Rodnik hydroksylowy

5.1 Oczyszczanie ścieków

Rodnik hydroksylowy (•OH) jest głównym pośrednim reaktywnym odpowiedzialnym za utlenianie substratów organicznych. Wolne rodniki HO2 * i jego koniugat O2• – również biorą udział w procesach degradacji, ale są znacznie mniej reaktywne niż wolne rodniki hydroksylowe. Rodniki te reagują silnie z większością substancji organicznych poprzez pobór wodoru lub dodanie elektrofilowe do wiązań podwójnych. Wolne rodniki dalej reagują z cząsteczkowym tlenem, dając Rodnik nadtlenkowy, inicjując sekwencję reakcji degradacji oksydacyjnej, które mogą prowadzić do całkowitej mineralizacji zanieczyszczenia. Ponadto rodniki hydroksylowe mogą atakować pierścienie aromatyczne w miejscach zajmowanych przez halogen, wytwarzając homologi fenolowe. Elektrony pasma przewodnictwa mogą również degradować związki organiczne poprzez drogi redukcyjne.

w fotodegradacji pożądane jest przekształcenie macierzystego związku organicznego w celu wyeliminowania jego toksyczności i trwałości, ale głównym celem jest mineralizacja wszystkich zanieczyszczeń. Ponadto Stechiometria proponowana dla reakcji ogólnej (Eq. 15) w każdym przypadku należy wykazać prawidłowy bilans masowy. Reaktory i produkty mogą zostać utracone, powodując niewiarygodne wyniki. Szybkość mineralizacji jest określana przez monitorowanie związków nieorganicznych, takich jak CO2, CL−, SO42−, NO3− i PO43−. Gdy substancje organiczne ulegają rozkładowi, w oczyszczonej wodzie powstaje stechiometryczny wzrost stężenia anionów nieorganicznych, a bardzo często następuje wzrost stężenia jonów wodorowych (spadek pH). Aby wykazać, że nie ma strat produktu, stosunek molowy musi być zgodny ze strukturą substratu organicznego. Brak całkowitej mineralizacji zaobserwowano tylko w przypadku herbicydów s-triazynowych, dla których otrzymanym produktem końcowym jest zasadniczo 1,2,5-triazyno-2,4,6-trihydroksy (Kwas cyjanurowy), który nie jest toksyczny. Wynika to z silnej stabilności jądra triazyny, które jest odporne na większość metod utleniania. Cząsteczki zawierające azot są mineralizowane do NH4+ i NO3−. Jony amonowe są stosunkowo stabilne, a ich udział zależy głównie od początkowego stopnia utleniania azotu i czasu napromieniowania. Analizy fragmentów alifatycznych powstałych w wyniku degradacji pierścienia aromatycznego ujawniły głównie jony mrówczanowe i octanowe. Znaleziono również inne alifaty (prawdopodobnie kwasy, diacydy i związki hydroksylowane). Mrówczan i jony octanu są raczej stabilne, co częściowo wyjaśnia, dlaczego całkowita mineralizacja trwa znacznie dłużej niż dearomatyzacja.

