✖


Jump to content

Расширенный процесс окисления

Процессы усовершенствованного окисления ( АОП ) в широком смысле представляют собой набор процедур химической обработки, предназначенных для удаления органических (а иногда и неорганических) материалов из воды и сточных вод путем окисления посредством реакций с гидроксильными радикалами (·ОН). [1] Однако в реальных приложениях очистки сточных вод этот термин обычно относится более конкретно к подмножеству таких химических процессов, в которых используются озон (O 3 ), перекись водорода (H 2 O 2 ) и ультрафиолетовый свет. [2] или сочетание нескольких процессов. [3]

Описание

[ редактировать ]

АОП основаны на на месте производстве высокореактивных гидроксильных радикалов (·ОН) или других окислительных соединений для окисления загрязняющих веществ. Эти химически активные вещества могут применяться в воде и могут окислять практически любое соединение, присутствующее в водной матрице, часто со скоростью реакции, контролируемой диффузией. Следовательно, ·OH после образования реагирует неселективно, и загрязняющие вещества будут быстро и эффективно фрагментироваться и превращаться в небольшие неорганические молекулы. Гидроксильные радикалы производятся с помощью одного или нескольких первичных окислителей (например , озона , перекиси водорода , кислорода ) и/или источников энергии (например, ультрафиолетового света) или катализаторов (например, диоксида титана ). Точные, заранее запрограммированные дозировки, последовательности и комбинации этих реагентов применяются для получения максимального выхода •OH. В целом, при применении в правильно настроенных условиях АОП могут снизить концентрацию загрязняющих веществ с нескольких сотен частей на миллион до менее 5 частей на миллиард и, следовательно, значительно снизить ХПК и ТОС , что заслужило признание «процессов очистки воды 21 века». ". [4]

Процедура АОП особенно полезна для очистки биологически токсичных или неразлагаемых материалов, таких как ароматические соединения , пестициды , компоненты нефти и летучие органические соединения в сточных водах. [5] Кроме того, АОП можно использовать для очистки сточных вод вторичной очистки, которые затем называются третичной очисткой . [6] Загрязняющие материалы в значительной степени превращаются в стабильные неорганические соединения, такие как вода, углекислый газ и соли, т.е. подвергаются минерализации . Целью очистки сточных вод с помощью процедур АОП является снижение содержания химических загрязнений. [7] и токсичность до такой степени, что очищенные сточные воды могут быть повторно введены в эксплуатацию. [8] в приемные потоки или, по крайней мере, в традиционную очистку сточных вод .

Хотя процессы окисления с участием ·OH использовались с конца 19 века (например, реактив Фентона , который использовался в то время в качестве аналитического реагента), использованию таких окислительных соединений при очистке воды не уделялось должного внимания до тех пор, пока Glaze et al. . [1] предположил возможное образование ·OH «в достаточном количестве, чтобы повлиять на очистку воды» и впервые определил термин «процессы продвинутого окисления» в 1987 году. АОП до сих пор не нашли коммерческого использования в больших масштабах (особенно в развивающихся странах). ) и по сей день главным образом из-за относительно высоких сопутствующих затрат. Тем не менее, его высокая окислительная способность и эффективность делают АОП популярным методом третичной очистки, при котором необходимо удалить наиболее стойкие органические и неорганические загрязнения. Растущий интерес к повторному использованию воды и более строгие правила в отношении загрязнения воды в настоящее время ускоряют полномасштабное внедрение АОП. В настоящее время по всему миру существует около 500 коммерческих установок АОП, в основном в Европе и США . Другие страны, такие как Китай, проявляют растущий интерес к АОП. [ нужна ссылка ]

Реакцию с использованием H 2 O 2 для образования ·OH проводят в кислой среде (2,5-4,5 pH). [9] и низкая температура (30°C - 50°C), [10] безопасным и эффективным способом с использованием оптимизированных составов катализатора и перекиси водорода.

