5.1 szennyvízkezelés
a hidroxilgyök (•OH) a szerves szubsztrát oxidációjáért felelős fő közbenső reakció. A szabad gyök HO2 * és konjugált O2 * – szintén részt vesznek a lebomlási folyamatokban, de sokkal kevésbé reaktívak, mint a szabad hidroxilgyökök. Ezek a gyökök erősen reagálnak a legtöbb szerves anyaggal hidrogén absztrakcióval vagy kettős kötések elektrofil hozzáadásával. A szabad gyökök tovább reagálnak a molekuláris oxigénnel, hogy peroxi-gyököt kapjanak, megindítva az oxidatív degradációs reakciók sorozatát, amelyek a szennyező anyag teljes mineralizációjához vezethetnek. Ezenkívül a hidroxilgyökök megtámadhatják az aromás gyűrűket a halogén által elfoglalt pozíciókban, fenol homológot generálva. A vezetősáv elektronjai reduktív útvonalakkal is lebonthatják a szerves vegyületeket.
általában a lebontható vegyületek típusai közé tartoznak az alkánok, a haloalkánok, az alifás alkoholok, a karbonsavak, az alkének, az aromás anyagok, a haloaromatikumok, a polimerek, a felületaktív anyagok, a peszticidek és a festékek. A (15) egyenlet általában igaz a CnHmOpXq általános képletű halogénezett szerves vegyületre:
fotodegradáció esetén a kiindulási szerves vegyület átalakítása kívánatos annak toxicitásának és perzisztenciájának kiküszöbölése érdekében, de a fő cél az összes szennyező anyag mineralizálása. Ezenkívül az Általános reakcióra javasolt sztöchiometria (Eq. 15) minden esetben megfelelő tömegmérleggel kell igazolni. Reactives és termékek elveszhetnek, ami megbízhatatlan eredményeket. A mineralizációs sebességet szervetlen vegyületek, például CO2, Cl−, SO42−, NO3− és PO43−monitorozásával határozzák meg. Amikor a szerves anyagok bomlanak, a kezelt vízben a szervetlen anionok koncentrációjának sztöchiometrikus növekedése keletkezik, és nagyon gyakran nő a hidrogénionok koncentrációja (a pH csökkenése). Annak bizonyítására, hogy nincsenek termékveszteségek, a mólarány összhangban kell lennie a szerves szubsztrát szerkezetével. A teljes mineralizáció hiányát csak az s-triazin herbicidek esetében figyelték meg, amelyek esetében a kapott végtermék lényegében 1,2,5-triazin-2,4,6-trihidroxi (cianursav), amely nem mérgező. Ennek oka a triazin mag erős stabilitása, amely ellenáll a legtöbb oxidációs módszernek. A nitrogéntartalmú molekulák mineralizálódnak NH4 + és NO3 -. Az ammóniumionok viszonylag stabilak, és az arány elsősorban a nitrogén kezdeti oxidációs fokától és a besugárzási időtől függ. Az aromás gyűrű lebomlásából származó alifás fragmentumok elemzése főként formiát – és acetátionokat tárt fel. Más alifatikumokat (feltehetően savakat, diacidokat és hidroxilált vegyületeket) is találtak. A formiát és az acetát ionok meglehetősen stabilak, ami részben megmagyarázza, hogy a teljes mineralizáció sokkal hosszabb ideig tart, mint a dearomatizáció.