słoneczna fotokatalityczna mineralizacja zanieczyszczeń organicznych w wodzie, z wykorzystaniem interakcji promieniowania UV i katalizatorów półprzewodnikowych, ma duży potencjał w przemysłowym niszczeniu toksycznych substancji organicznych w wodzie, a liczba zastosowań i związków docelowych jest liczne. W obszarach o średnim i wysokim promieniowaniu słonecznym detoksykacja słoneczna jest przydatna do uzdatniania wody o maksymalnym stężeniu organicznym kilkuset miligramów na litr, zanieczyszczeń niebiodegradowalnych i niebezpiecznych zanieczyszczeń obecnych w złożonych mieszaninach substancji organicznych. W wyniku intensywnych badań przeprowadzonych przez grupy na całym świecie w ciągu ostatnich 20 lat, detoksykacja słoneczna jest dobrym rozwiązaniem o wielu ciekawych zastosowaniach. W ciągu ostatniej dekady opublikowano tysiące publikacji i patentów dotyczących heterogenicznego fotokatalitycznego usuwania toksycznych i niebezpiecznych związków z wody i powietrza. Niektóre przykłady to fenole i chlorofenole, chlorowane węglowodory, związki farmaceutyczne (antybiotyki, leki przeciwnowotworowe i inne niebezpieczne odpady farmaceutyczne), odpady agrochemiczne (pestycydy) i cyjanki. Są one wytwarzane w ilościach przemysłowych w procesach takich jak wytwarzanie żywic fenolowo-formaldehydowych, lotnych związków organicznych (LZO), produkcja PVC, odpady konserwujące Drewno, czyszczenie terminali zbiorników morskich i rurociągów oraz produkcja pestycydów i płukanie wody z urządzeń używanych do ich stosowania.

tutaj pestycydy są używane jako przykład do wykazania praktycznego zastosowania fotokatalizy słonecznej. Chociaż pestycydy i ogólnie związki agrochemiczne były wykrywane w wodzie od lat 50. i 60. XX wieku, w ciągu ostatnich 15 lat ich stosowanie znacznie wzrosło na całym świecie i prawie podwoiło się co 5 lat od 1975 roku. Organizacja Narodów Zjednoczonych szacuje, że ze wszystkich pestycydów stosowanych w rolnictwie mniej niż 1% faktycznie trafia do upraw. Reszta kończy się zanieczyszczeniem ziemi, powietrza, a zwłaszcza wody. W związku z tym zanieczyszczenie wody pestycydami jest jednym z największych dzisiejszych problemów środowiskowych, z powszechnymi konsekwencjami ekologicznymi. Na obszarach, gdzie rolnictwo jest intensywne, głównymi źródłami zanieczyszczenia wody są:

stosowanie pestycydów jako rutynowej praktyki rolniczej: około 0,2 Tony/ha jest zwykle stosowane w intensywnym rolnictwie poprzez klasyczne opryskiwanie lub w rurociągu nawadniającym.

spłucz wodę zanieczyszczoną pestycydami z pojemników i urządzeń do rozpylania: Niewielkie ilości pestycydów pozostające w pustych pojemnikach (około 70 jednostek/ha) są zazwyczaj rozlewane do środowiska.

ścieki z branży rolniczej: Woda z oczyszczania lub oczyszczania owoców i warzyw przed pakowaniem wytwarza około 1 m3/dobę / ha ścieków.

odpady roślinne skażone pestycydami: szacuje się, że 30 ton/ha/rok nieprzetworzonych odpadów roślinnych jest zwykle składowanych na składowiskach.

jednym z głównych problemów jest niekontrolowane wyrzucanie pustych pojemników na pestycydy. Chociaż ilość pestycydów pozostała w każdym pojemniku jest bardzo mała, miliony z nich są wyrzucane każdego roku, co czyni je jednym z najważniejszych źródeł zanieczyszczeń na obszarach o tego typu rolnictwie. Proponowanym rozwiązaniem jest ich selektywna zbiórka i transport do zakładu recyklingu, gdzie są płukane do późniejszego ponownego użycia. Powstałą wodę do płukania, zanieczyszczoną różnymi mieszaninami pestycydów, należy poddać obróbce. Niezbędne są zatem proste, niedrogie i dostępne technologie do uzdatniania takiej wody in situ. Herbicydy są tradycyjnie usuwane z wody za pomocą granulowanego lub sproszkowanego węgla aktywnego, nanofiltracji, ozonowania itp., ale procesy te mają nieodłączne ograniczenia zastosowania, skuteczności i kosztów. Z drugiej strony problemy związane z ich usuwaniem są dość dobrze dostosowane do fotokatalitycznej obróbki słonecznej z następujących powodów: (i) początkowe stężenie pestycydów może być kontrolowane w funkcji liczby pojemników przemytych tą samą wodą, więc można wybrać najbardziej odpowiednie stężenie dla optymalnej wydajności fotokatalitycznej; (ii) toksyczność jest ekstremalna, niska objętość iw dobrze określonym miejscu; (iii) takie punktowe źródła zanieczyszczeń mogą być idealnie traktowane w małych jednostkach obróbki; I (iv) intensywne rolnictwo w szklarniach jest zwykle skoncentrowane w krajach nasłonecznionych.

