Використання фотокаталітичної очистки

Гетерогенний фотокаталіз – процес, якому в результаті опромінення напівпровідника (анатазна форма ТіО₂)в ньому індукуються електрони і утворюється електон-вакансія (дірка). Електрони здатні переміщуватись по поверхні оксиду і брати участь в реакціях, які є частиною каталітичного циклую У водному середовищі за участі електрон-вакантної пари відбувається утворення гідроксильних радикалів. При цьому молекула кисню є акцептором електрону. Такі гетерогенні фотокаталітичні процеси залежать як від рН середовища, так і від властивостей поверхні поділу тверде тіло-рідина.

Для підвищення ефективності фотокаталітичного процесу часто застосовують різні окисники: О₃ та Н₂О₂ в різних варіантах.

При використанні Н₂О₂ фотокаталітичне окиснення органічних речовин відбувається значно швидше, при чому швидкість змінюється в ряду від мінімального до максимального:

О₂ → Н₂О₂.→ (О₂ та Н₂О₂).

При рівні випромінювання значно вище сонячного зростає швидкість фото каталітичної реакції пропорційно кореню квадратному від інтенсивності світла. При більш низьких рівнях випромінювання швидкість прямо пропорційна інтенсивності.

Завдяки фото каталізу ТіО₂ придатний для окиснення широкого спектру органіки до СО₂ і Н₂О. переваги процесу:

- більшість органіки повністю мінералізується;

- швидкість реакції дуже зростає при умові забезпечення великої поверхноі розділу фаз.

Застосування ТіО₂ доречно завдяки його не високій вартості і наявності на ринку асортименту.

При фото каталізі гетерогенних реакцій було встановлено, що застосування лише одного окисника, або тільки опромінення може приводити до часткової деструкції речовин і тільки при спільній дії окисника і опромінення при каталізаторі легко досягається мінералізація органіки, повна мінералізація СВ, що містять хлоровані алкани, карбоксильні кислоти, ароматичні сполуки, бромвмісні органічні речовини. Органічні речовини часто містять гетеро атоми Р або S, галогенвмісні речовини при окисненні яких утворюються фосфати, сульфати, галогеніди. Легко мінералізуються СВ, що містять Сl-фенол, Сl-бензол, хлоровані біфеніли, Сl-діоксини, алкани з довгим ланцюгом, ПАВ.

Для використання фото каталітичного глибокого окиснення створена методика визначення загального органічного вуглецю у воді.

ТіО₂ застосовується при окисненні:

- водні суспензії високодисперсного ТіО₂ в реакторах погружного типу, при цьому концентрація частинок суспензії - 1 г/дм³, розмір частинок 0,1-30 мм.

- ТіО₂ нанесений на подложку і використовується в реакторах з нерухомим дном або псевдозрідженим шаром. Подложка: кулі, трубки з тефлону, склопластик, сітки з нього.

Фотокаталітичне окиснення в його сучасній формі є досить повільним процесом. Однак відбувається технічне впровадження в малому і середньому виробництві, надчисті води для фармацевтики і електроніки.

Термоокиснення СВ

У випадку використання цих методів органічні речовини перетворюються в СО₂ і Н₂О. Окиснення проводять в рідкій або парогазовій фазі. Найбільш ефективно протікає в присутності каталізатора.

Рідкофазне окиснення

Здійснюється при температурі 350 °С і тиску, що повинно підтримувати систему в рідко фазовому стані. Температура процесу не повинна бути вище 374 °С (критична для води). Залежно від температури та тривалості контакту іде повне або часткове окиснення до напівпродуктів: карбонові та дикарбонові кислоти, що доокисняються. В рідкофазному окисненні зазвичай знезаражуються СВ з виском вмістом фенолу, бензолу, циклогексану, нітроциклогексани, складні ефіри і жирні кислоти, СВ нафтопереробки, целюлозно-паперових виробництв, фармацевтики. Тиск при їх обробці 5-18 МПа, Т = 120-300 °С, рН 7-14. ХПК СВ 1000 мгО₂/дм³. ХПК після очистки 200-300 мг О₂/дм³. При очистці від полімерів ХПК 1400-1500 мг О₂/дм³.

Каталітичне окиснення в парогазовій фазі

Для окиснення органіки в парогазовій фазі вода нагрівається, випаровується і окиснюється при 1000 °С, органічні домішки повністю згорають. Мінералізовані домішки при цьому утворюють тверді або розплавленні частинки, які виходять з робочої камери або виносяться з газами. Його застосування доцільно:

- лише для знезараження невеликої кількості СВ, що містять високотоксичні сполуки у великих концентраціях;

- вилучення розчинених цінних мінеральних речовин;

- для зниження енергетичних затрат при наявності горючих промислових відходів.

Підвищити економічну ефективність парогазового окиснення можна при використанні каталізатора. При цьому температуру окиснення можна знизити до 500-300 °С. Загальне технічне знезараження СВ в парогазовій фазі включає: випарний апарат, кубовий залишок, вміст механічних домішок і летучих речовин, які спеціально обробляються і захоронюються. Пари води разом з повітрям потрапляють в контактний апарат, що містить каталізатор. При ХПК більше 200 мгО₂/дм³ від реактору відводять надлишкове тепло, а по закінченню процесу парогазова суміш охолоджується, утворює конденсат і може використовуватись у виробництві.

Електрохімічне окиснення

Електрохімічне окиснення СВ інколи є більш доцільним. В електролізері проходить декілька процесів:

- окиснення на аноді;

- електрокоагуляція;

- електрофорез колоїдних частинок;

- електрофлотація.

При електрохімічній обробці в СВ відбувається відновлення на катоді і окиснення на аноді. Катодний процес обумовлений приєднанням гідрогену Н⁺, або заміщення електронегативних функціональних груп органічних домішок на Н⁺. Анодні процеси можуть йти в 2 напрямках:

- виділення і взаємодія атомарного кисню з органікою, або взаємодія з полютантами утвореного Н₂О₂.

- Звичайне окиснення хемосорбованих молекул кисню з органічними забруднювачами.

Анодне окиснення органіки йде з утворенням кінцевих або проміжних продуктів. Протікання процесу залежить від:

- Матеріалу електродів;

- Густини струму;

- Концентрації речовин;

- Сольового фону.

При малій густині струму кисень, утворений на аноді, частково виділяється у вигляді молекулярного О₂ і практично не бере участі в реакціях окиснення.

Найчастіше анод виготовляють з хімічно корозійностійких матеріалів: сталь, Ni, Pb, Pt, неметали: графіт, магнетит, оксиди марганцю. Часто з титану і покривають плівкою платини до 2-3 мкм. Катод також має бути корозійно стійким. Утворення Н2 і О2 - вибухонебезпечна суміш. В електрохімічних камерах, щоб не зірвалось монтують діафрагми, розділяють катодний і анодний простір.