Расширенный процесс окисления - Advanced oxidation process

Продвинутые процессы окисления (АОП) в широком смысле представляют собой набор процедур химической обработки, предназначенных для удаления органических (а иногда и неорганических) материалов из воды и Сточные Воды к окисление через реакции с гидроксильные радикалы (·ОЙ).[1] В реальных приложениях очистки сточных вод однако этот термин обычно более конкретно относится к подмножеству таких химических процессов, в которых используются озон (O3), пероксид водорода (ЧАС2О2) и / или УФ-светом.[2] Один из таких процессов называется химическое окисление in situ.

Описание

АОП основаны на производстве in situ высокореакционных гидроксильных радикалов (· OH). Эти реакционноспособные частицы являются сильнейшими окислителями, которые можно применять в воде, и могут практически окислять любое соединение, присутствующее в водной матрице, часто с контролируемой диффузией скоростью реакции. Следовательно, · ОН после образования реагирует неселективно, и загрязнители быстро и эффективно фрагментируются и превращаются в небольшие неорганические молекулы. Гидроксильные радикалы образуются с помощью одного или нескольких первичных окислителей (например, озон, пероксид водорода, кислород ) и / или источники энергии (например, ультрафиолетовый свет) или катализаторы (например, оксид титана ). Применяются точные, предварительно запрограммированные дозировки, последовательности и комбинации этих реагентов, чтобы получить максимальный выход • ОН. Как правило, при применении в правильно настроенных условиях АОП могут снизить концентрацию загрязняющих веществ с нескольких сотен. промилле до менее 5 ppb и поэтому значительно приносят COD и ТОС пух, который заслужил признание «процессов очистки воды 21 века».[3]

Процедура АОП особенно полезна для очистки биологически токсичных или неразлагаемых материалов, таких как ароматика, пестициды,[4] нефть составляющие, и летучие органические соединения в сточных водах.[5] Кроме того, AOP могут использоваться для очистки сточных вод вторично очищенных сточных вод, которые затем называются третичное лечение.[6] Загрязняющие материалы в значительной степени превращаются в устойчивые неорганические соединения, такие как вода, углекислый газ и соли, т.е. они подвергаются минерализация. Целью очистки сточных вод с помощью процедур АОП является снижение химических загрязнений.[7] и токсичность до такой степени, что очищенные сточные воды могут быть повторно введены в приемные потоки или, по крайней мере, в обычные очистка сточных вод.

Хотя процессы окисления с участием · OH использовались с конца 19 века (например, в реактиве Фентона, который, однако, был аналитическим реагентом в то время), использованию таких окислительных форм при очистке воды не уделялось должного внимания до тех пор, пока Glaze и другие.[1] предложили возможное образование · OH «в количестве, достаточном для воздействия на очистку воды» и впервые определили термин «усовершенствованные процессы окисления» в 1987 году. AOP до сих пор не получили коммерческого использования в больших масштабах (особенно в развивающихся странах) ) даже по сей день в основном из-за относительно высокой стоимости. Тем не менее, его высокая окислительная способность и эффективность делают АОП популярным методом доочистки, при котором необходимо удалить наиболее стойкие органические и неорганические загрязнители. Растущий интерес к повторному использованию воды и более строгие правила в отношении загрязнения воды в настоящее время ускоряют внедрение AOP в полном объеме. В настоящее время в мире насчитывается около 500 коммерческих установок AOP, в основном в Европа и Соединенные Штаты. Другие страны любят Китай проявляют растущий интерес к АОП.

Химические принципы

Вообще говоря, химию в АОП можно разделить на три части:[8]

  1. Формирование · ОН;
  2. Первоначальные атаки на молекулы-мишени с помощью · ОН и их распад на фрагменты;
  3. Последующие атаки · ОН до предела минерализация.

Механизм образования · OH (Часть 1) сильно зависит от типа используемой техники АОП. Например, озонирование, UV / H2О2 и фотокаталитическое окисление основаны на различных механизмах образования · OH:

  • УФ / ч2О2:[6]
ЧАС2О2 + УФ → 2 · ОН (гомолитический разрыв связи O-O связи H2О2 приводит к образованию радикалов 2 · ОН)
  • АОП на основе озона:[9]
О3 + HO− → HO2− + O2 (реакция между O3 и гидроксил-ион приводит к образованию H2О2 (в заряженном виде))
О3 + HO2− → HO2· + O3−· (второй O3 молекула реагирует с HO2− для образования озонидного радикала)
О3−· + H+ → HO3· (этот радикал при протонировании отдает · OH)
HO3· → · ОН + О2
шаги реакции, представленные здесь, являются лишь частью последовательности реакции, см. ссылку для более подробной информации
  • Фотокаталитическое окисление TiO2:[9]
TiO2 + UV → e− + ч+ (облучение фотокаталитической поверхности приводит к возбужденному электрон (е−) и электронной щели (h+))
Ti (IV) + H2O ⇌ Ti (IV) -H2О (вода адсорбируется на поверхности катализатора)
Ti (IV) -H2О + ч+ ⇌ Ti (IV) - · OH + H+ высокореактивный электронный промежуток будет реагировать с водой
шаги реакции, представленные здесь, являются лишь частью последовательности реакции, см. ссылку для более подробной информации

В настоящее время нет единого мнения о подробных механизмах в Части 3, но исследователи пролили свет на процессы начальных атак в Части 2. По сути, · ОН является радикальной разновидностью и должен вести себя как высокореактивный электрофил. Таким образом, предполагается два типа начальных атак. Отвод водорода и Добавление. Следующая схема, взятая из технического справочника, а затем уточненная, описывает возможный механизм окисления бензол пользователя · OH.[10]

Предлагаемый механизм окисления бензола гидроксильными радикалами

Схема 1. Предлагаемый механизм окисления бензола гидроксильными радикалами.

Первый и второй этапы представляют собой электрофильное присоединение, которое разрывает ароматическое кольцо в бензоле (A) и образует две гидроксильные группы (–OH) в промежуточном продукте C. Позже · OH захватывает атом водорода в одной из гидроксильных групп, образуя радикальную разновидность (D), который склонен к перегруппировке с образованием более стабильного радикала (E). E, с другой стороны, легко атакуется · OH и в конечном итоге образует 2,4-гексадиен-1,6-дион (F). Пока имеется достаточное количество радикалов · OH, последующие атаки на соединение F будут продолжаться до тех пор, пока все фрагменты превращаются в небольшие и стабильные молекулы, такие как H2O и CO2 в конце концов, но такие процессы все еще могут быть подвержены множеству возможных и частично неизвестных механизмов.

Преимущества

АОП обладают рядом преимуществ, не имеющих аналогов в области очистки воды:

  • Они могут эффективно удалять органические соединения в водной фазе, а не собирать или переносить загрязнители в другую фазу.
  • Благодаря замечательной реакционной способности · OH, он практически без различий реагирует практически со всеми водными загрязнителями. Таким образом, АОП применимы во многих, если не во всех, сценариях, где необходимо одновременно удалить много органических загрязнителей.
  • Немного тяжелые металлы также может быть удален в виде осажденного M (OH)Икс.
  • В некоторых проектах АОП дезинфекция также может быть достигнуто, что делает эти АОП комплексным решением некоторых проблем с качеством воды.
  • Поскольку продукт полного восстановления · OH равен H2O, АОП теоретически не вносят в воду никаких новых вредных веществ.

Текущие недостатки

Следует понимать, что АОП не идеальны и имеют ряд недостатков.[11]

  • Наиболее заметно то, что стоимость АОП довольно высока, поскольку для поддержания работы большинства систем АОП требуется постоянный ввод дорогостоящих химических реагентов. По самой своей природе АОП требуют наличия гидроксильных радикалов и других реагентов, пропорциональных количеству удаляемых загрязняющих веществ.
  • Некоторые методы требуют предварительной очистки сточных вод для обеспечения надежной работы, что может быть потенциально дорогостоящим и технически сложным. Например, наличие бикарбонат ионы (HCO3−) может заметно снизить концентрацию · OH за счет процессы очистки что дает H2O и гораздо менее химически активные частицы · CO3−.[3] В результате бикарбонат должен быть удален из системы, иначе АОП будут скомпрометированы.
  • Использование только АОП для обработки большого количества сточных вод не является экономически эффективным; вместо этого AOP должны быть развернуты на заключительном этапе после начальный и вторичное лечение успешно удалили большую часть загрязняющих веществ.

