5.1 avloppsrening
hydroxylradikalen (•OH) är den huvudsakliga mellanliggande reaktiva ansvarig för organisk substratoxidation. Den fria radikalen HO2 * och dess konjugat O2•− är också involverade i nedbrytningsprocesser men är mycket mindre reaktiva än fria hydroxylradikaler. Dessa radikaler reagerar starkt med de flesta organiska ämnen genom väteabstraktion eller elektrofil tillsats till dubbelbindningar. Fria radikaler reagerar vidare med molekylärt syre för att ge en peroxiradikal och initierar en sekvens av oxidativa nedbrytningsreaktioner som kan leda till fullständig mineralisering av föroreningen. Dessutom kan hydroxylradikaler attackera aromatiska ringar vid positioner upptagna av en halogen och generera en fenolhomolog. Elektronerna i ledningsbandet kan också bryta ned organiska föreningar genom reduktiva vägar.
i allmänhet innefattar de typer av föreningar som kan brytas ned alkaner, haloalkaner, alifatiska alkoholer, karboxylsyror, alkener, aromater, haloaromatika, polymerer, ytaktiva ämnen, bekämpningsmedel och färgämnen. Ekvation (15) gäller i allmänhet för en halogenerad organisk förening med den allmänna formeln CnHmOpXq:
vid fotodegradering är transformation av moderorganiska föreningen önskvärd för att eliminera dess toxicitet och uthållighet, men huvudmålet är att mineralisera alla föroreningar. Dessutom föreslog stökiometrin för den allmänna reaktionen (Eq. 15) måste påvisas i varje enskilt fall genom en korrekt massbalans. Reaktiver och produkter kan gå förlorade, vilket ger otillförlitliga resultat. Mineraliseringshastigheten bestäms genom övervakning av oorganiska föreningar, såsom CO2, Cl−, SO42−, NO3− och PO43−. När organiska ämnen sönderdelas produceras en stökiometrisk ökning av koncentrationen av oorganiska anjoner i det behandlade vattnet, och mycket ofta ökar koncentrationen av vätejoner (minskning av pH). För att visa att det inte finns några produktförluster måste molförhållandet överensstämma med den organiska substratstrukturen. Frånvaron av total mineralisering har endast observerats i fallet med s-triazinherbicider, för vilka den erhållna slutprodukten är väsentligen 1,2,5-triazin-2,4,6-trihydroxi (cyanursyra), vilket inte är giftigt. Detta beror på den starka stabiliteten hos triazinkärnan, som motstår de flesta oxidationsmetoder. Kväveinnehållande molekyler mineraliseras till NH4 + och NO3−. Ammoniumjoner är relativt stabila och andelen beror huvudsakligen på den initiala oxidationsgraden av kväve och på bestrålningstiden. Analyser av alifatiska fragment som härrör från nedbrytningen av den aromatiska ringen har huvudsakligen avslöjat formiat-och acetatjoner. Andra alifatik (förmodligen syror, disyror och hydroxylerade föreningar) har också hittats. Formate-och acetatjoner är ganska stabila, vilket delvis förklarar varför total mineralisering tar mycket längre tid än dearomatisering.
Solfotokatalytisk mineralisering av organiska föroreningar i vatten, med användning av interaktionen mellan UV-strålning och halvledarkatalysatorer, har stor potential vid industriell förstöring av giftiga organiska ämnen i vatten, och antalet applikationer och målföreningar är många. I områden med medelhög till hög solstrålning är solavgiftning användbar för behandling av vatten med en maximal organisk koncentration av flera hundra milligram per liter, icke-nedbrytbara föroreningar och farliga föroreningar som finns i komplexa blandningar av organiska ämnen. Som ett resultat av intensiv forskning som utförts av grupper över hela världen under de senaste 20 åren är solavgiftning en bra lösning med många intressanta tillämpningar. Under det senaste decenniet har det funnits tusentals publikationer och patent på heterogen fotokatalytisk avlägsnande av giftiga och farliga ämnen från vatten och luft. Några exempel är fenoler och klorfenoler, klorerade kolväten, farmaceutiska föreningar (antibiotika, antineoplastikoch annat farligt läkemedelsavfall), agrokemiskt avfall (bekämpningsmedel) och cyanider. De produceras i industriella kvantiteter i processer som tillverkning av fenolformaldehydhartser, flyktiga organiska föreningar (VOC) skrubber, PVC-produktion, träbevarande avfall, rengöring av marina tankterminaler och rörledningar och tillverkning av bekämpningsmedel och sköljvatten från den utrustning som används för deras tillämpning.
här används bekämpningsmedel som ett exempel för att demonstrera den praktiska tillämpningen av solfotokatalys. Även om bekämpningsmedel och agrokemiska föreningar i allmänhet har upptäckts i vatten sedan 1950-och 1960-talet, har användningen under de senaste 15 åren ökat dramatiskt över hela världen och har nästan fördubblats vart 5: e år sedan 1975. FN uppskattar att av alla bekämpningsmedel som används i jordbruket når mindre än 1% faktiskt grödorna. Resten slutar förorena mark, luft och särskilt vatten. Därför är bekämpningsmedelsförorening av vatten ett av dagens största miljöproblem, med omfattande ekologiska konsekvenser. I områden där jordbruket är intensivt är följande viktiga källor till vattenföroreningar:
Bekämpningsmedelsbehandling som rutinmässig jordbrukspraxis: cirka 0,2 ton/ha appliceras vanligtvis i intensivt jordbruk genom klassisk sprutning eller i bevattningsledningen.
