フェントンのプロセス
フェントン試薬は、過酸化水素と鉄触媒の溶液で、汚染物質や廃水を酸化するために使用されます。フェントン試薬は、トリクロロエチレン (TCE) やテトラクロロエチレン (PCE) などの有機化合物を破壊するために使用できます。
鉄(II)は過酸化水素によって鉄(III)に酸化され、その過程でヒドロキシルラジカルと水酸化物イオンが形成されます。次に、鉄 (III) は別の過酸化水素分子によって還元されて鉄 (II) に戻り、ヒドロペルオキシル ラジカルとプロトンが形成されます。最終的な効果は、過酸化水素の不均化により 2 つの異なる酸素ラジカル種が生成され、副生成物として水 (H+ + OH-) が生成されます。
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO• + OH-
Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HOO• + H+
このプロセスによって生成されたフリーラジカルは、二次反応を引き起こします。たとえば、ヒドロキシルは強力な非選択性酸化剤です。フェントン試薬による有機化合物の酸化は急速で発熱し、汚染物質が主に二酸化炭素と水に酸化されます。
オゾンによる酸化
オゾンは高度な酸化剤であり、有機基質と反応し、低速かつ選択的な反応、または H2O・を生成する高速かつ非選択的なラジカル反応によって有機基質と反応します。水溶液中でのオゾン分解は、特にOH-によって開始された場合、HO・を形成することが実証されています。
この経路は、HO2-、HCOO-、Fe2+、フミン物質、または主にHO-によってさまざまな方法で開始されます。これが、原理的にオゾン化がアルカリ性媒体中でより効率的である理由であり、pH 9 付近が最適値となります。オゾン化により、複合有機物はアルデヒド、ケトン、またはカルボン酸に変換され、これらはすべて容易に生分解性の化合物になります。オゾン処理は、他の従来型または AOP と組み合わせて使用することもできます。
ただし、操作の観点からは、気液オゾンの物質移動に関連した制限があります。したがって、このプロセスでは、オゾンの物質移動係数を最大化するために効率的な反応器の設計が必要です。接触界面の面積を増やす。また、大きな気泡塔を設置して反応器内の滞留時間を長くしたり、圧力を数気圧まで上げてオゾンの溶解度を高めたりすることも有効な場合があります。
オゾン化システムに H2O2 を添加すると、二次反応を通じてプロセスの酸化能力が強化されます。過酸化水素は電子移動により O3 分解を開始します。
O3 + H2O2 → H2O• + O2 + HO2•。
このプロセスは高価ですが迅速で、非常に低濃度 (ppb)、pH 7 ～ 8 の有機汚染物質を処理できます。最適な O3/H2O2 モル比は 2:1 です。この処理の主な応用分野の 1 つは、農薬の分解です。また、トリハロメタンや関連化合物を分解することができるため、塩素処理水の後処理にも有効です。
光化学酸化プロセス
オゾンが紫外線と結合すると、いくつかのプロセスが発生します。水中でのオゾンの照射により、H2O2 が定量的に形成されます。UV 照射による H2O2 の光分解により、過酸化水素の各分子につき 2 つのヒドロキシルラジカルが生成されます。試薬は 03 とも反応します。
H2O2 と同様に、オゾンもヒドロキシル ラジカルと反応してスーパーオキシドラジカルを形成します。
オゾンは H2O2 よりも高い吸収係数を持っているため、この組み合わせた AOP を使用して、高い UV 吸収バックグラウンドを持つ水を処理できます。 UV-B 光 (280 ～ 315 nm) を使用できるため、石英反応器の使用を回避でき、効率は Oz または直接 UV の効率よりも高くなります。
UV-C 照射を使用すると、O3 の光分解により追加の H2O・が生成されます。および他の酸化剤を使用すると、効率が向上します。
高度な酸化プロセス (AOP)
広い意味での AOP は、ヒドロキシルラジカル (OH) との反応による酸化によって、水および廃水中の有機 (場合によっては無機) 物質を除去するように設計された一連の化学処理手順を指します。オゾン (O3)、過酸化水素 (H2O2)、および/または UV 光を使用する化学プロセス。このようなタイプのプロセスの 1 つは、その場化学酸化と呼ばれます。
AOP は、反応性の高いヒドロキシルラジカル (OH) のその場での生成に依存しています。これらの反応性種は水に適用できる最も強力な酸化剤であり、水マトリックス中に存在するあらゆる化合物を事実上酸化できます。その結果、OH は形成されると非選択的に反応し、汚染物質は迅速かつ効率的に断片化され、小さな無機分子に変換されます。ヒドロキシルラジカルは、1 つ以上の一次酸化剤 (オゾン、過酸化水素、酸素など) および/またはエネルギー源 (紫外線など) または触媒 (二酸化チタンなど) の助けを借りて生成されます。
AOP 手順は、廃水中に存在する芳香族物質、殺虫剤、石油成分などの生物学的に有毒な物質または非分解性物質を処理するのに特に有用です。さらに、AOP は、三次処理と呼ばれる二次処理廃水の流出物の処理にも使用できます。汚染物質は、水、二酸化炭素、塩などの安定した無機化合物に大部分が変換されます。つまり、それらは石化を受けます。
一般に、AOP の化学は基本的に 3 つの部分に分けられます。
OHの形成
OH によるターゲット分子への最初の攻撃とそのフラグメントへの分解。
最終的な石化までのその後の OH による攻撃。
オゾン処理、UV/H2O2、光触媒酸化は、OH 生成のさまざまなメカニズムに依存しています。
UV/H202:
H2O2 + UV → 2-OH
オゾンベースのAOP:
O3 + H2O – HO2 + O2
O3 + HO2 → HO2: + 03
03: + H+ – HO3。
H03. → OH + O2
TiO2 による光触媒酸化:
TiO2 + UV + e +h+
Ti(IV) + H2O = Ti(IV)-H20
Ti(IV)-H2O +h+ = Ti(IV)-OH + H+
利点
- 汚染物質を収集したり別の相に移したりするのではなく、水相中の有機化合物を効果的に除去できます。
- OH の顕著な反応性により、ほとんどすべての水性汚染物質とほとんど区別なく反応します。したがって、AOP は、多くの有機汚染物質が同時に除去されることが期待される、すべてではないにしても多くのシナリオに適用できる可能性があります。
- 一部の重金属は、沈殿した M(OH)x の形で除去することもできます。
- 一部の AOP 設計では、消毒も実現でき、AOP を水質問題の一部に対する統合ソリューションに導きます。
- OH の完全な還元生成物は H2O であるため、AOP は理論的には新たな有害物質を水中に導入しません。
短所
- 最も顕著なのは、ほとんどの AOP システムの動作を維持するには高価な化学試薬を継続的に投入する必要があるため、AOP のコストが高すぎることです。
- 一部の技術では、信頼性の高い性能を確保するために廃水の前処理が必要ですが、これには潜在的にコストがかかり、技術的にも要求が厳しいものになる可能性があります。たとえば、重炭酸イオン (HCO3-) が存在すると、H2O とはるかに反応性の低い種 .CO3- を生成する掃気プロセスにより、•OH の濃度が大幅に低下する可能性があります。その結果、重炭酸塩をシステムから一掃する必要があり、そうしないと AOP が侵害されてしまいます。
- 潜在的なコストを考慮すると、AOP は大量の廃水を個別に処理できない可能性があります。代わりに、AOP は、一次および二次処理によって大部分の汚染物質が除去された後の最終段階で導入される必要があります。