Процесс Фентона
Реактив Фентона представляет собой раствор перекиси водорода и железного катализатора, который используется для окисления загрязнений или сточных вод. Реактив Фентона можно использовать для разрушения органических соединений, таких как трихлорэтилен (ТХЭ) и тетрахлорэтилен (ПХЭ).Железо (II) окисляется перекисью водорода до железа (III), образуя при этом гидроксильный радикал и гидроксид-ион. Затем железо (III) восстанавливается обратно до железа (II) с помощью другой молекулы перекиси водорода, образуя гидропероксильный радикал и протон. Конечным эффектом является диспропорционирование перекиси водорода с образованием двух разных видов кислородных радикалов с водой (H + + OH-) в качестве побочного продукта.
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO• + OH-
Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HOO• + H+
Свободные радикалы, образующиеся в результате этого процесса, затем вступают во вторичные реакции. Например, гидроксил является мощным неселективным окислителем. Окисление органического соединения реагентом Фентона является быстрым и экзотермическим и приводит к окислению загрязняющих веществ в первую очередь до углекислого газа и воды.
Окисление озоном
Озон является сильным окислителем и может реагировать с органическим субстратом посредством медленной и селективной реакции или посредством быстрой и неселективной радикальной реакции с образованием HO•. Было продемонстрировано, что разложение озона в водном растворе приводит к образованию HO•, особенно когда оно инициируется OH-.
Этот путь может быть инициирован разными способами: HO2-, HCOO-, Fe2+, гуминовыми веществами или, главным образом, HO-. Вот почему, в принципе, озонирование заметно более эффективно в щелочных средах, обеспечивая оптимум pH около 9. При озонировании сложные органические вещества превращаются в альдегиды, кетоны или карбоновые кислоты, которые легко биоразлагаемы. Озонирование также универсально и его можно комбинировать с другими традиционными методами или АОП.
Однако с эксплуатационной точки зрения существуют ограничения, связанные с массообменом газожидкостного озона. Следовательно, этот процесс требует эффективной конструкции реактора, чтобы максимизировать коэффициент массопереноса озона; увеличение межфазной площади контакта. Кроме того, эффективным может быть увеличение времени пребывания в реакторе с помощью больших барботажных колонн или повышение растворимости озона за счет повышения давления до нескольких атмосфер.
Добавление H2O2 в систему озонирования усиливает окислительную способность процесса за счет вторичных реакций. Перекись водорода инициирует разложение O3 путем переноса электрона.
O3 + H2O2 → HO• + O2 + HO2•.
Этот процесс дорогой, но быстрый и позволяет очищать органические загрязнители в очень низких концентрациях (частей на миллиард) и при pH от 7 до 8; оптимальное мольное соотношение 03/H2O2 составляет 2:1. Одной из основных областей применения этой обработки является разложение пестицидов. Он также эффективен для доочистки воды, ранее обработанной хлором, поскольку может разлагать тригалогенметаны или родственные соединения.
Процесс фотохимического окисления
Когда озон соединяется с УФ-излучением, происходит несколько процессов. Облучение воды озоном приводит к количественному образованию H2O2: Фотолиз H2O2 УФ-излучением дает два гидроксильных радикала на каждую молекулу перекиси водорода; реагент также реагирует с 03:Как и H2O2, озон реагирует с гидроксильными радикалами с образованием супероксидных радикалов:
Поскольку озон имеет более высокий коэффициент поглощения, чем H2O2, этот комбинированный АОП можно использовать для очистки воды с высоким фоном поглощения УФ-излучения. Эффективность выше, чем у Oz или прямого УФ, поскольку можно использовать свет УФ-В (280-315 нм), избегая использования кварцевого реактора.
При использовании УФ-С-излучения фотолиз O3 приводит к образованию дополнительной HO•. и другие окислители, с последующим повышением эффективности.