sköljvatten förorenat med bekämpningsmedel från behållare och sprututrustning: små mängder bekämpningsmedel som finns kvar i tomma behållare (Cirka 70 enheter/ha) spills vanligtvis ut i miljön.
avloppsvatten från jordbruksindustrin: Vatten från rengöring eller efterskördning av frukt och grönsaker före förpackning ger cirka 1 m3/dag/ha avloppsvatten.
växtavfall förorenat med bekämpningsmedel: det uppskattas att 30 ton/ha/år obehandlat växtavfall normalt bortskaffas på deponier.
ett av de största problemen är okontrollerad dumpning av tomma bekämpningsmedelsbehållare. Även om mängden bekämpningsmedel som finns kvar i varje behållare är mycket liten dumpas miljoner av dem varje år, vilket gör den till en av de viktigaste föroreningskällorna i områden med denna typ av jordbruk. En föreslagen lösning är deras selektiva insamling och transport till en återvinningsanläggning, där de sköljs för senare återanvändning. Det resulterande sköljvattnet, förorenat av de olika blandningarna av bekämpningsmedel, måste behandlas. Enkel, billig och tillgänglig teknik för in situ-behandling av sådant vatten är därför nödvändigt. Herbicider avlägsnas traditionellt från vatten med granulärt eller pulveriserat aktivt kol, nanofiltrering, ozonering etc., men dessa processer har inneboende begränsningar i tillämplighet, effektivitet och kostnader. Å andra sidan är problemen i samband med bortskaffandet ganska väl lämpade för solfotokatalytisk behandling av följande skäl: (i) den ursprungliga bekämpningsmedelskoncentrationen kan kontrolleras som en funktion av antalet behållare som tvättas med samma vatten, så den lämpligaste koncentrationen för optimal fotokatalytisk effektivitet kan väljas; (ii) toxicitet är extrem, låg volym och på en väldefinierad plats; (iii) sådana punktkällor för förorening kan helst behandlas i småskaliga behandlingsenheter; och (iv) intensivt jordbruk i växthus är vanligtvis koncentrerat i soliga länder.
Solavgiftning har också visat effektivitet vid nedbrytningen av de halogenerade lösningsmedlen som finns i mycket av läkemedelsindustrins avfall och VOC-utsläpp. Miljöbestämmelser och direktiv Driver industrichefer för att kontrollera VOC-utsläpp. En av VOC-utsläppskontrollmetoderna är våtskrubbning, men det förorenade vattnet från skrubberna måste behandlas. Detta kan lätt göras genom solavgiftning. En annan källa till halogenerat avfall är tillverkning av halokomponenter. Avfallet kan uppskattas som en låg andel av den totala produktionen, upplöst vid 100-200 mg/liter. PVC producerar till exempel 2,5 m3 avloppsvatten förorenat med kortkedjiga polymerer eller PVC-monomer för varje ton PVC. En genomförbarhetsstudie bestämde att en 6-m2 fotoreaktor helt kan mineralisera 100 mg/liter kloroform i 250 liter avloppsvatten i 8 timmar solljus.
dekontaminering av vattenavlopp är en av de mest framgångsrika fotokemiska tillämpningarna av solfotoner. Tekniken har validerats med byggandet av stora pilotanläggningar. Solfotokatalys lovar att vara ett viktigt genombrott i implementeringen av solprocesser eftersom en specifik solteknik för vattenbehandling blir kommersiellt tillgänglig. Marknadsanalyser visar att denna miljövänliga teknik, som kan förstöra många av de mest problematiska långlivade organiska föroreningarna, har många potentiella tillämpningar. Det råder ingen tvekan om att avgiftning av fotokatalytisk vatten är full av löfte, vilket framgår av de framsteg som gjorts under de senaste 10 åren.
en analys av den historiska utvecklingen av solfotokatalys identifierar emellertid tydligt tre olika utvecklingsstadier. Initiala ansträngningar från solmedvetna forskare fokuserade på att överföra laboratorieforskning till solkonstruerad testning med befintlig teknik. Dessa första resultat gav spänning i det fotokemiska forskarsamhället. Deras extrapolering till praktiska situationer antog en förmåga att bryta ner nästan alla organiska föroreningar såväl som vissa metaller. Senare utvecklades mer lämpliga samlare och mönster, men behovet av att känna till grunden för vissa aspekter av reaktionen ledde till ett ökande antal studier om kinetik, mekanismer, prestanda av blandningar och driftsparametrar med blandade resultat. Det var en period med både lovande och nedslående resultat. I det tredje steget, som verkar vara på gång, bestäms gränsvillkoren för applikationer, och tekniken fokuserar på specifika initiala applikationer, med det särdrag att tidig utveckling och olösta frågor samexisterar med nästan kommersiella och industriella tillämpningar av tekniken. Som ett resultat är miljömarknaden, även om den är mycket mottaglig för rena energiresurser, ovillig att acceptera ett sådant ”risktagande” initiativ.