¿Qué es la oxidación avanzada?

La oxidación avanzada, también conocida como oxidación profunda, se basa en los efectos sinérgicos de la luz, la electricidad, los catalizadores y los oxidantes para generar radicales libres altamente activos en el sistema de reacción. Estos radicales libres pueden reaccionar con la materia orgánica mediante adición, sustitución, transferencia de electrones o rompiendo enlaces químicos, degradando la materia orgánica refractaria en pequeñas moléculas poco o nada tóxicas. Incluso pueden degradar directamente la materia en CO₂ y H₂O, logrando una mineralización casi completa.

1. Introducción a la oxidación avanzada y sus ventajas e inconvenientes

Los métodos de oxidación avanzada más comunes son la oxidación con ozono, la oxidación catalítica con ozono, la oxidación electrocatalítica, la oxidación Fenton y la oxidación húmeda. A continuación presentaremos estos cuatro tipos de métodos de oxidación avanzada.

1.1. Oxidación por ozono

La oxidación por ozono se consigue principalmente mediante reacciones directas e indirectas. La reacción directa implica la reacción directa del ozono con la materia orgánica, un método altamente selectivo que normalmente se dirige a la materia orgánica con dobles enlaces y es más eficaz contra los hidrocarburos alifáticos y aromáticos insaturados. La reacción indirecta implica la descomposición del ozono para producir -OH, que luego oxida la materia orgánica a través de -OH, un método no selectivo.

Aunque la oxidación con ozono tiene una gran capacidad para decolorar y eliminar los contaminantes orgánicos, el método tiene unos costes operativos elevados, es selectivo en la oxidación de la materia orgánica, no puede mineralizar completamente los contaminantes a dosis bajas y en un corto periodo de tiempo, y los productos intermedios generados por la descomposición dificultarán el proceso de oxidación con ozono.

El ozono tiene un alto potencial redox en el agua y se utiliza a menudo para la desinfección, desodorización, decoloración, etc. El ozono puede oxidar muchas sustancias orgánicas, como proteínas, aminoácidos, aminas orgánicas, compuestos insaturados de cadena, aromáticos, lignina y humus.

1.1.1. ventaja

Fuerte capacidad oxidante y efectos evidentes en la desodorización, decoloración, esterilización y eliminación de materia orgánica.
El ozono de las aguas residuales tratadas se descompone fácilmente y no provoca contaminación secundaria.
El aire y la electricidad utilizados para producir ozono no necesitan almacenarse ni transportarse, lo que hace más cómodo su funcionamiento y gestión.
Generalmente no se producen lodos durante el proceso de tratamiento.

1.1.2. desventaja

El ozono no es fácil de almacenar y sólo se puede utilizar inmediatamente después de su fabricación.ozoneequipmentEl coste del tratamiento con ozono es alto, y la tasa de utilización es baja, lo que hace que el coste del tratamiento con ozono sea alto., los edificios de soporte de la fábrica deben ser a prueba de explosiones, y las tuberías de soporte deben ser tratadas con anticorrosión.
El ozono tiene una fuerte selectividad en su reacción con la materia orgánica. Es imposible descomponer completamente el ozono a dosis bajas y en un corto periodo de tiempo.mineLa descomposición de los contaminantes inhibirá la posterior oxidación del ozono.
No se puede eliminar eficazmenteNitrógeno total, no tiene efecto oxidante sobre los cloruros orgánicos del agua.
Cuanto mayor sea la concentración de contaminantes, mayor será la cantidad de ozono añadida.

1.2. Oxidación catalítica con ozono

La eficacia de la oxidación simple con ozono es baja. Para mejorar la eficiencia catalítica, se añaden catalizadores que transforman la oxidación del ozono en oxidación catalítica del ozono para mejorar la eficiencia de utilización del ozono.

