5.1 jäteveden käsittely
hydroksyyliradikaali (•OH) on tärkein orgaanisen substraatin hapettumisesta vastaava Välituote. Myös vapaa radikaali HO2• ja sen konjugaatti O2•− osallistuvat hajoamisprosesseihin, mutta ovat paljon vähemmän reaktiivisia kuin vapaat hydroksyyliradikaalit. Nämä radikaalit reagoivat voimakkaasti useimpien orgaanisten aineiden kanssa vedyn abstraktiolla tai elektrofiilisella additiolla kaksoissidoksiin. Vapaat radikaalit reagoivat edelleen molekyylihapen kanssa muodostaen peroksiradikaalin, aloittaen oksidatiivisen hajoamisreaktioiden sarjan, joka voi johtaa kontaminantin täydelliseen mineralisoitumiseen. Lisäksi hydroksyyliradikaalit voivat hyökätä aromaattisten renkaiden kimppuun halogeenin valtaamissa asemissa, jolloin muodostuu fenolihomologia. Johtuvuuskaistan elektronit voivat myös hajottaa orgaanisia yhdisteitä pelkistävillä reiteillä.
yleisesti hajoamiskelpoisia yhdisteitä ovat alkaanit, haloalkaanit, alifaattiset Alkoholit, karboksyylihapot, alkeenit, aromaattiset aineet, haloaromaatit, polymeerit, pinta-aktiiviset aineet, torjunta-aineet ja väriaineet. Yhtälö (15) pätee yleensä halogenoidulle orgaaniselle yhdisteelle, jonka yleinen kaava on CnHmOpXq:
fotodegradaatiossa lähtöaineen muunnos on suotavaa sen myrkyllisyyden ja pysyvyyden eliminoimiseksi, mutta päätavoite on mineralisoida kaikki epäpuhtaudet. Lisäksi yleisreaktiolle ehdotettu Stoikiometria (ekv. 15) on osoitettava kussakin tapauksessa oikea massatase. Reaktiivisia tuotteita ja tuotteita saattaa kadota, mikä tuottaa epäluotettavia tuloksia. Mineralisaationopeus määritetään seuraamalla epäorgaanisia yhdisteitä, kuten CO2, Cl−, SO42−, NO3− ja PO43−. Orgaanisten aineiden hajotessa käsiteltyyn veteen syntyy epäorgaanisten anionien pitoisuuden stoikiometrinen nousu, ja hyvin usein vetyionien pitoisuus kasvaa (pH: n lasku). Jotta voidaan osoittaa, ettei tuotteita häviä, moolisuhteen on oltava orgaanisen substraatin rakenteen mukainen. Täydellisen mineralisaation puuttuminen on havaittu ainoastaan s-triatsiiniherbisideissä, joiden lopputuote on oleellisesti 1,2,5-triatsiini-2,4,6-trihydroksi (syanuurihappo), joka ei ole myrkyllinen. Tämä johtuu triatsiiniytimen voimakkaasta stabiiliudesta, joka vastustaa useimpia hapetusmenetelmiä. Typpeä sisältävät molekyylit mineralisoituvat NH4+: ksi ja NO3−: ksi. Ammoniumionit ovat suhteellisen stabiileja ja osuus riippuu lähinnä typen alkuperäisestä hapetusasteesta ja säteilytysajasta. Aromaattisen renkaan hajoamisesta johtuvista alifaattisista fragmenteista on löydetty pääasiassa formiaatti-ja asetaatti-ioneja. Myös muita alifatiineja (oletettavasti happoja, diasideja ja hydroksyloituja yhdisteitä) on löydetty. Formiaatti-ja asetaatti-ionit ovat melko stabiileja, mikä osaltaan selittää, miksi täydellinen mineralisaatio kestää paljon kauemmin kuin dearomatisaatio.
