معالجة فنتون
كاشف فنتون محلول مكون من ماء الأكسجين (بيروكسيد الهيدروجين) ومادة محفزة من الحديد ويستخدم في أكسدة الملوثات أو مياه الصرف. يمكن استخدام كاشف فنتون في القضاء على المواد العضوية مثل ثلاثي كلورو إيثيلين (TCE) ورباعي كلورو إيثيلين (PCE).
يتأكسد الحديدوز (ثنائي التكافؤ) بواسطة بيروكسيد الهيدروجين إلى حديديك (ثلاثي التكافؤ) ويتكون أيون الهيدروكسيل وهيدروكسيد الحديد. بعد ذلك يختزل الحديديك (ثلاثي التكافؤ) إلى حديدوز (ثنائي التكافؤ) بواسطة جزيء آخر من بيروكسيد الهيدروجين ويكون أيون هيدروبيروكسيل وبروتون. الأثر النهائي لهذه العملية هو عدم مناسبة بيروكسيد الهيدروجين في تخليق أيوني أكسجين مختلفين مع الماء (هما أيون الهيدروجين الموجب (H+) + أيون الهيدروكسيل السالب (OH-)) كمنتج ثانوي.
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO• + OH–
Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HOO• + H+
بعد ذلك تشارك الأيونات الحرة الناتجة من هذه العملية في تفاعلات ثانوية). أيون الهيدروكسيل على سبيل المثال مادة مؤكسدة قوية غير انتقائية. تتأكسد المركبات العضوية بواسطة كاشف فنتون بسرعة وهي عملية طاردة للحرارة وتؤدي إلى أكسدة الملوثات وتحولها إلى ثاني أكسيد الكربون وماء في الأساس.
الأكسدة بالأوزون
الأوزون عامل مؤكسد قوي يمكن أن يتفاعل مع المواد العضوية من خلال تفاعل انتقائي بطيء أو من خلال تفاعل سريع غير انتقائي للأيونات ينتج عنه أيون الهيدروكسيل (HO). اتضح أن الأوزون عند تحلله في المحاليل المائية فإنه يكون أيونات هيدروكسيل (HO) موجب لاسيما عند تحفيزه بأيون هيدروكسيل سالب.
يمكن بدء مسار التفاعل بطرق مختلفة إما بواسطة أيون HO2– السالب أو أيون HCOO– السالب أو أيون الحديدوز الموجب Fe2+ ومادة مرطبة أو HO- في الأساس. هذا هو السبب من حيث المبدأ أن عملية الأكسدة بالأوزون تكون أكثر كفاءة في الوسط القلوي وتكون في أفضل حالة عند الأس الهيدروجيني pH 9. مع عملية الأكسدة بالأوزون تتحول المركبات العضوية المعقدة إلى ألدهيدات وكيتونات وأحماض كربوكسيليك، وكلها مواد سهلة التحلل البيولوجي. كما يمكن أيضًا أن تجتمع عملية الأكسدة بالأوزون مع عمليات الأكسدة المتقدمة الأخرى (AOPs).
إلا أنه ومن وجهة نظر عملية هناك محدودية مرتبطة بتحوُّل كتلة الأوزون إلى غاز أو سائل أو العكس. لهذا فهذه العملية تتطلب تصميم مفاعل عالي الكفاءة لزيادة معامل تحوُّل كتلة الأوزون وزيادة مساحة منطقة التلامس بينهما. كما أن زيادة مدة الاحتجاز في المفاعل بواسطة أعمدة الفقاعات الضخمة أو زيادة قابلية الأوزون للذوبان من خلال زيادة الضغط إلى عدة أضعاف الضغط الجوي قد تكون فعالة.
كما أن إضافة بيروكسيد الهيدروجين (H2O2) إلى نظام الأكسدة بالأوزون يعزز من قدرة عملية الأكسدة من خلال تفاعلات ثانوية. يحفز بيروكسيد الهيدروجين تحلل الأوزون O3 عن طريق انتقال الإلكترونات.