a vízben lévő szerves szennyező anyagok fotokatalitikus mineralizációja az UV sugárzás és a félvezető katalizátorok kölcsönhatásának felhasználásával jelentős potenciállal rendelkezik a vízben lévő mérgező szerves anyagok ipari megsemmisítésében, és az alkalmazások és a célvegyületek száma számos. A közepes vagy magas napsugárzású területeken a napsugárzás méregtelenítése hasznos a több száz milligramm / liter maximális szerves koncentrációjú víz, a nem biológiai lebontható szennyeződések és a szerves anyagok összetett keverékeiben jelen lévő veszélyes szennyeződések kezelésére. Az elmúlt 20 évben a világ minden tájáról származó csoportok által végzett intenzív kutatások eredményeként a szoláris méregtelenítés jó megoldás, sok érdekes alkalmazással. Az elmúlt évtizedben több ezer publikáció és szabadalom jelent meg a mérgező és veszélyes vegyületek vízből és levegőből történő heterogén fotokatalitikus eltávolításáról. Néhány példa a fenolok és klór-fenolok, klórozott szénhidrogének, gyógyszerészeti vegyületek (antibiotikumok, daganatellenes szerek és egyéb veszélyes gyógyszeripari hulladékok), agrokémiai hulladékok (peszticidek) és cianidok. Ezeket ipari mennyiségben állítják elő olyan eljárásokban, mint a fenol-formaldehid gyanták, illékony szerves vegyület (VOC) mosók gyártása, PVC gyártás, favédő hulladék, tengeri tartályterminálok és csővezetékek tisztítása, valamint peszticidek és öblítővíz gyártása az alkalmazásukhoz használt berendezésekből.
itt a peszticideket példaként használják a nap fotokatalízis gyakorlati alkalmazásának bemutatására. Bár a peszticideket és általában az agrokémiai vegyületeket az 1950-es és 1960-as évek óta kimutatták a vízben, az elmúlt 15 évben használatuk drámaian megnőtt az egész világon, és 5 évente majdnem megduplázódott 1975 óta. Az ENSZ becslése szerint a mezőgazdaságban használt összes növényvédő szer kevesebb, mint 1% – A jut el a növényekhez. A maradék szennyezi a földet, a levegőt és különösen a vizet. Ezért a víz peszticid-szennyezése napjaink egyik legnagyobb környezeti problémája, széles körű ökológiai következményekkel jár. Azokon a területeken, ahol a mezőgazdaság intenzív, a következők a vízszennyezés fő forrásai:
növényvédőszer-kezelés mint rutin mezőgazdasági gyakorlat: körülbelül 0,2 tonna/ha-t alkalmaznak az intenzív mezőgazdaságban klasszikus permetezéssel vagy az öntözővezetékben.
tartályokból és permetező berendezésekből származó peszticidekkel szennyezett öblítővíz: az üres tartályokban maradt peszticidek kis mennyisége (kb. 70 egység/ha) jellemzően a környezetbe kerül.
mezőgazdasági szennyvíz: A gyümölcsök és zöldségek csomagolás előtti tisztításából vagy utókezeléséből származó víz körülbelül 1 m3/nap/ha szennyvizet termel.
növényvédő szerekkel szennyezett növényi hulladék: becslések szerint 30 tonna/ha/év kezeletlen növényi hulladékot általában hulladéklerakókban ártalmatlanítanak.
az egyik legnagyobb probléma az üres növényvédőszer-tartályok ellenőrizetlen lerakása. Bár az egyes tartályokban maradt peszticid mennyisége nagyon kicsi, évente milliókat dobnak ki, így ez az egyik legfontosabb szennyezési forrás az ilyen típusú mezőgazdasággal rendelkező területeken. A javasolt megoldás a szelektív gyűjtés és az újrahasznosító üzembe történő szállítás, ahol a későbbi újrafelhasználás céljából öblítik őket. A kapott öblítővizet, amelyet a peszticidek különböző keverékei szennyeznek, kezelni kell. Ezért egyszerű, olcsó és hozzáférhető technológiákra van szükség az ilyen víz in situ kezeléséhez. A herbicideket hagyományosan granulált vagy porított aktív szénnel, nanoszűréssel, ózonozással stb., de ezeknek a folyamatoknak az alkalmazhatóság, a hatékonyság és a költségek eredendő korlátai vannak. Másrészt az ártalmatlanításukkal kapcsolatos problémák meglehetősen jól alkalmazhatók a nap fotokatalitikus kezelésére a következő okok miatt: i. a peszticid kezdeti koncentrációja az azonos vízzel mosott tartályok számának függvényében szabályozható, így kiválasztható az optimális fotokatalitikus hatékonysághoz legmegfelelőbb koncentráció; ii. a toxicitás rendkívüli, kis térfogatú és jól meghatározott helyen van; iii. az ilyen pontszennyező forrásokat ideális esetben kis léptékű tisztító egységekben lehet kezelni;; iv) az üvegházak intenzív mezőgazdasága általában napos országokban koncentrálódik.
