5.1 čištění Odpadních vod
hydroxylový radikál (•OH) je hlavní meziprodukt reaktivní zodpovědný za organické oxidace substrátu. Volný radikál HO2• a jeho konjugát O2•− se také podílejí na rozkladných procesů, ale jsou mnohem méně reaktivní než volné hydroxylové radikály. Tyto radikály silně reagují s většinou organických látek abstrakcí vodíku nebo elektrofilním přidáním dvojných vazeb. Volné radikály dále reagují s molekulárním kyslíkem dát peroxy radikál, zahájení sekvence oxidační degradaci reakce, které mohou vést k úplné mineralizaci kontaminantů. Kromě toho mohou hydroxylové radikály napadat aromatické kruhy v pozicích obsazených halogenem a vytvářet fenolový homolog. Elektrony vodivého pásma mohou také degradovat organické sloučeniny redukčními cestami.
obecně platí, že typy sloučenin, které mohou být degradovány patří alkany, haloalkanes, alifatické alkoholy, karboxylové kyseliny, alkeny, aromáty, haloaromatics, polymery, povrchově aktivní látky, pesticidy a barviv. Rovnice (15) obecně platí i pro halogenované organické sloučeniny obecného vzorce CnHmOpXq:
V fotodegradace, transformace mateřské organické sloučeniny, je žádoucí, aby eliminovat jeho toxicity a perzistence, ale hlavním cílem je mineralizovat všech znečišťujících látek. Dále byla navržena stechiometrie pro obecnou reakci (Eq. 15) musí být v každém případě prokázána správnou hmotnostní rovnováhou. Reaktivity a produkty by mohly být ztraceny, což by vedlo k nespolehlivým výsledkům. Rychlost mineralizace se určuje sledováním anorganických sloučenin, jako je CO2, Cl -, SO42 -, NO3-a PO43 -. Když se organické látky rozkládají, stechiometrické zvýšení koncentrace anorganických aniontů je vyráběn v upravené vodě, a velmi často je zvýšení koncentrace vodíkových iontů (pokles pH). Aby se prokázalo, že nedochází ke ztrátám produktu, musí být molární poměr v souladu se strukturou organického substrátu. Absence celková mineralizace byla pozorována pouze v případě s-triazin herbicidy, pro které se finální produkt získaný je v podstatě 1,2,5-triazin-2,4,6-trihydroxy (kyanurové kyseliny), který není toxický. To je způsobeno silnou stabilitou triazinového jádra, které odolává většině metod oxidace. Molekuly obsahující dusík jsou mineralizovány na NH4+ a NO3 -. Amonné ionty jsou relativně stabilní a podíl závisí hlavně na počátečním stupni oxidace dusíku a na době ozáření. Analýzy alifatických fragmentů, které jsou výsledkem degradace aromatického kruhu, odhalily hlavně formičitanové a acetátové ionty. Byly také nalezeny další alifatika (pravděpodobně kyseliny, diakyseliny a hydroxylované sloučeniny). Formátové a acetátové ionty jsou poměrně stabilní, což částečně vysvětluje, proč celková mineralizace trvá mnohem déle než dearomatizace.
Solární fotokatalytická mineralizace organických látek ve vodě, pomocí interakce UV záření a polovodičových katalyzátorů, má velký potenciál v průmyslové ničení toxických organických látek ve vodě, a počet aplikací a cílové sloučeniny jsou četné. V oblastech se střední až vysoká sluneční záření, solární detoxikace je užitečné pro léčbu vody s maximální organické koncentrace několika set miligramů na litr, nonbiodegradable kontaminujících látek a nebezpečných kontaminujících látek přítomných v komplexních směsí organických látek. V důsledku intenzivního výzkumu prováděného skupinami po celém světě za posledních 20 let je sluneční detoxikace dobrým řešením s mnoha zajímavými aplikacemi. Během posledního desetiletí existovaly tisíce publikací a patentů na heterogenní fotokatalytické odstraňování toxických a nebezpečných sloučenin z vody a vzduchu. Některé příklady jsou fenoly a chlorfenoly, chlorované uhlovodíky, farmaceutických látek (antibiotika, antineoplastics, a jiných nebezpečných farmaceutických odpadů), agrochemické odpady (pesticidy) a kyanidy. Jsou vyráběny v průmyslových množstvích v procesech, jako je výroba fenol-formaldehydové pryskyřice, těkavé organické sloučeniny (VOC) pračky, výroba PVC, dřevo-zachování odpadu, čištění mořské nádrže, potrubí a terminálů, a výroba pesticidů a oplachové vody ze zařízení používaných pro jejich aplikaci.
zde se pesticidy používají jako příklad pro demonstraci praktické aplikace solární fotokatalýzy. Ačkoli pesticidy a agrochemické sloučenin obecně, byly zjištěny ve vodě od roku 1950 a 1960, v posledních 15 letech jejich používání se dramaticky zvýšila v celém světě a má téměř zdvojnásobil každých 5 let od roku 1975. Organizace spojených národů odhaduje, že ze všech pesticidů používaných v zemědělství méně než 1% skutečně dosáhne plodin. Zbytek končí kontaminací půdy, vzduchu a zejména vody. Znečištění vody pesticidy je proto jedním z největších environmentálních problémů dneška s rozsáhlými ekologickými důsledky. V oblastech, kde je zemědělství intenzivní, jsou hlavními zdroji znečištění vody následující:
ošetření pesticidy jako běžná zemědělská praxe: přibližně 0,2 tuny / ha se obvykle používají v intenzivním zemědělství klasickým postřikem nebo zavlažovacím potrubím.
