Modular photocatalytic reactor for removal of persistent, mobile and toxic compounds from water

Jamil, Qasim (avtor), Matoh, Lev (mentor)

This thesis focused on the development, evaluation and optimization of modular photocatalytic reactor systems with immobilized photocatalyst TiO$_2$ on glass beads to address upscaling challenges like photocatalyst recovery, reactor design, and long-term stability. A packed-bed reactor was developed by depositing TiO$_2$ on glass beads and loading them into sequentially connected PMMA columns, each hexagonally surrounded by six LED strips. The reactor volume was 2.4 L (0.8 L with beads). To expand the design flexibility, a second, optimized and reconfigurable photocatalytic reactor was developed, enabling both parallel and sequential configurations. Total organic carbon (TOC) was measured in the resulting solution to determine the rate of mineralization. A parametric study with PB dye was carried out at different flow rates and at varying numbers of lamps. Reactor reproducibility and catalyst durability were confirmed through repeated tests over two years. Degradation of pharmaceuticals (ibuprofen, sulfamethoxazole, ciprofloxacin, marbofloxacin, diclofenac, phenytoin, and oxytetracycline) was further examined in deionized water and WWTP effluent. The degradation products of ciprofloxacin were identified. Reconfigurable reactor experiments showed that series configurations enhanced degradation via cumulative residence time, while parallel favored removal at low–moderate flows. Normalized efficiency per unit residence analysis confirmed parallel benefits at intermediate flow, whereas series dominated at high throughput, setting a benchmark for process intensification. Energy efficiency was quantified via electric energy per order (EEO), and ecotoxicity assays with Daphnia magna and Lemna minor revealed transient toxic intermediates, which were eliminated upon complete mineralization. The developed system with immobilized TiO$_2$, particularly in modular and reconfigurable form, showed robust, reproducible, and energy-efficient performance. Integration of long-term stability tests, real wastewater studies and ecotoxicological assessment, establishes a practical framework for advancing photocatalytic reactor design toward scalable and sustainable water treatment.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: Photocatalytic reactor design, Water treatment, Emerging contaminants, Modular design, Pharmaceuticals degradation, Immobilized TiO$_2$
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Tipologija: 2.08 - Doktorska disertacija
• Organizacija: FKKT - Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
• Leto izida: 2026
• PID: 20.500.12556/RUL-183357
• COBISS.SI-ID: 286875651
• Datum objave v RUL: 11.06.2026

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Modularni fotokatalitski reaktor za odstranjevanje obstojnih, mobilnih in toksičnih spojin iz vode

Izvleček

Disertacija je bila osredotočena na razvoj, ovrednotenje in optimizacijo modularnih fotokatalitskih reaktorskih sistemov z imobiliziranim fotokatalizatorjem TiO$_2$ na steklenih kroglicah, z namenom obravnave izzivov pri povečevanju dimenzij, kot so ločevanje fotokatalizatorja, zasnova reaktorja in dolgoročna stabilnost. Razvit je bil reaktor z imobiliziranim slojem, pri katerem je bil TiO$_2$ nanesen na steklene kroglice, s katerimi smo napolnili zaporedno povezane PMMA-kolone, kjer je vsaka kolona obdana s šestimi LED-trakovi v šesterokotni razporeditvi. Skupna prostornina reaktorja je znašala 2,4 L (od tega 0,8 L z napolnjenimi kroglicami). Za povečanje prilagodljivosti zasnove je bil razvit tudi drugi, optimiziran in prilagodljiv fotokatalitski reaktor, ki omogoča delovanje v vzporedni ali zaporedni konfiguraciji. V nastali raztopini je bil merjen skupni organski ogljik (TOC) za določitev hitrosti mineralizacije. Parametrična študija z barvilom PB je bila izvedena pri različnih pretokih in številu svetilk. Ponovljeni testi v obdobju dveh let so potrdili ponovljivost delovanja reaktorja in obstojnost katalizatorja. Razgradnja farmacevtskih učinkovin (ibuprofen, sulfametoksazol, ciprofloksacin, marbofloksacin, diklofenak, fenitoin ter oksitetraciklin) je bila nadalje preučena v deionizirani vodi in iztoku čistilne naprave. Identificirani so bili tudi produkti razgradnje ciprofloksacina. Eksperimenti s prilagodljivim reaktorjem so pokazali, da zaporedne vezave povečajo razgradnjo zaradi daljšega časa zadrževanja, medtem ko vzporedne vezave omogočajo učinkovitejše odstranjevanje pri nizkih do zmernih pretokih. Analiza normalizirane učinkovitosti na enoto časa zadrževanja je potrdila prednosti vzporedne povezave pri srednjih pretokih, medtem ko je serijska zasnova prevladovala pri visokih pretokih, kar predstavlja referenčni pristop za procesno intenzifikacijo. Energetska učinkovitost je bila ovrednotena z uporabo metrike električne energije na red (EEO), ekotoksikološki testi z Daphnia magna in Lemna minor pa so razkrili nastanek prehodno toksičnih intermediatov, ki so bili odstranjeni pri popolni mineralizaciji. Razviti sistem z imobiliziranim TiO$_2$, zlasti v modularni in prilagodljivi obliki, je izkazal robustno, ponovljivo in energijsko učinkovito delovanje. Vključitev dolgoročnih testov stabilnosti, študij na realnih odpadnih vodah in ekotoksikoloških ocen vzpostavlja praktičen okvir za nadaljnji razvoj fotokatalitskih reaktorjev proti razširljivim in trajnostnim tehnologijam čiščenja vode.

• Ključne besede: Zasnova fotokatalitskega reaktorja, Čiščenje vode, Nastajajoča onesnaževala, Modularna zasnova, Razgradnja farmacevtikov, Imobilizirani TiO$_2$