Bajo la acción del catalizador, después del O₃ se disuelve en agua, se produce la siguiente reacción:

O₃+H₂O→O₂+H₂O₂

H₂O₂+H₂O→O₂+2-OH

-OH también puede inducir una serie de reacciones en cadena, produciendo otras sustancias de estado básico y radicales libres, lo que refuerza el efecto de oxidación. Según la forma del catalizador, puede dividirse en oxidación catalítica homogénea y oxidación catalítica heterogénea.

Diagrama esquemático del principio de oxidación catalítica del ozono

Utilización de metales sólidos, óxidos metálicos o metales u óxidos metálicos soportados sobre un soporte para llevar a cabo reacciones catalíticas;

En los sistemas catalíticos heterogéneos de ozonización, suele haber tres mecanismos de reacción posibles:

1) La adsorción química del ozono en la superficie del catalizador da lugar a la formación de sustancias activas, que reaccionan con las moléculas orgánicas no adsorbidas químicamente;

2) Adsorción química de materia orgánica en la superficie del catalizador y su posterior reacción con ozono gaseoso o líquido;

3) Tanto la materia orgánica como el ozono se adsorben en la superficie del catalizador y luego reaccionan entre sí en los lugares de adsorción química.

1.2.1. ventaja

Degradación muy eficaz de los contaminantes: al catalizar la producción de radicales hidroxilo (-OH), la tasa de oxidación es de 2 a 5 órdenes de magnitud superior a la del ozono solo, y puede degradar materia orgánica difícil de biodegradar (como hidrocarburos halogenados e hidrocarburos aromáticos policíclicos), algunos de los cuales pueden mineralizarse por completo.
No hay contaminación secundaria: Los productos de reacción son CO₂ y H₂O, y no se introducen contaminantes adicionales.
Amplia gama de aplicaciones: Es adecuado para el pretratamiento y el tratamiento en profundidad de aguas residuales industriales de alta concentración, alta toxicidad y difícil degradación (como aguas químicas, farmacéuticas, de impresión y teñido, etc.). También puede utilizarse para el control de la contaminación del agua concentrada por ósmosis inversa y membranas..
Mejorar la eficiencia de utilización del ozono:Reducir la dosis de ozono y los costes de funcionamiento. Algunos procesos pueden combinarse con el tratamiento biológico para reducir aún más los costes.

1.2.2. desventaja

Hay que añadir catalizadores, pero son caros y tienen riesgo de pérdida y pasivación, por lo que hay que sustituirlos periódicamente.La recuperación de catalizadores (iones metálicos) es difícil y puede causar contaminación secundaria.
Es necesario controlar la temperatura de reacción y el valor del pH (algunos procesos requieren un entorno ácido), y se imponen elevados requisitos al material del equipo (resistencia a la corrosión por ozono)..
El ozono debe producirse y utilizarse inmediatamente, lo que requiere una inversión en equipos y un consumo de energía elevados, los edificios de apoyo de la fábrica deben ser a prueba de explosiones y las tuberías de apoyo deben recibir un tratamiento anticorrosión.
Limitaciones de la eficacia del tratamiento: El ciclo de tratamiento de aguas residuales con alta concentración de DQO es largo, y es difícil alcanzar rápidamente el estándar cuando se utiliza solo. y reducir la vida útil del catalizador.

1.3. oxidación electrocatalítica

La tecnología de oxidación electrocatalítica se acciona mediante un campo eléctrico externo que induce reacciones de transferencia de electrones en la superficie del electrodo, generando así sustancias activas altamente oxidantes como radicales hidroxilo (-OH) y especies reactivas del oxígeno (ROS). Estas sustancias activas pueden oxidar y descomponer eficazmente la materia orgánica en dióxido de carbono (CO₂), agua (H₂O) u otras moléculas pequeñas.

Concretamente, el proceso de oxidación electrocatalítica incluye dos mecanismos de oxidación principales:

Oxidación directa: Los compuestos orgánicos pierden electrones directamente en la superficie del ánodo y se oxidan en productos intermedios o finales. Este método de oxidación depende de las propiedades del material del ánodo, como los electrodos recubiertos a base de titanio.