Будущее

С тех пор, как AOP были впервые определены в 1987 году, эта область стала свидетелем быстрого развития как в теории, так и в применении. Пока что TiO2/ УФ-системы, H2О2/ УФ-системы, а также системы Фентона, фото-Фентона и Электро-Фентона подверглись тщательной проверке. Тем не менее, существует еще много потребностей в исследованиях этих существующих АОП.[требуется разъяснение ]

Последние тенденции заключаются в разработке новых, модифицированных АОП, эффективных и экономичных. Фактически, были некоторые исследования, предлагающие конструктивные решения. Например, допинг TiO2 с неметаллическими элементами может улучшить фотокаталитический Мероприятия;[12] а применение ультразвуковой обработки может способствовать образованию гидроксильных радикалов.[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Глейз, Уильям; Кан, Джун-Вун; Чапин, Дуглас Х. (1987). «Химия процессов очистки воды с участием озона, перекиси водорода и ультрафиолетового излучения». Озон: наука и техника. 9 (4): 335–352. Дои:10.1080/01919518708552148.
  2. ^ Национальный институт водных исследований (2000 г.). Технологии очистки для удаления метилтретбутилового эфира (МТБЭ) из питьевой воды: Глава III Продвинутые процессы окисления.
  3. ^ а б Мюнтер, Рейн (2001). «Продвинутые процессы окисления - современное состояние и перспективы». Известия Эстонской академии наук. Химия. 50 (2): 59–80.
  4. ^ Мисра, Н. (2015). «Вклад нетермических и передовых технологий окисления в рассеивание остатков пестицидов». Тенденции в пищевой науке и технологиях. 45 (2): 229–244. Дои:10.1016 / j.tifs.2015.06.005.
  5. ^ Энрик Брилласа; Ева Мур; Розер Сауледа; Лаура Санчес; Хосе Пераль; Ксавье Доменек; Хуан Касадо (март 1998 г.). «Анилиновая минерализация АОП: анодное окисление, фотокатализ, электро-Фентоновые и фотоэлектро-Фентоновые процессы». Прикладной катализ B: Окружающая среда. 16 (1): 31–42. Дои:10.1016 / S0926-3373 (97) 00059-3.
  6. ^ а б W.T.M. Audenaert; Ю. Вермеерш; S.W.H. Ван Хулль; П. Дежанс; А. Дюмулин; И. Нопенс (2011). «Полномасштабное применение механистической модели УФ / перекиси водорода: анализ чувствительности, калибровка и оценка производительности». Журнал химической инженерии. 171 (1): 113–126. Дои:10.1016 / j.cej.2011.03.071. HDL:1854 / LU-1260447.
  7. ^ Наддео, Винченцо; Зарра, Тициано; Ся, Дуншэн; Цай, Инцзе; Телегин, Феликс Юр .; Первез, М.Д. Нахид. «Первез М., Телегин Ф.Ю., Цай Ю., Ся Д., Зарра Т., Наддео В. (2019) Эффективное разложение протравы синего 9 с использованием системы персульфата, активированного фентоном. Water 2019, 11 (12), 2532». Вода. 11 (12): 2532. Дои:10.3390 / w11122532. ISSN  2073-4441.
  8. ^ Mazille, Félicien. «Передовые процессы окисления | SSWM. Устойчивое управление санитарией и водными ресурсами». Архивировано из оригинал 28 мая 2012 г.. Получено 13 июня, 2012.
  9. ^ а б Бельтран, Фернандо Дж. (2004). Кинетика реакции озона для систем водоснабжения и сточных вод. CRC Press, Флорида. ISBN  978-1-56670-629-2.
  10. ^ Экологическая система Solarchem (1994). Справочник УФ / окисления.
  11. ^ «Продвинутые процессы окисления». Neopure Technologies. Получено 27 марта, 2016.
  12. ^ Томпсон, Трейси Л; Йейтс, Джон Т (2006). «Поверхностные исследования фотоактивации TiO2 - новые фотохимические процессы». Химические обзоры. 106 (10): 4428–4453. Дои:10.1021 / cr050172k. PMID  17031993.
  13. ^ Бербериду, C; Пулиос I .; Xekoukoulotakis, N.P .; Манцавинос, Д. (2007). «Сонолитическая, фотокаталитическая и сонофотокаталитическая деградация малахитового зеленого в водных растворах». Прикладной катализ B: Окружающая среда. 74 (1–2): 63–72. Дои:10.1016 / j.apcatb.2007.01.013.

дальнейшее чтение

  • Майкл О.Д. Рот: Химическое окисление: Технология девяностых, том VI: Технологии девяностых: 6 (Химическое окисление) У. Уэсли угловые поля и Джон А. Рот, издательство Technomic Publishing CO, Ланкастер, среди прочего. 1997, ISBN  1-56676-597-8. (англ.)
  • Оппенлендер, Томас (2003). Усовершенствованные процессы окисления (АОП): принципы, механизмы реакции, концепции реакторов. Wiley VCH, Weinheim. ISBN  978-3-527-30563-6.