Химические принципы

[ редактировать ]

Вообще говоря, химию в АОП можно разделить на три части: [11]

  1. Образование ·ОН;
  2. Первоначальные атаки на молекулы-мишени со стороны ·OH и их распад на фрагменты;
  3. Последующие атаки ·OH до окончательной минерализации .

Механизм производства ·OH (Часть 1) во многом зависит от используемого метода АОП. Например, озонирование, УФ/H 2 O 2, фотокаталитическое окисление и окисление Фентона основаны на разных механизмах образования ·OH:

H 2 O 2 + UV → 2·OH (гомолитический разрыв связи ОО H 2 O 2 приводит к образованию радикалов 2·OH)
HOCl + УФ → ·OH + Cl·
  • АОП на основе озона: [15]
О3 + НО − → НО2 − + O 2 (реакция между O 3 и гидроксильным ионом приводит к образованию H 2 O 2 (в заряженной форме))
О3 + НО2 − → НО2 + О3 − · (вторая молекула O 3 реагирует с HO 2 − с образованием озонидного радикала)
OО3 − · + Ч + → HO 3 · (этот радикал при протонировании переходит в ·OH)
HO 3 · → ·OH + O 2
представленные здесь этапы реакции являются лишь частью последовательности реакций, более подробную информацию см. в ссылке.
  • АОП на базе Фентона: [16]

Фе 2+ + H 2 O 2 → Fe 3+ + НО · + ОН − (инициирование реактива Фентона)

Фе 3+ + H 2 O 2 → Fe 2+ + ХОО · + Ч + (регенерация Fe 2+ катализатор)

H 2 O 2 → HO· + HOO· + H 2 O (Самоочистка и разложение H 2 O 2 )

представленные здесь этапы реакции являются лишь частью последовательности реакций, более подробную информацию см. в ссылке.

  • Фотокаталитическое окисление TiO 2 : [15]
TiO 2 + УФ → е − + ч + (облучение фотокаталитической поверхности приводит к возбуждению электрона (e − ) и электронная щель (h + ))
Ti(IV) + H 2 O ⇌ Ti(IV)-H 2 O (вода адсорбируется на поверхности катализатора).
Ti(IV)-H 2 O + h + ⇌ Ti(IV)-·OH + H + высокореактивный электронный зазор будет реагировать с водой
представленные здесь этапы реакции являются лишь частью последовательности реакций, более подробную информацию см. в ссылке.

В настоящее время нет единого мнения относительно подробных механизмов, описанных в Части 3, но исследователи пролили свет на процессы первоначальных атак в Части 2. По сути, ·OH представляет собой радикальную разновидность и должен вести себя как высокореактивный электрофил. Таким образом, предполагается, что два типа первоначальных атак — это абстракция водорода и добавление . Следующая схема, взятая из технического справочника и позже уточненная, описывает возможный механизм окисления бензола ·ОН. [17] 

Предполагаемый механизм окисления бензола гидроксильными радикалами

Схема 1. Предполагаемый механизм окисления бензола гидроксильными радикалами.

Первая и вторая стадии представляют собой электрофильное присоединение, которое разрывает ароматическое кольцо бензола (A) и образует две гидроксильные группы (–OH) в промежуточном продукте C. Позже ·OH захватывает атом водорода в одной из гидроксильных групп, образуя радикальную разновидность. (D), который склонен подвергаться перегруппировке с образованием более стабильного радикала (E). E, с другой стороны, легко подвергается атаке ·OH и в конечном итоге образует 2,4-гексадиен-1,6-дион (F). Пока имеется достаточное количество радикалов ·OH, последующие атаки на соединение F будут продолжаться до тех пор, пока все фрагменты не превратятся в конечном итоге в маленькие и стабильные молекулы, такие как H 2 O и CO 2 , но такие процессы все еще могут быть подвержены множеству возможные и частично неизвестные механизмы.

