxide (TiO2) photocatalytic processes in two different slurry reactors at lab scale using computational fluid dynamics (CFD). The model was developed integrating three different aspects: hydrodynamics, optical effects and kinetic reactions. Hydrodynamics studies permitted to evaluate the mixing level inside the reactors, while radiation modeling was essential to evaluate light intensity distribution and scattering phenomena determined by TiO2 nanoparticles. Kinetics equation were used to describe radical species production (holes, electrons, hydroxyl radicals), probe molecules consumption and byproducts formation during the photocatalytic process. Calibration of the model parameters was supported by analysis of literature data (hydrodynamics) and experimental results (optical effects and kinetic reactions), while validation was carried out comparing simulated data with experimental results obtained varying TiO2 concentration.

In questo elaborato viene proposto un modello in grado di descrivere, tramite strumenti di fluidodinamica computazionale (CFD), la produzione di radicali ossidrile in processi di fotocatalisi su biossido di titanio (TiO2) in sospensione in due differenti configurazioni reattoristiche a scala di laboratorio. Il lavoro è stato sviluppato integrando i differenti fenomeni coinvolti nel processo, ovvero: l’idrodinamica, l’ottica e la chimica. Per la descrizione dei fenomeni di irraggiamento, è stato considerato lo scattering dovuto alla presenza di nanoparticelle. Il modello cinetico, integrato con l’equazione di trasferimento radiativo, ha permesso di descrivere l’andamento delle specie chimiche prodotte dal processo di fotocatalisi (lacune, elettroni, radicali ossidrile), il consumo di composti sonda e la formazione di loro sottoprodotti. La calibrazione dei diversi parametri modellistici è stata effettuata sia attraverso un’analisi dei dati di letteratura (idrodinamica) che tramite prove di laboratorio (ottica, chimica), in cui i radicali ossidrile sono stati misurati utilizzando acido tereftalico come composto sonda. La validazione è stata realizzata per confronto con i dati sperimentali in prove eseguite a diverse concentrazioni di TiO2.