Oxidación indirecta: A través de la electrólisis se generan diversos oxidantes, como cloro (Cl₂), ozono (O₃), peróxido de hidrógeno (H₂O₂), etc., o se utilizan especies reactivas de oxígeno (como -OH) adsorbidas en la superficie del electrodo para oxidar la materia orgánica. La oxidación indirecta no sólo mejora la eficiencia de la oxidación, sino que también amplía el rango de tratamiento de la materia orgánica. La tecnología de oxidación electroquímica se centra principalmente en el tratamiento de compuestos aromáticos biotóxicos y difíciles de degradar.

1.3.1. ventaja

Alta eficacia y ausencia de contaminación: No es necesario añadir agentes químicos para evitar la contaminación secundaria; tiene una gran capacidad de oxidación y puede degradar materia orgánica difícil de biodegradar.
Condiciones de funcionamiento suaves: Funciona a temperatura y presión normalesflexible.
Multifuncional: Puede eliminar simultáneamente la DQO, el nitrógeno amoniacal y el color, y también tiene un efecto bactericida.
Ocupa poco espacio:El equipo tiene un alto grado de integración y es adecuado para el pretratamiento o el tratamiento en profundidad de aguas residuales de alta concentración.

1.3.2. desventaja

Alto consumo de energía: El consumo de energía es significativo cuando se tratan aguas residuales de alta concentración, y el coste de funcionamiento es elevado, menor cuando se tratan aguas residuales salinas.
Pérdida de electrodos:El funcionamiento a largo plazo puede provocar la corrosión de los electrodos o la desactivación del catalizador, por lo que se requiere un mantenimiento periódico.
Limitaciones de coste：El electrodo catalítico centralEl elevado coste de los catalizadores de metales preciosos (como el Pt y el Ir) limita su aplicación a gran escala.

1.4. Oxidación Fenton

El proceso de oxidación de Fenton utiliza Fe²⁺ para catalizar la descomposición del H₂O₂ en condiciones ácidas, produciendo ˙OH para degradar los contaminantes. El Fe³⁺ a continuación, se somete a coagulación y precipitación para eliminar la materia orgánica. Por lo tanto, el reactivo Fenton tiene efectos tanto de oxidación como de coagulación en el tratamiento del agua. La oxidación de la materia orgánica se produce mediante la reacción del Fe²⁺ con H₂O₂generando el radical hidroxilo ˙OH, altamente oxidante. Además, el Fe(OH)₃ El coloide tiene propiedades de floculación y adsorción, por lo que puede eliminar parte de la materia orgánica del agua.

El reactivo de Fenton es un método de tratamiento de aguas residuales que utiliza iones ferrosos (Fe²⁺) como catalizador y peróxido de hidrógeno (H₂O₂) para la oxidación química. Puede generar radicales hidroxilo altamente oxidantes, que reaccionan con la materia orgánica refractaria en solución acuosa para generar radicales libres orgánicos, destruyendo su estructura y, en última instancia, oxidándolos y descomponiéndolos para lograr el propósito de reducir la DQO de las aguas residuales.

La ecuación de la reacción de oxidación de Fenton es aproximadamente la siguiente:

Fe²⁺+H₂O₂=Fe³⁺+OH^–+HO-

Fe³⁺+H₂O₂+OH^–=Fe²⁺+H₂O+HO-

Fe³⁺+H₂O₂=Fe²⁺+H⁺+HO-

La materia orgánica refractaria de las aguas residuales sufre acoplamiento u oxidación para formar productos intermedios de menor peso molecular, lo que altera su biodegradabilidad, sus propiedades de coagulación y sedimentación y su solubilidad. Estos productos intermedios pueden eliminarse mediante métodos posteriores de coagulación y sedimentación o bioquímicos para lograr la depuración. Este es el proceso de oxidación avanzada más utilizado, con una amplia gama de aplicaciones.