Преимущества

[ редактировать ]

АОП имеют ряд преимуществ в области очистки воды:

  • Они могут эффективно удалять органические соединения в водной фазе, а не собирать или переносить загрязняющие вещества в другую фазу.
  • Благодаря реакционной способности ·OH он реагирует со многими водными загрязнителями без различия. Таким образом, АОП применимы во многих, если не во всех, сценариях, когда необходимо одновременно удалить множество органических загрязнителей.
  • Некоторые тяжелые металлы также можно удалить в виде осажденного M(OH) x . [ нужна ссылка ]
  • В некоторых конструкциях АОП также можно обеспечить дезинфекцию , что делает эти АОП комплексным решением некоторых проблем с качеством воды.
  • Поскольку продуктом полного восстановления ·OH является H 2 O, АОП теоретически не привносят в воду никаких новых опасных веществ.

Текущие недостатки

[ редактировать ]

АОП несовершенны и имеют ряд недостатков. [18]

  • Прежде всего, стоимость АОП довольно высока, поскольку для поддержания работы большинства систем АОП требуется постоянный ввод дорогостоящих химических реагентов. В силу своей природы АОП требуют гидроксильных радикалов и других реагентов, пропорциональных количеству удаляемых загрязнений.
  • Некоторые методы требуют предварительной очистки сточных вод для обеспечения надежной работы, что может быть потенциально дорогостоящим и технически сложным. Например, наличие ионов бикарбоната (HCO 3 − ) может значительно снизить концентрацию ·OH благодаря процессам очистки , в результате которых образуется H 2 O и гораздо менее реакционноспособный компонент ·CO 3 − . [4] В результате бикарбонат должен быть удален из системы, иначе АОП пострадают.
  • Использование только АОП для обработки большого количества сточных вод нерентабельно; вместо этого АОП следует применять на заключительном этапе после того, как первичная и вторичная очистка успешно удалили большую часть загрязняющих веществ. Также проводятся текущие исследования по сочетанию АОП с биологической очисткой для снижения затрат. [19]

Будущее

[ редактировать ]

С тех пор как АОП были впервые определены в 1987 году, эта область стала свидетелем быстрого развития как в теории, так и в применении. До сих пор системы TiO 2 /УФ, системы H 2 O 2 широкое изучение получили /УФ и системы Фентона, фото-Фентона и Электро-Фентона. Тем не менее, по-прежнему существует множество потребностей в исследованиях этих существующих АОП. [ нужны разъяснения ]

Последние тенденции заключаются в разработке новых, модифицированных АОП, которые эффективны и экономичны. На самом деле, были некоторые исследования, которые предлагают конструктивные решения. Например, легирование TiO 2 неметаллическими элементами могло бы повысить фотокаталитическую активность; [20] а применение ультразвуковой обработки может способствовать образованию гидроксильных радикалов. [21] Модифицированные АОП, такие как Фентон с псевдоожиженным слоем, также продемонстрировали большой потенциал с точки зрения характеристик деградации и экономики. [22]

