Avansert oksidasjonsprosess - Advanced oxidation process

Avanserte oksidasjonsprosesser ( AOP ), i vid forstand, er et sett med kjemiske behandlingsprosedyrer designet for å fjerne organiske (og noen ganger uorganiske) materialer i vann og avløpsvann ved oksidasjon gjennom reaksjoner med hydroksylradikaler (· OH). I reelle anvendelser av avløpsvann behandling , men dette begrepet refererer vanligvis mer spesifikt til en undergruppe av slike kjemiske prosesser som anvender ozon (O ₃ ), hydrogenperoksid (H ₂ O ₂ ) og / eller UV-lys. En slik type prosess kalles in situ kjemisk oksidasjon .

Beskrivelse

AOPs er avhengige av in situ produksjon av svært reaktive hydroksylradikaler (· OH). Disse reaktive artene er de sterkeste oksidanter som kan påføres i vann og kan oksidere praktisk talt alle forbindelser som er tilstede i vannmatrisen, ofte med en diffusjonskontrollert reaksjonshastighet. Derfor reagerer · OH uselektivt når de først er dannet, og forurensninger vil raskt og effektivt fragmenteres og omdannes til små uorganiske molekyler. Hydroksylradikaler produseres ved hjelp av en eller flere primære oksidanter (f.eks. Ozon , hydrogenperoksid , oksygen ) og / eller energikilder (f.eks. Ultrafiolett lys) eller katalysatorer (f.eks. Titandioksid ). Nøyaktige, forhåndsprogrammerte doser, sekvenser og kombinasjoner av disse reagensene brukes for å oppnå et maksimalt • OH-utbytte. Generelt, når de brukes under riktig avstemte forhold, kan AOP redusere konsentrasjonen av forurensninger fra flere hundre ppm til mindre enn 5 ppb og derfor redusere COD og TOC betydelig , noe som ga æren av "vannbehandlingsprosesser i det 21. århundre ”.

AOP-fremgangsmåten er spesielt nyttig for rengjøring av biologisk giftige eller ikke-nedbrytbare materialer slik som aromater , pesticider , petroleumskomponenter og flyktige organiske forbindelser i avløpsvann. I tillegg kan AOP brukes til å behandle avløp fra sekundært behandlet avløpsvann som deretter kalles tertiær behandling . Forurensningsmaterialene omdannes i stor grad til stabile uorganiske forbindelser som vann, karbondioksid og salter, dvs. de gjennomgår mineralisering . Et mål for rensing av avløpsvann ved hjelp av AOP-prosedyrer er reduksjon av de kjemiske forurensningene og toksisiteten i en slik grad at det rensede avløpsvannet kan gjeninnføres i mottaksstrømmer eller i det minste i en konvensjonell kloakkrensing .

Selv om oksidasjonsprosesser som involverer · OH har vært i bruk siden slutten av 1800-tallet (som Fentons reagens , som ble brukt som et analytisk reagens på den tiden), fikk ikke bruken av slike oksidative arter i vannbehandling tilstrekkelig oppmerksomhet før Glaze et al. . foreslo mulig generering av · OH “i tilstrekkelig mengde for å påvirke vannrensing” og definerte begrepet “Avanserte oksidasjonsprosesser” for første gang i 1987. AOP-er er fortsatt ikke tatt i bruk i stor skala (spesielt i utviklingsland) ) til og med i dag hovedsakelig på grunn av relativt høye tilknyttede kostnader. Likevel gjør dens høye oksidasjonsevne og effektivitet AOPs til en populær teknikk i tertiær behandling der de mest motstridende organiske og uorganiske forurensningene skal elimineres. Den økende interessen for gjenbruk av vann og strengere regler for vannforurensning fremskynder for øyeblikket implementeringen av AOP i full skala. Det er omtrent 500 kommersialiserte AOP-installasjoner over hele verden for tiden, hovedsakelig i Europa og USA . Andre land som Kina viser økende interesser i AOP.

Kjemiske prinsipper

Generelt sett kan kjemi i AOP hovedsakelig deles i tre deler:

1. Dannelse av · OH;
2. Innledende angrep på målmolekyler av · OH og deres nedbrytning til fragmenter;
3. Etterfølgende angrep av · OH til den ultimate mineraliseringen .

Mekanismen for · OH-produksjon (del 1) avhenger i stor grad av typen AOP-teknikk som brukes. For eksempel, ozonering, UV / H ₂ O _2, fotokatalytisk oksidasjon og Fentons oksydasjon avhengige av forskjellige mekanismer for · OH generasjon:

• UV / H ₂ O ₂ :

H ₂ O ₂ + UV → 2 · OH (homolytisk binding spalting av de OO bindingen av H ₂ O ₂ fører til dannelse av to · radikaler OH)

• UV / HOCl:

HOCl + UV → · OH + Cl ·

• Ozonbasert AOP:

O ₃ + HO ^- → HO ₂ ^- + O ₂ (reaksjon mellom O ₃ og et hydroksylion fører til dannelsen av H ₂ O ₂ (i ladet form))

O ₃ + HO ₂ ^- → HO ₂ + O ₃ ^- · (et andre O _3- molekyl reagerer med HO ₂ ^{- for} å produsere ozonidradikalen)

O ₃ ^- · + H ⁺ → HO ₃ · (denne radikalen gir til · OH ved protonering)

HO ₃ · → · OH + O ₂

reaksjonstrinnene presentert her er bare en del av reaksjonssekvensen, se referanse for flere detaljer

• Fentonbasert AOP:

Fe ²⁺ + H ₂ O ₂ → Fe ³⁺ + HO · + OH ^- (initiering av Fenton reagens)