1.4.1. ventaja

Fuerte capacidad oxidante: El radical hidroxilo (-OH) se genera por la reacción del Fe²⁺ con el H₂O₂, que pueden degradar eficazmente la materia orgánica difícil de biodegradar (como los hidrocarburos aromáticos policíclicos y los hidrocarburos halogenados) y lograr parcialmente su mineralización completa.
Condiciones de funcionamiento suaves: Condiciones de funcionamiento sencillas,la farmacia es común y fácil de comprar.Fácil de operar, amplia gama de adaptabilidad.
Baja inversión: El flujo del proceso es simple, sólo requiere un tanque de reacción de mezcla y un tanque de sedimentación, y requiere poca inversión en infraestructura.
Muy utilizado: Puede utilizarse solo como pretratamiento o tratamiento en profundidad, o en combinación con otras tecnologías..

1.4.2. desventaja

Alto consumo de reactivo:Se requiere una gran cantidad de Fe²⁺ y H₂O₂, lo que se traduce en elevados costes de funcionamiento, y un exceso de Fe²⁺ provocará un aumento del volumen de lodos, y se introducen sales inorgánicas para aumentar los TDS.
Producen contaminación secundaria: El Fe²⁺/Fe³⁺ residual puede formar lodos de hierro, que requieren tratamiento adicional; el H₂O₂ residual puede afectar a la calidad del efluente.
Limitaciones de la eficacia de la reacción: Cuando se utiliza solo, la tasa de eliminación de DQO de alta concentración es limitada, y es necesario ampliar el tiempo de reacción o combinarlo con otros procesos. y el efecto de precipitación puede ser pobre.
Limitación del pH: El pH óptimo de reacción es de 2-4, y se requiere un ajuste adicional del pH de las aguas residuales y pasos adicionales de tratamiento.

1.5. Oxidación húmeda

La tecnología de oxidación húmeda se refiere a un proceso químico en el que los contaminantes orgánicos se oxidan en sustancias inorgánicas como dióxido de carbono y agua o pequeñas sustancias orgánicas moleculares en fase líquida utilizando oxígeno en el aire como oxidante a alta temperatura y alta presión, incluyendo oxígeno catalítico húmedo homogéneo y oxígeno catalítico húmedo heterogéneo.

La tecnología de oxidación húmeda puede oxidar de forma casi no selectiva diversas aguas residuales orgánicas de alta concentración, especialmente las que son muy tóxicas y difíciles de degradar con métodos convencionales. Sin embargo, es caro y tiene unas condiciones de funcionamiento exigentes. Actualmente, sus principales aplicaciones incluyen las aguas residuales industriales, como las aguas residuales de la fabricación de papel, las aguas residuales de cianuro y los pesticidas.

1.5.1. ventaja

En comparación con los métodos convencionales, tiene una amplia gama de aplicaciones, una gran eficacia de tratamiento, muy poca contaminación secundaria, una rápida tasa de oxidación y puede recuperar energía y sustancias útiles.

1.5.2. desventaja

Por lo general, la oxidación húmeda debe llevarse a cabo en condiciones de alta temperatura y alta presión. Los productos intermedios suelen ser ácidos orgánicos, por lo que los requisitos para los materiales de los equipos son elevados. Deben ser resistentes a las altas temperaturas, las altas presiones y la corrosión. Por lo tanto, el coste del equipo es elevado y la inversión única del sistema es alta.
Dado que las reacciones de oxidación húmeda deben llevarse a cabo en condiciones de alta temperatura y alta presión, sólo son adecuados para tratar aguas residuales con pequeños caudales y altas concentraciones, y no son económicos para tratar aguas residuales con bajas concentraciones y grandes volúmenes.
Incluso a temperaturas muy elevadas, el efecto de eliminación de determinadas sustancias orgánicas, como los bifenilos policlorados y los ácidos carboxílicos de moléculas pequeñas, no es ideal, y resulta difícil lograr una oxidación completa.
Durante la oxidación húmeda, pueden producirse productos intermedios altamente tóxicos.