Technologie pro recyklaci vody

Typ procesu

Fyzikálně chemické procesy

Skupina technologií

Oxidačně redukční procesy

Název procesu

Fotochemické pokročilé oxidační procesy

Popis technologie

Většina fyzikálně chemických procesů čištění vstupních vod je ze své podstaty pouze separačních. Jednou z cest, jak docílit transformace, případně částečné či úplné destrukce polutantů je aplikace silných oxidačních činidel.

Oxidovat lze i některé anorganické sloučeniny, např. kyanidy na kyanatany, případně až na CO₂ a N₂, nebo sulfidy na elementární síru či sírany.

Nicméně většina oxidačních procesů cílí spíše na organické polutanty, které jsou oxidovány na látky jednodušší, méně toxické, lépe biologicky rozložitelné, v ideálním případě až na CO₂ a H₂O.

Specifickou skupinou jsou tzv. pokročilé oxidační procesy (Advanced Oxidation Processes AOPs) jejichž společným jmenovatelem je průběh za běžných teplot a tlaků. Většina AOPs je založena na generování hydroxylových radikálů, které jsou vlastním oxidačním činidlem. Tyto radikály jednak patří k nejsilnějším oxidantům (jejich standardní redox potenciál 2,8 V je vyšší než u ostatních běžně dostupných oxidačních činidel s výjimkou fluoru), jednak vykazují malou selektivitu – jsou schopné oxidovat široké spektrum sloučenin.

AOPs lze rozdělit do dvou velkých skupin: procesy chemické a procesy fotochemické.

V případě fotochemických AOPs zásadní roli hraje ultrafialové záření (UV), tedy záření s vlnovou délkou 200 - 400 nm.

V omezených případech může být použito i samotné UV záření. Buď pro přímou fotolýzu (přímý rozklad polutantu, který absorbuje danou vlnovou délku UV záření), nebo pro hygienické zabezpečení.

Aktuálnost

ve vývoji

Vhodné pro srážkové vody

Ano, pro odstranění nízkých koncentrací kontaminantů.

Typické reaktory a jejich uspořádání

Reaktor a celkové uspořádání procesu závisí na konkrétním zvoleném procesu. Do značné míry lze fotochemické AOPs brát jako rozšíření chemický AOPs, radikály mohou být generovány například následujícími kombinacemi: UV/H₂O₂, UV/O₃, UV/O₃/H₂O₂ nebo foto-Fentonovou reakcí.

Specifickou skupinou jsou heterogenní fotokatalytické procesy, při kterých oxidační (a redukční) reakce probíhají na povrchu fotokatalyzátoru - polovodiče, který je aktivován dopadajícím zářením o vhodné vlnové délce. V současnosti je nejrozšířenějším fotokatalyzátorem oxid titaničitý TiO₂, který pro aktivaci potřebuje UV záření. Fotokatalyzátor může být použit ve formě suspenze (kterou je následně třeba separovat), nebo v tenké vrstvě na vhodném nosiči.

Fotooxidační reaktory se liší použitým zdrojem UV záření (UV lampy lišící se intenzitou a vlnovou délkou záření) a vnitřním uspořádáním. Obecně musí zajistit rovnoměrnou distribuci záření v celém objemu vstupní vody, v případě fotokatalýzy je nezbytný kontakt s katalyzátorem a přísun kyslíku, který je konečným akceptorem elektronů.

Typické schéma

Cílené znečištění

Především organické rozpuštěné látky, které jsou toxické a/nebo obtížně biologicky rozložitelné.

Typické koncentrace cílového znečištění

U kombinací UV s dalšími činidly v rozmezí obvykle od jednotek po stovky mg/l, v případě heterogenní fotokatalýzy (UV/TiO₂) je proces omezen na koncentrace nižší.

Kritické parametry

Dávka oxidačního činidla: Většinou rozhodující z hlediska ekonomické proveditelnosti. Hydroxylové radikály nejsou selektivní a mohou být spotřebovávány i na vedlejší reakce.