Усовершенствованные процессы окисления (АОП)
АОП в широком смысле относится к набору процедур химической обработки, предназначенных для удаления органических (а иногда и неорганических) материалов из воды и сточных вод путем окисления посредством реакций с гидроксильными радикалами (ОН). В таких химических процессах используются озон (O3), перекись водорода (H2O2) и/или УФ-свет. Один из таких процессов называется химическим окислением in situ.
АОП основаны на производстве высокореактивных гидроксильных радикалов (ОН) in situ. Эти реактивные соединения являются сильнейшими окислителями, которые можно применять в воде, и могут практически окислять любое соединение, присутствующее в водной матрице. Следовательно, после образования ОН реагирует неселективно, и загрязняющие вещества будут быстро и эффективно фрагментироваться и превращаться в небольшие неорганические молекулы. Гидроксильные радикалы образуются с помощью одного или нескольких первичных окислителей (например, озона, перекиси водорода, кислорода) и/или источников энергии (например, ультрафиолетового света) или катализаторов (например, диоксида титана).
Процедура АОП особенно полезна для очистки биологически токсичных или неразлагаемых материалов, таких как ароматические соединения, пестициды, компоненты нефти и т. д., присутствующих в сточных водах. Кроме того, АОП можно использовать для очистки сточных вод вторичной очистки, которые затем называются третичной очисткой. Загрязняющие материалы в значительной степени превращаются в устойчивые неорганические соединения, такие как вода, углекислый газ и соли, т.е. подвергаются минерализации.
Вообще говоря, химию в АОП можно разделить на три части:
- Образование ОН
- Первичная атака молекул-мишеней со стороны ОН и их распад на фрагменты.
- Последующие атаки ОН до окончательной минерализации.
Озонирование, УФ/H2O2 и фотокаталитическое окисление основаны на разных механизмах образования ОН:
- УФ/H202:
- H202 + УФ → 2-OH
- АОП на основе озона:
- О3 + НО – НО2 + О2
- О3 + НО2 → НО2: + 03
- 03: + Н+ – НО3.
- Н03. → ОН + О2
- Фотокаталитическое окисление TiO2:
- TiO2 + УФ + е +h+
- Ti(IV) + H2O = Ti(IV)-H20
- Ti(IV)-H20 +h+ = Ti(IV)–OH + H+
Преимущества
- Он может эффективно удалять органические соединения в водной фазе, а не собирать или переносить загрязняющие вещества в другую фазу.
- Благодаря замечательной реакционной способности ОН он практически без особого различия реагирует почти со всеми водными загрязнителями. Таким образом, АОП могут быть применимы во многих, если не во всех, сценариях, когда ожидается одновременное удаление многих органических загрязнителей.
- Некоторые тяжелые металлы также можно удалить в форме осажденного M(OH)x.
- В некоторых конструкциях АОП также можно обеспечить дезинфекцию, что приведет к комплексному решению некоторых проблем качества воды.
- Поскольку продуктом полного восстановления ОН является H20, АОП теоретически не привносят в воду никаких новых опасных веществ.
Недостатки
- Прежде всего, стоимость АОП слишком высока, поскольку для поддержания работы большинства систем АОП требуется постоянный ввод дорогостоящих химических реагентов.
- Некоторые методы требуют предварительной очистки сточных вод для обеспечения надежной работы, что может быть потенциально дорогостоящим и технически сложным. Например, присутствие иона бикарбоната (HCO3-) может значительно снизить концентрацию •OH из-за процессов очистки, в результате которых образуется H20 и гораздо менее реакционноспособная разновидность .CO3-. В результате бикарбонат должен быть удален из системы, иначе в противном случае АОП пострадают.
- Учитывая потенциальные затраты, АОП не могут самостоятельно обрабатывать большое количество сточных вод; вместо этого АОП следует применять на заключительном этапе после того, как первичная и вторичная очистка успешно удалили большую часть загрязняющих веществ.