O3 + H2O2 → HO• + O2 + HO2•.
هذه العملي مكلفة ولكنها سريعة، ويمكنها معالجة الملوثات العضوية بتركيزات ضعيفة للغاية (جزء في المليار)، عند درجة حموضة pH بين 7 و 5: تصبح النسبة المولية بين الأوزون وبيروكسيد الهيدروجين (03/H2O2) 2:1. تحلل المبيدات الحشرية هو أحد التطبيقات الميدانية الرئيسية لهذه المعالجة. كما أنها في المعالجة اللاحقة للمياه التي سبق معالجتها بالكلور لأنه يمكن يحلل مواد ثلاثي هالو ميثان أو المركبات ذات الصلة.
عملية الأكسدة الكيميائية الضوئية
عند اتحاد الأوزون مع الأشعة فوق البنفسجية تحدث عدة عمليات. تشعع الأوزون في الماء يؤدي إلى تكوُّن كميات من بيروكسيد الهيدروجين (H202): يؤدي التحلل الضوئي لبيروكسيد الهيدروجين (H2O2) بفعل الأشعة فوق البنفسجية إلى تكوُّن أيوني هيدروكسيل لكل جزيء من بيروكسيد، كما يتفاعل الكاشف أيضًا مع الأوزون (O3):
يتفاعل الأوزون أيضًا مع أيونات الهيدروكسيل كما هو الحال مع بيروكسيد الهيدروجين لتكوين أيونات فوق الأكسيد.
ولأن معامل امتصاص الأوزون أعلى من معامل امتصاص بيروكسيد الهيدروجين (H2O2) لهذا يمكن استخدام هذه العملية مع عملية الأكسدة المتقدمة (AOP) في معالجة الماء بأشعة فوق بنفسجية عالية الامتصاص. كفاءة هذه العملية أعلى من كفاءة الأوزون أو الأشعة فوق البنفسجية المباشرة لإمكانية استخدام الأشعة فوق البنفسجية UV-B (280-315 نانومتر) لتجنب استخدام مفاعلات الكوارتز.
عند استخدام التشعع UV-C، والتحلل الضوئي للأوزون يتولد غاز الأوزون O3 وكميات أخرى من أيون HO ومواد مؤكسدة أخرى مع زيادة الكفاءة.
عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPS)
يقصد بعمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) من منظور شامل مجموعة من خطوات المعالجة الكيميائية المصممة لإزالة المواد العضوية (والمواد غير العضوية في كثير من الأحيان) من المياه ومياه الصرف من خلال الأكسدة عبر مجموعة من التفاعلات مع أيونات الهيدروكسيد (OH). في هذه التفاعلات التي تستخدم الأوزون (O3) وبيروكسيد الهيدروجين (H2O2) و/أو ضوء الأشعة فوق البنفسجية. يطلق على مثل هذه العمليات الأكسدة الكيميائية الموضعية.
تعتمد عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) على إنتاج أيونات هيدروكسيد (OH) موضعية قوية التفاعل. هذه المكونات الفعالة هي أقوى المواد المؤكسدة التي يمكن استخدامها في الماء والتي يمكنها فعليًا أكسدة أي مركب موجود داخل المياه. وبالتالي يتفاعل أيون الهيدروكسيد (OH) بصورة غير انتقائية بمجرد تكونه وتكسير المواد الملوثة بسرعة وكفاءة وتتحول إلى جزيئات غير عضوية صغيرة الحجم. تتكون أيونات الهيدروكسيل بمساعدة واحدة أو أكثر من المواد المؤكسدة الأساسية (مثل الأوزون وبيروكسيد الهيدروجين والأكسجين) و/أو مصادر الطاقة (مثل ضوء الأشعة فوق البنفسجية)
عمليات الأكسدة المتقدمة (AOP) مفيدة على وجه التحديد في معالجة المواد البيولوجية السامة أو المواد غير القابلة للتحلل البيولوجي مثل المواد الأروماتية (الحلقية)، والمبيدات الحشرية والمركبات البترولية الموجودة في مياه الصرف. يمكن أيضًا استخدام عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) في معالجة مياه صرف مياه الصرف المعالجة معالجة ثانوية والتي يطلق عليها في هذه المرحلة المعالجة الثلاثية. وسوف تتحول المواد الملوثة بدرجة كبيرة إلى مركبات غير عضوية ثابتة مثل الماء وثاني أكسيد الكربون والأملاح أي أنها تتعرض لعملية تحلية.