Potenciál procesu pro tvorbu nežádoucích (toxických) vedlejších produktů: Produkty částečného rozkladu některých látek mohou být rizikovější než původní polutant.

Inhibiční vlivy

Přítomnost zhášečů radikálů: Některé látky, označované jako zhášeče (radical scavenger), eliminují vzniklé radikály a zvyšují spotřebu činidel a snižují účinnost procesu. Jde například o uhličitany nebo hydrogenuhličitany.

Použitelnost fotochemických reakcí je limitována řadou vlastností vstupní vody: přítomností nerozpuštěných látek, zákalu nebo vysokými koncentracemi organických látek.

Další relevantní parametry

Stejně jako u klasické oxidace je průběh a účinnost AOPs ovlivňována reakční dobou, teplotou, tlakem, v některých případech hodnotou pH a celkovým složením vstupní vody. Před návrhem konkrétní technologie je nutné provést testy pro ověření použitelnosti a získání dat pro optimalizaci procesu, včetně zjištění dávky oxidačního činidla, případně množství vynaložené energie.

Dosažitelné koncentrace cílového znečištění

Silně závislé na charakteru vstupní vody a typu procesu. Zejména u oxidace organických látek nelze předpokládat stoprocentní degradaci. Značný rozdíl může být mezi účinností odstranění konkrétní organické látky a celkovým odstraněním organických sloučenin (ChSK , TOC).

Hygienizační funkce

Je možná, ale záleží na složení vstupní vody a dávce činidla. Samotné UV záření je využíváno pro hygienické zabezpečení vody.

Investiční náklady

Silně variabilní podle zvoleného oxidačního procesu a charakteru a množství vstupní vody.

Prostorová náročnost

Odvíjí se zcela od množství čištěných vod a zvoleného typu oxidačního procesu.

Bezpečnostní rizika

Práce s látkami, které mají toxické a/nebo korozivní účinky.

Rizika UV/TiO₂ procesu jsou zanedbatelná.

Energetická náročnost

Je spojena se spotřebou el. energie pro UV lampy. Při kombinaci s ozonem je třeba započítat i jeho produkci.

Náročnost na obsluhu

Porozumění principům daného procesu, pochopení faktorů, které ho ovlivňují a znalost možných rizik a problémů jsou naprosto nezbytné.

Provozní náklady

Spojené s náklady na elektrickou energii, případně s aplikací pomocných činidel.

Chemikálie

Podle typu procesu H₂O₂, O₃, katalyzátor

Pomocné chemikálie, např. kyseliny a zásady pro úpravu pH, případně redukční činidla (siřičitan, thiosíran) pro eliminaci zbytkových koncentrací oxidačního činidla.

Měření a regulace

průtok, dávka činidel, pH, ORP, teplota, zbytková koncentrace oxidantu na výstupu

Pevné

Oxidační procesy mohou někdy vést k tvorbě sraženiny, kterou je nutné oddělit a zpracovat.

V případě Fentonovy reakce je železnatý katalyzátor odstraněn vysrážením.

Při použití fotokatalyzátoru v suspenzi lze za odpad považovat i degradovaný katalyzátor.

Vyžadovaná předúprava

Odstranění nerozpuštěných látek i zákalu.

Vyžadované dočištění

Někdy je nezbytností odstranění zbytkových koncentrací oxidačního činidla. Např. přídavkem vhodného redukčního činidla.

V případě oxidace organických látek jsou často konečným produktem jednodušší, snáze rozložitelné látky. Pak je nutné biologické dočištění.

Další alternativou může být odstranění nízkých koncentrací reziduálních látek adsorpcí.

Typická průmyslová odvětví

Chemický průmysl Textilní průmysl

Kabdasli, I. and O. Tunay (2010). Chemical Oxidation Applications for Industrial Wastewaters, IWA Publishing.

Tchobanoglous, G., et al. (2014). Wastewater engineering: treatment and resource recovery. New York, NY, McGraw-Hill Education.

Parsons, S. (2004). Advanced oxidation processes for water and wastewater treatment. London, IWA.

Rao, D. G. (2013). Wastewater treatment: advanced processes and technologies. London, IWA Publishing.