auringon Fotokatalyyttinen veden orgaanisten yhdisteiden mineralisaatio UV-säteilyn ja puolijohdekatalyyttien yhteisvaikutuksella on merkittävä potentiaali myrkyllisten orgaanisten aineiden teolliseen tuhoamiseen vedessä, ja käyttökohteita ja kohdeyhdisteitä on lukuisia. Alueilla, joilla on keskitasoinen tai korkea auringon säteily, solar detoksifikaatio on hyödyllinen veden käsittelyyn, jossa orgaanisen enimmäispitoisuuden on useita satoja milligrammoja litrassa, ei-biodegradable epäpuhtauksia,ja vaarallisia epäpuhtauksia esiintyy monimutkaisia seoksia orgaanisten aineiden. Tuloksena intensiivistä tutkimusta ryhmien ympäri maailmaa viimeisten 20 vuoden aikana, Aurinko detoksifikaatio on hyvä ratkaisu monia mielenkiintoisia sovelluksia. Kymmenen viime vuoden aikana on julkaistu tuhansia julkaisuja ja patentteja myrkyllisten ja vaarallisten yhdisteiden heterogeenisestä fotokatalyyttisestä poistamisesta vedestä ja ilmasta. Joitakin esimerkkejä ovat fenolit ja kloorifenolit, klooratut hiilivedyt, farmaseuttiset yhdisteet (antibiootit, antineoplastiset aineet ja muut vaaralliset lääkejätteet), maatalouskemikaalijätteet (torjunta-aineet) ja syanidit. Niitä tuotetaan teollisia määriä prosesseissa, kuten fenoli-formaldehydihartsien, haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) pesureiden valmistuksessa, PVC: n tuotannossa, puunsuojausjätteiden valmistuksessa, säiliöterminaalien ja putkistojen puhdistuksessa sekä torjunta-aineiden ja huuhteluveden valmistuksessa niiden levittämiseen käytetyistä laitteista.
tässä torjunta-aineita käytetään esimerkkinä aurinkoenergian fotokatalyysin käytännön soveltamisessa. Vaikka torjunta-aineita ja maatalouskemiallisia yhdisteitä yleensä on havaittu vedessä 1950-ja 1960-luvuilta lähtien, niiden käyttö on viimeisten 15 vuoden aikana lisääntynyt dramaattisesti kaikkialla maailmassa ja lähes kaksinkertaistunut joka 5.vuosi vuodesta 1975. Yhdistyneet kansakunnat arvioi, että kaikista maataloudessa käytettävistä torjunta-aineista alle 1% päätyy itse asiassa viljelykasveihin. Loput päätyvät saastuttamaan maata, ilmaa ja erityisesti vettä. Siksi torjunta-aineiden aiheuttama vesien saastuminen on yksi nykyajan suurimmista ympäristöongelmista, jolla on laajoja ekologisia seurauksia. Alueilla, joilla maatalous on intensiivistä, seuraavat ovat merkittäviä vesien saastumisen lähteitä:
torjunta-aineiden käsittely tavanomaisena maatalouskäytäntönä: tehomaataloudessa käytetään yleensä noin 0,2 tonnia/ha klassista ruiskutusta tai kasteluputkea.
torjunta-aineiden saastuttama huuhteluvesi säiliöistä ja ruiskutuslaitteista: pieniä määriä torjunta-aineita, jotka jäävät tyhjiin säiliöihin (noin 70 yksikköä/ha), valuu tyypillisesti ympäristöön.
maatalouden jätevedet: Hedelmien ja vihannesten puhdistuksessa tai jälkikäsittelyssä ennen pakkaamista syntyvä vesi tuottaa noin 1 m3/vrk/ha jätevettä.
torjunta-aineiden saastuttamat kasvijätteet: arviolta 30 tonnia/ha/vuosi käsittelemätöntä kasvijätettä päätyy yleensä kaatopaikoille.
yksi suurimmista ongelmista on tyhjien torjunta-aineastioiden hallitsematon dumppaus. Vaikka torjunta-aineiden määrä kussakin säiliössä on hyvin pieni, niitä heitetään vuosittain mereen miljoonia, mikä tekee siitä yhden tärkeimmistä saastelähteistä alueilla, joilla harjoitetaan tämäntyyppistä maataloutta. Ratkaisuksi ehdotetaan niiden valikoivaa keräämistä ja kuljetusta kierrätyslaitokseen, jossa ne huuhdellaan myöhempää uudelleenkäyttöä varten. Tuloksena oleva huuhteluvesi, joka on eri torjunta-ainesseosten saastuttama, on käsiteltävä. Siksi tarvitaan yksinkertaista, edullista ja helposti saatavilla olevaa tekniikkaa tällaisen veden käsittelemiseksi paikan päällä. Rikkakasvien torjunta-aineet poistetaan perinteisesti vedestä rakeisen tai jauhemaisen aktiivihiilen, nanosuodatuksen, otsonoinnin jne.avulla., mutta näillä prosesseilla on luontaisia rajoituksia sovellettavuudessa, tehokkuudessa ja kustannuksissa. Toisaalta niiden hävittämiseen liittyvät ongelmat soveltuvat melko hyvin auringon fotokatalyyttiseen käsittelyyn seuraavista syistä: i) torjunta-aineiden alkuperäistä pitoisuutta voidaan valvoa samalla vedellä pestyjen astioiden lukumäärän perusteella, jolloin voidaan valita sopivin pitoisuus optimaaliselle fotokatalyyttiselle tehokkuudelle; ii) myrkyllisyys on äärimmäisen vähäistä ja tarkasti määritellyssä paikassa; iii) tällaiset pistekuormituslähteet voidaan ihanteellisesti käsitellä pienimuotoisissa käsittelyyksiköissä.; ja iv) tehomaatalous kasvihuoneissa keskittyy yleensä aurinkoisiin maihin.