بصفة عامة يمكن تقسيم العمليات الكيميائية التي تتم في عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) إلى ثلاثة أجزاء:
تكوُّن أيون الهيدروكسيد (OH)
الهجوم الأولي على الجزيئات التي يستهدفها أيون الهيدروكسيد (OH) وتكسرها إلى أجزاء.
الهجمات المتتالية من أيون الهيدروكسيد (OH) حتى ترسب المعادن.
تعتمد المعالجة بالأوزون والأكسدة الضوئية التحفيزية على طرق عديدة لتوليد أيون الهيدروكسيد:
UV/H202:
H202 + UV → 2-OH
عمليات الأكسدة المتقدمة (AOP) بواسطة الأوزون:
O3 + HO – HO2 + O2
O3 + HO2 → HO2: + 03
03: + H+ – HO3.
H03. → OH + O2
الأكسدة بالتحفيز الضوئيباستخدام ثاني أكسيد التيتانيوم:
TiO2 + UV + e +h+
Ti(IV) + H2O = Ti(IV)-H20
Ti(IV)-H20 +h+ = Ti(IV)–OH + H+
المزايا
- يمكن إزالة المركبات العضوية بشكل فعال في المرحلة المائية بدلاً من جمع أو نقل الملوثات إلى مرحلة أخرى.
- نظرًا للتفاعل الملحوظ لـ OH، فإنه يتفاعل بشكل لا يمكن تمييزه تقريبًا مع جميع الملوثات المائية تقريبًا. ولذلك، قد تكون عملية AOP قابلة للتطبيق على العديد من السيناريوهات، إن لم يكن جميعها، حيث من المتوقع إزالة العديد من الملوثات العضوية في وقت واحد.
- يمكن أيضًا إزالة بعض المعادن الثقيلة على شكل M(OH)x مترسب.
- يمكن أيضًا تحقيق التطهير في بعض تصميمات AOP، مما يجعل AOP حلاً متكاملاً لبعض مشكلات جودة المياه.
- منتج الاختزال الكامل لـ OH هو H2O، لذلك نظريًا لا يقوم AOP بإدخال مواد ضارة جديدة إلى الماء.
العيوب
- الأمر الأبرز هو أن تكلفة AOP مرتفعة للغاية، حيث تتطلب معظم أنظمة AOP إدخالًا مستمرًا للكواشف الكيميائية باهظة الثمن للحفاظ على التشغيل. </لي>
- تتطلب بعض التقنيات معالجة مسبقة لمياه الصرف الصحي لضمان أداء موثوق به، وهو أمر قد يكون مكلفًا ومتطلبًا من الناحية الفنية. على سبيل المثال، وجود أيونات البيكربونات (HCO3-) يمكن أن يقلل بشكل كبير من تركيز •OH بسبب عمليات الكسح التي تنتج الأنواع الأقل تفاعلاً بكثير .CO3- مع H2O. ونتيجة لذلك، يجب إزالة البيكربونات من النظام وإلا سيتم اختراق AOP. </لي>
- نظرًا للتكاليف المحتملة، قد لا تتمكن AOPs من معالجة كميات كبيرة من مياه الصرف الصحي بشكل فردي. بدلاً من ذلك، يجب تقديم AOP في المرحلة النهائية بعد إزالة غالبية الملوثات عن طريق المعالجات الأولية والثانوية. </لي>