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Перейти обратно: а б Глейз, Уильям; Канг, Джун-Вун; Чапин, Дуглас Х. (1987). «Химия процессов очистки воды с участием озона, перекиси водорода и ультрафиолетового излучения». Озон: наука и техника . 9 (4): 335–352. Бибкод : 1987OzSE....9..335G . дои : 10.1080/01919518708552148 .
  2. ^ Национальный институт водных исследований (2000). Технологии очистки для удаления метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) из питьевой воды: Глава III. Современные процессы окисления .
  3. ^ Ли, Брэндон Чуан Йи; Лим, Фан Йи; Ло, Вэй Хао; Онг, Сай Леонг; Ху, Цзянъюн (январь 2021 г.). «Новые загрязнители: обзор последних тенденций в их обработке и управлении с использованием процессов, управляемых светом» . Вода . 13 (17): 2340. дои : 10.3390/w13172340 . ISSN   2073-4441 .
  4. ^ Перейти обратно: а б Мунтер, Рейн (2001). «Процессы продвинутого окисления – современное состояние и перспективы». Известия Эстонской академии наук. Химия . 50 (2): 59–80. дои : 10.3176/chem.2001.2.01 . S2CID   239610363 .
  5. ^ Энрик Брилласа; Ева Мур; Розер Сауледа; Лаура Санчес; Хосе Пераль; Ксавье Доменек; Хуан Касадо (март 1998 г.). «Минерализация анилина АОП: анодное окисление, фотокатализ, процессы электрофентона и фотоэлектрофентона». Прикладной катализ Б: Экология . 16 (1): 31–42. Бибкод : 1998AppCB..16...31B . дои : 10.1016/S0926-3373(97)00059-3 .
  6. ^ Перейти обратно: а б ВТМ Ауденарт; Ю. Вермеерш; SWH Ван Халле; П. Деянс; А. Дюмулен; И. Нопенс (2011). «Применение механистической модели УФ/перекиси водорода в полном масштабе: анализ чувствительности, калибровка и оценка производительности» . Химико-технологический журнал . 171 (1): 113–126. Бибкод : 2011ЧЭнЖ.171..113А . дои : 10.1016/j.cej.2011.03.071 . hdl : 1854/LU-1260447 .
  7. ^ Наддео, Винченцо; Сарра, Тициано; Ся, Дуншэн; Цай, Инцзе; Телегин Феликс Юрьевич; Первез, Мэриленд Нахид (2019). «Эффективное разложение протравы синего 9 с использованием персульфатной системы, активированной Фентоном» . Вода . 11 (12): 2532. дои : 10.3390/w11122532 . ISSN   2073-4441 .
  8. ^ «Прикоснитесь к Вирджинии, весна 2023» . www.kelmanonline.com . Проверено 12 мая 2023 г.
  9. ^ Кан, Юн Ван; Чо, Мин Юнг; Хван, Кён Ёп (1 апреля 1999 г.). «Коррекция влияния перекиси водорода на стандартный тест на химическую потребность в кислороде» . Исследования воды . 33 (5): 1247–1251. Бибкод : 1999WatRe..33.1247K . дои : 10.1016/S0043-1354(98)00315-7 . ISSN   0043-1354 .
  10. ^ Мандал, Тамал; Майты, Судакшина; Дасгупта, Далия; Датта, Сиддхартха (1 января 2010 г.). «Усовершенствованный процесс окисления и биоочистка: их роль в комбинированной очистке промышленных сточных вод» . Опреснение . 250 (1): 87–94. Бибкод : 2010Дезал.250...87М . doi : 10.1016/j.desal.2009.04.012 . ISSN   0011-9164 .
  11. ^ Мазиль, Фелисьен. «Усовершенствованные процессы окисления | SSWM. Устойчивая санитария и управление водными ресурсами» . Архивировано из оригинала 28 мая 2012 года . Проверено 13 июня 2012 г.
  12. ^ Ли, Брэндон Чуан Йи; Лим, Фан Йи; Ло, Вэй Хао; Онг, Сай Леонг; Ху, Цзянъюн (январь 2021 г.). «Новые загрязнители: обзор последних тенденций в их обработке и управлении с использованием процессов, управляемых светом» . Вода . 13 (17): 2340. дои : 10.3390/w13172340 .
  13. ^ Перейти обратно: а б «Световое удаление возникающих загрязнений» . энциклопедия.pub . Проверено 14 ноября 2021 г.