auringon detoksifikaatio on myös osoittanut tehokkuutta halogenoitujen liuottimien hajoamisessa suuressa osassa lääketeollisuuden jätteitä ja VOC-päästöjä. Ympäristömääräykset ja-direktiivit patistavat teollisuusjohtajia valvomaan VOC-päästöjä. Yksi VOC-päästöjen valvontamenetelmistä on märkäpesu, mutta pesureiden saastunut vesi on käsiteltävä. Tämä voitaisiin helposti tehdä aurinko detoksifikaatiolla. Toinen halogenoitujen jätteiden lähde on halokomponenttien valmistus. Jäte voidaan arvioida pieni prosenttiosuus kokonaistuotannosta, liuotetaan 100-200 mg / litra. Esimerkiksi PVC tuottaa 2,5 m3 lyhytketjuisten polymeerien tai PVC-monomeerin saastuttamaa jätevettä jokaista PVC-tonnia kohti. Toteutettavuustutkimuksessa todettiin, että 6-m2-fotoreaktori voi täysin mineralisoida 100 mg/litra kloroformia 250 litrassa jätevettä 8 tunnissa auringonvalossa.
jätevesien puhdistaminen on yksi onnistuneimmista aurinkokennojen valokemiallisista sovelluksista. Tekniikkaa on validoitu rakentamalla suuria pilottilaitoksia. Solar photocatalysis lupaa olla tärkeä läpimurto aurinkoprosessien toteuttamisessa, kun erityinen aurinkoenergiateknologia vedenkäsittelyyn tulee kaupallisesti saataville. Markkina-analyysit osoittavat, että tällä ympäristöystävällisellä teknologialla, joka voi tuhota monet ongelmallisimmista pysyvistä orgaanisista yhdisteistä, on lukuisia mahdollisia sovelluksia. Ei ole epäilystäkään siitä, että Fotokatalyyttinen veden detoksifikaatio on täynnä lupausta, kuten viimeisten 10 vuoden aikana tapahtunut edistys osoittaa.
auringon fotokatalyysin historiallista kehitystä koskeva analyysi kuitenkin tunnistaa selvästi kolme eri kehitysvaihetta. Aurinkotietoisten tutkijoiden ensimmäiset ponnistelut keskittyivät laboratoriotutkimuksen siirtämiseen aurinkoenergialla toteutettuun testaukseen olemassa olevalla teknologialla. Ensimmäiset tulokset herättivät innostusta valokemiallisessa tutkimusyhteisössä. Niiden ekstrapolointi käytännön tilanteisiin olettaa kykyä hajottaa lähes kaikki orgaaniset epäpuhtaudet sekä joitakin metalleja. Myöhemmin kehitettiin soveltuvampia kerääjiä ja malleja, mutta tarve tietää reaktion tiettyjen osa-alueiden perusteet johti yhä useampiin tutkimuksiin kinetiikasta, mekanismeista, seosten suorituskyvystä ja toimintaparametreista ristiriitaisin tuloksin. Kausi oli sekä lupaavien että lannistavien tulosten jakso. Kolmannessa vaiheessa, joka näyttää olevan käynnissä, määritellään sovellusten reunaehdot, ja teknologia keskittyy tiettyihin alkuperäisiin sovelluksiin, sillä erityispiirteellä, että varhainen kehitys ja ratkaisemattomat kysymykset elävät rinnakkain teknologian lähes kaupallisten ja teollisten sovellusten kanssa. Tämän seurauksena ympäristömarkkinat, vaikka ne ovatkin hyvin vastaanottavaisia puhtaille energiavaroille, ovat haluttomia hyväksymään tällaista ”riskinottoa” koskevaa aloitetta.