Opláchněte voda znečištěná pesticidy z kontejnerů a stříkací zařízení: Malé množství pesticidů zbývající do prázdné nádoby (cca 70 jednotek/ha) jsou obvykle vysypaly do prostředí.
odpadní vody ze zemědělského průmyslu: Voda z čištění nebo posklizňové úpravy ovoce a zeleniny před balením produkuje přibližně 1 m3/den / ha odpadních vod.
rostlinný odpad kontaminovaný pesticidy: odhaduje se, že 30 tun/ha / rok nezpracovaného rostlinného odpadu se obvykle likviduje na skládkách.
jedním z hlavních problémů je nekontrolované ukládání prázdných kontejnerů na pesticidy. Ačkoliv množství pesticidů zbývající v každé nádobě je velmi malý, miliony z nich jsou dumpingové každý rok, dělat to jeden z nejvýznamnějších zdrojů znečištění v oblastech se tento typ zemědělství. Navrhovaným řešením je jejich selektivní sběr a přeprava do recyklačního závodu, kde jsou opláchnuty pro pozdější opětovné použití. Výsledná oplachová voda, kontaminovaná různými směsmi pesticidů, musí být ošetřena. Proto jsou nezbytné jednoduché, levné a dostupné technologie pro in situ úpravu takové vody. Herbicidy se tradičně odstraňují z vody pomocí granulovaného nebo práškového aktivního uhlí, nanofiltrace, ozonace atd., ale tyto procesy mají vlastní omezení použitelnosti, účinnosti a nákladů. Na druhou stranu, problémy spojené s jejich likvidace jsou poměrně vhodné pro solární fotokatalytické léčení a to z následujících důvodů: (i) počáteční koncentrace pesticidů může být řízen jako funkce počtu kontejnerů promyje stejné vodě, takže nejvhodnější koncentraci pro optimální fotokatalytická účinnost může být vybrán; (ii) toxicita je extrémní, nízké hlasitosti, a v přesně definované poloze; (iii) takové bodové zdroje znečištění mohou být v ideálním případě zacházeno v malých čistíren; a (iv) intenzivní zemědělství ve sklenících je obvykle soustředěno ve slunných zemích.
solární detoxikace také prokázala účinnost při degradaci halogenovaných rozpouštědel, které se nacházejí ve většině odpadů farmaceutického průmyslu a emisí VOC. Environmentální předpisy a směrnice tlačí průmyslové manažery ke kontrole emisí VOC. Jednou z metod regulace emisí VOC je mokré čištění, ale kontaminovaná voda z praček musí být ošetřena. To lze snadno provést solární detoxikací. Dalším zdrojem halogenovaných odpadů je halokomponentní výroba. Odpad lze odhadnout jako nízké procento celkové produkce, rozpuštěné při 100-200 mg / litr. PVC například produkuje 2,5 m3 odpadních vod kontaminovaných polymery s krátkým řetězcem nebo PVC monomerem pro každou tunu PVC. Studie proveditelnosti zjistila, že fotoreaktor o rozloze 6 m2 může zcela mineralizovat 100 mg / litr chloroformu ve 250 litrech odpadních vod za 8 hodin slunečního světla.
dekontaminace odpadních vod je jednou z nejúspěšnějších fotochemických aplikací solárních fotonů. Tato technologie byla ověřena výstavbou velkých pilotních závodů. Solární fotokatalýza slibuje, že bude důležitým průlomem v implementaci solárních procesů, protože specifická solární technologie pro úpravu vody se stává komerčně dostupnou. Analýzy trhu ukazují, že tato technologie šetrná k životnímu prostředí, která může zničit mnoho nejproblematičtějších perzistentních organických znečišťujících látek, má řadu potenciálních aplikací. Není pochyb o tom, že fotokatalytická detoxikace vody je plná slibů, jak dokazuje pokrok dosažený během posledních 10 let.
analýza historického vývoje solární fotokatalýzy však jasně identifikuje tři různé fáze vývoje. Počáteční úsilí solárních vědomých výzkumníků se zaměřilo na přenos laboratorního výzkumu do solárního inženýrství pomocí stávající technologie. Tyto první výsledky vyvolaly vzrušení ve fotochemické výzkumné komunitě. Jejich extrapolace na praktické situace předpokládala schopnost degradovat téměř všechny organické kontaminanty i některé kovy. Později byly vyvinuty vhodnější kolektory a návrhy, ale potřeba znát základy určitých aspektů reakce vedla k rostoucímu počtu studií kinetiky, mechanismů, výkonu směsí a provozních parametrů se smíšenými výsledky. Bylo to období slibných i odrazujících výsledků. Ve třetí fázi, která se zdá být na cestě, hraniční podmínky aplikace jsou stanoveny, a technologie se zaměřením na konkrétní původní žádosti, s tou zvláštností, že na počátku vývoje a nevyřešené otázky koexistovat s u-komerční i průmyslové aplikace a technologie. V důsledku toho se trh životního prostředí, i když je velmi vnímavý k čistým zdrojům energie, zdráhá přijmout takovou iniciativu „převzetí rizika“.