  14. ^ Эль Маунтассир ЭЛЬ МУХТАРИ, Кэрол АБДЕЛЬ НУР, Анн ПИРАМ, Стефани РОССИНЬОЛЬ и Паскаль ВОНГ-ВА-ЧУНГ (апрель 2019 г.). «Первые результаты очистки системы LaVie» (PDF) . ЛаВи . {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  15. ^ Перейти обратно: а б Бельтран, Фернандо Х. (2004). Кинетика реакции озона в системах водоснабжения и водоотведения . CRC Press, Флорида. ISBN  978-1-56670-629-2 .
  16. ^ Кай, QQ; Джотинатан, Л.; Дэн, SH; Онг, СЛ; Нг, HY; Ху, Дж. Я. (1 января 2021 г.), Шах, Маулин П. (ред.), «11 - Процессы АОП на основе фентона и озона для очистки промышленных сточных вод» , «Усовершенствованные процессы окисления для очистных сооружений» , Elsevier, стр. 199 –254, номер doi : 10.1016/b978-0-12-821011-6.00011-6 , ISBN  978-0-12-821011-6 , S2CID   224976088 , получено 8 апреля 2021 г.
  17. ^ Экологическая система Solarchem (1994). Справочник по УФ/окислению .
  18. ^ «Процессы продвинутого окисления» . Неопьюр Технологии. Архивировано из оригинала 18 августа 2018 года . Проверено 27 марта 2016 г.
  19. ^ Кай, QQ; Ву, МОЙ; Ли, Р.; Дэн, SH; Ли, Британский Колумбийский университет; Онг, СЛ; Ху, JY (1 июня 2020 г.). «Потенциал комбинированного усовершенствованного окисления - биологический процесс экономически эффективного удаления органических веществ из концентрата обратного осмоса, полученного в результате рекультивации промышленных сточных вод: скрининг технологий предварительной очистки АОП» . Химико-технологический журнал . 389 : 123419. Бибкод : 2020ChEnJ.38923419C . дои : 10.1016/j.cej.2019.123419 . ISSN   1385-8947 . S2CID   209723537 .
  20. ^ Томпсон, Трейси Л; Йейтс, Джон Т. (2006). «Поверхностные исследования фотоактивации TiO2 – новых фотохимических процессов». Химические обзоры . 106 (10): 4428–4453. дои : 10.1021/cr050172k . ПМИД   17031993 .
  21. ^ Бербериду, К; Пулиос И.; Ксекукулотакис, НП; Манцавинос, Д. (2007). «Сонолитическая, фотокаталитическая и сонофотокаталитическая деградация малахитового зеленого в водных растворах». Прикладной катализ Б: Экология . 74 (1–2): 63–72. Бибкод : 2007AppCB..74...63B . дои : 10.1016/j.apcatb.2007.01.013 .
  22. ^ Кай, QQ; Ли, Британский Колумбийский университет; Онг, СЛ; Ху, Цзюй (15 февраля 2021 г.). «Технологии Фентона с псевдоожиженным слоем для очистки упорных промышленных сточных вод – последние достижения, проблемы и перспективы» . Исследования воды . 190 : 116692. Бибкод : 2021WatRe.19016692C . дои : 10.1016/j.watres.2020.116692 . ISSN   0043-1354 . ПМИД   33279748 . S2CID   227523802 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
  • Майкл О.Д. Рот: Химическое окисление: Технологии для девяностых, том VI: Технологии для девяностых: 6 (Химическое окисление) У. Уэсли Корнер Филдс и Джон А. Рот, Technomic Publishing CO, Ланкастер, среди прочего. 1997, ISBN   1-56676-597-8 . (Английский)
  • Оппенлендер, Томас (2003). Процессы усовершенствованного окисления (АОП): принципы, механизмы реакции, концепции реакторов . Wiley VCH, Вайнхайм. ISBN  978-3-527-30563-6 .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Advanced_oxidation_process&oldid=1220755370"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 0be0dadfacae937e8cc8d7554f68a7a8__1714059600
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/0b/a8/0be0dadfacae937e8cc8d7554f68a7a8.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Advanced oxidation process - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)