Fe ³⁺ + H ₂ O ₂ → Fe ²⁺ + HOO · + H ⁺ (regenerering av Fe ²⁺ katalysator)

H ₂ O ₂ → HO · + HOO · + H ₂ O (Selvrensing og spaltning av H ₂ O ₂ )

reaksjonstrinnene presentert her er bare en del av reaksjonssekvensen, se referanse for flere detaljer

• Fotokatalytisk oksidasjon med TiO ₂ :

TiO ₂ + UV → e ^- + h ⁺ (bestråling av den fotokatalytiske overflaten fører til et eksitert elektron (e ^- ) og elektrongap (h ⁺ ))

Ti (IV) + H ₂ O ⇌ Ti (IV) -H ₂ O (vann adsorberes på overflaten av katalysatoren)

Ti (IV) -H ₂ O + H ⁺ ⇌ Ti (IV) - · OH + H ⁺ den sterkt reaktive elektron gapet vil reagere med vann

reaksjonstrinnene presentert her er bare en del av reaksjonssekvensen, se referanse for flere detaljer

Foreløpig er det ingen enighet om de detaljerte mekanismene i del 3, men forskere har kastet lys over prosessene for innledende angrep i del 2. I det vesentlige er · OH en radikal art og bør oppføre seg som en svært reaktiv elektrofil. Dermed skal to typer innledende angrep være Hydrogen Abstraction and Addition . Følgende oppsett, vedtatt fra en teknisk håndbok og senere raffinert, beskriver en mulig mekanisme for oksidasjon av benzen av · OH.

Skjema 1. Foreslått mekanisme for oksidasjon av benzen av hydroksylradikaler

Det første og andre trinnet er elektrofil tilsetning som bryter den aromatiske ringen i benzen (A) og danner to hydroksylgrupper (–OH) i mellomliggende C. Senere griper en · OH et hydrogenatom i en av hydroksylgruppene og produserer en radikal art (D) som er utsatt for omlegging for å danne en mer stabil radikal (E). E, derimot, blir lett angrepet av · OH og danner til slutt 2,4-heksadien-1,6-dion (F). Så lenge det er tilstrekkelig · OH-radikaler, vil påfølgende angrep på forbindelse F fortsette til fragmentene alle er konvertert til små og stabile molekyler som H ₂ O og CO ₂ til slutt, men slike prosesser kan fremdeles være gjenstand for et utall av mulige og delvis ukjente mekanismer.

Fordeler

AOP har flere fordeler innen vannbehandling:

• De kan effektivt eliminere organiske forbindelser i vandig fase, i stedet for å samle eller overføre forurensende stoffer til en annen fase.
• På grunn av reaktiviteten til · OH reagerer den med mange vandige forurensninger uten å diskriminere. AOP er derfor anvendelig i mange, om ikke alle scenarier der mange organiske forurensninger må fjernes samtidig.
• Noen tungmetaller kan også fjernes i former av utfelt M (OH) _x .
• I noen AOP-design kan desinfisering også oppnås, noe som gjør disse AOP-ene til en integrert løsning på noen vannkvalitetsproblemer.
• Siden det totale reduksjonsproduktet av · OH er H ₂ O, innfører AOP teoretisk ingen nye farlige stoffer i vannet.

Nåværende mangler

AOP er ikke perfekte og har flere ulemper.

• Mest fremtredende er kostnaden for AOP ganske høy, siden det kreves kontinuerlig tilførsel av dyre kjemiske reagenser for å opprettholde driften av de fleste AOP-systemer. Som et resultat av sin egen natur krever AOP hydroksylradikaler og andre reagenser proporsjonalt med mengden forurensninger som skal fjernes.
• Noen teknikker krever forbehandling av avløpsvann for å sikre pålitelig ytelse, noe som kan være potensielt kostbart og teknisk krevende. For eksempel kan nærværet av bikarbonat- ioner (HCO ₃ ^- ) kan vesentlig redusere konsentrasjonen av · OH grunn av spyleprosesser som gir H ₂ O og en mye mindre reaktive arter,? CO ₃ ^- . Som et resultat må bikarbonat tørkes ut av systemet, ellers må AOP-er kompromitteres.
• Det er ikke kostnadseffektivt å bruke bare AOP for å håndtere en stor mengde avløpsvann; i stedet bør AOP-er distribueres i sluttfasen etter at primær- og sekundærbehandling med hell har fjernet en stor andel forurensninger. Det er også gjort pågående forskning for å kombinere AOP med biologisk behandling for å redusere kostnadene.

Framtid

Siden AOP-er først ble definert i 1987, har feltet vært vitne til en rask utvikling både i teorien og i anvendelsen. Så langt har TiO ₂ / UV-systemer, H ₂ O ₂ / UV-systemer og Fenton-, foto-Fenton- og Electro-Fenton-systemer fått omfattende undersøkelse. Imidlertid er det fortsatt mange forskningsbehov på disse eksisterende AOP-ene.

Nyere trender er utviklingen av nye, modifiserte AOP-er som er effektive og økonomiske. Det har faktisk vært noen studier som tilbyr konstruktive løsninger. For eksempel, doping TiO ₂ med ikke-metalliske elementer kan muligens forbedre den fotokatalytiske aktivitet; og implementering av ultralydbehandling kan fremme produksjonen av hydroksylradikaler. Modifiserte AOP-er som Fenton med fluidisert seng har også vist et stort potensial når det gjelder nedbrytningsytelse og økonomi.

Se også

• Liste over avløpsvannbehandlingsteknologier
• Fenton-reaksjon
• Elektro-oksidasjon
• Prosessteknikk
• Vannrensing

Referanser

Videre lesning