detoksykacja Słoneczna wykazała również skuteczność w degradacji chlorowcowanych rozpuszczalników występujących w dużej części odpadów przemysłu farmaceutycznego i emisji LZO. Przepisy i dyrektywy środowiskowe zmuszają menedżerów przemysłowych do kontrolowania emisji LZO. Jedną z metod kontroli emisji LZO jest płukanie na mokro, ale zanieczyszczona woda z płuczek musi zostać oczyszczona. Można to łatwo zrobić przez detoksykację słoneczną. Innym źródłem halogenowanych odpadów jest wytwarzanie halokompoundów. Odpady można oszacować jako niski procent całkowitej produkcji, rozpuszczony na poziomie 100-200 mg / litr. Na przykład PVC wytwarza 2,5 m3 ścieków zanieczyszczonych krótkołańcuchowymi polimerami lub monomerem PVC na każdą tonę PVC. Studium wykonalności wykazało, że fotoreaktor o powierzchni 6 m2 może całkowicie mineralizować 100 mg/litr chloroformu w 250 litrach ścieków w ciągu 8 godzin światła słonecznego.

odkażanie ścieków jest jednym z najbardziej udanych zastosowań fotochemicznych fotonów słonecznych. Technologia została potwierdzona przy budowie dużych instalacji pilotażowych. Fotokataliza słoneczna zapowiada się na ważny przełom we wdrażaniu procesów słonecznych, ponieważ specyficzna technologia słoneczna do uzdatniania wody staje się dostępna w handlu. Analizy rynkowe pokazują, że ta przyjazna dla środowiska technologia, która może zniszczyć wiele najbardziej problematycznych trwałych zanieczyszczeń organicznych, ma wiele potencjalnych zastosowań. Nie ma wątpliwości, że fotokatalityczna detoksykacja wody jest pełna obietnic, o czym świadczą postępy poczynione w ciągu ostatnich 10 lat.

jednak analiza historycznej ewolucji fotokatalizy słonecznej wyraźnie identyfikuje trzy różne etapy rozwoju. Początkowe wysiłki badaczy świadomych energii słonecznej koncentrowały się na przeniesieniu badań laboratoryjnych do testów inżynierii słonecznej za pomocą istniejącej technologii. Te pierwsze wyniki wywołały emocje w środowisku badań fotochemicznych. Ich ekstrapolacja na sytuacje praktyczne zakładała zdolność do degradacji prawie każdego zanieczyszczenia organicznego, a także niektórych metali. Później opracowano bardziej odpowiednie kolektory i konstrukcje, ale potrzeba poznania podstaw niektórych aspektów reakcji doprowadziła do coraz większej liczby badań nad kinetyką, mechanizmami, wydajnością mieszanin i parametrami operacyjnymi z mieszanymi wynikami. Był to okres obiecujących i zniechęcających wyników. W trzecim etapie, który wydaje się być w toku, ustalane są warunki brzegowe zastosowań, a technologia koncentruje się na konkretnych początkowych zastosowaniach, ze szczególnym uwzględnieniem tego, że wczesny rozwój i nierozwiązane kwestie współistnieją z niemal komercyjnymi i przemysłowymi zastosowaniami technologii. W rezultacie rynek ochrony Środowiska, choć bardzo podatny na czyste zasoby energii, niechętnie akceptuje taką inicjatywę „zakładającą ryzyko”.