a napenergia-detoxikáció hatékonynak bizonyult a gyógyszeripari hulladékok nagy részében található halogénezett oldószerek lebontásában és a VOC-kibocsátásban. A környezetvédelmi előírások és irányelvek arra ösztönzik az ipari vezetőket, hogy ellenőrizzék a VOC-kibocsátást. Az egyik VOC-kibocsátás-csökkentési módszer a nedves súrolás, de a mosókból származó szennyezett vizet kezelni kell. Ezt könnyen meg lehet tenni a napenergia méregtelenítés. A halogénezett hulladékok másik forrása a halokomponens gyártása. A hulladék a teljes termelés alacsony százalékában becsülhető, 100-200 mg/liter oldatban. PVC, például, termel 2,5 m3 szennyvíz szennyvíz szennyezett rövid láncú polimerek vagy PVC monomer minden tonna PVC. Egy megvalósíthatósági tanulmány megállapította, hogy egy 6 m2-es fotoreaktor teljes mértékben mineralizálhat 100 mg/liter kloroformot 250 liter szennyvízben 8 óra napfényben.
a vízszennyezés fertőtlenítése a nap fotonjainak egyik legsikeresebb fotokémiai alkalmazása. A technológiát nagy kísérleti üzemek építésével validálták. A napelemes fotokatalízis fontos áttörést ígér a napenergia-folyamatok megvalósításában, mivel a vízkezelés speciális napenergia-technológiája kereskedelmi forgalomban elérhetővé válik. A piaci elemzések azt mutatják, hogy ennek a környezetbarát technológiának, amely a legproblémásabb, tartósan megmaradó szerves szennyező anyagok közül sokat elpusztíthat, számos lehetséges alkalmazása van. Nem kétséges, hogy a fotokatalitikus víz méregtelenítése tele van ígéretekkel, amint azt az elmúlt 10 év során elért haladás is mutatja.
a nap fotokatalízisének történeti evolúciójának elemzése azonban egyértelműen azonosítja a fejlődés három különböző szakaszát. A naptudatos kutatók kezdeti erőfeszítései arra összpontosítottak, hogy a laboratóriumi kutatásokat a meglévő technológiával végzett napelemes tesztelésre helyezzék át. Ezek az első eredmények izgalmat keltettek a fotokémiai kutatói közösségben. A gyakorlati helyzetekre való extrapolációjuk szinte bármilyen szerves szennyező anyag, valamint egyes fémek lebontásának képességét feltételezte. Később megfelelőbb gyűjtőket és terveket fejlesztettek ki, de a reakció bizonyos aspektusainak alapjainak ismerete egyre több vizsgálatot eredményezett a kinetika, a mechanizmusok, a keverékek teljesítménye és a működési paraméterek vegyes eredményekkel. Ez az időszak ígéretes és elbátortalanító eredményeket hozott. A harmadik szakaszban, amely úgy tűnik, hogy folyamatban van, meghatározzák az alkalmazások határfeltételeit, és a technológia egy konkrét kezdeti alkalmazásra összpontosít, azzal a sajátossággal, hogy a korai fejlesztés és a megoldatlan kérdések együtt élnek a technológia közel Kereskedelmi és ipari alkalmazásával. Ennek eredményeként a környezetvédelmi piac, bár nagyon fogékony a tiszta energiaforrásokra, vonakodik elfogadni egy ilyen “kockázatvállaló” kezdeményezést.