Qu'est-ce que l'oxydation avancée ?

L'oxydation avancée, également connue sous le nom d'oxydation profonde, est basée sur les effets synergiques de la lumière, de l'électricité, des catalyseurs et des oxydants pour générer des radicaux libres hautement actifs dans le système de réaction. Ces radicaux libres peuvent réagir avec la matière organique par addition, substitution, transfert d'électrons ou par rupture de liaisons chimiques, dégradant la matière organique réfractaire en petites molécules peu ou pas toxiques. Ils peuvent même dégrader directement la matière en CO₂ et H₂O, ce qui permet d'obtenir une minéralisation presque complète.

1. Introduction à l'oxydation avancée et à ses avantages et inconvénients

Les méthodes d'oxydation avancées les plus courantes sont l'oxydation à l'ozone, l'oxydation catalytique à l'ozone, l'oxydation électrocatalytique, l'oxydation Fenton et l'oxydation par voie humide. Nous allons maintenant présenter ces quatre types de méthodes d'oxydation avancée.

1.1. Oxydation par l'ozone

L'oxydation de l'ozone se fait principalement par des réactions directes et indirectes. La réaction directe implique la réaction directe de l'ozone avec la matière organique, une méthode hautement sélective qui cible généralement la matière organique avec des doubles liaisons et qui est la plus efficace contre les hydrocarbures aliphatiques et aromatiques insaturés. La réaction indirecte implique la décomposition de l'ozone pour produire du -OH, qui oxyde ensuite la matière organique par le -OH, une méthode non sélective.

Bien que l'oxydation par l'ozone ait une forte capacité à décolorer et à éliminer les polluants organiques, cette méthode a des coûts d'exploitation élevés, est sélective dans l'oxydation de la matière organique, ne peut pas minéraliser complètement les polluants à faibles doses et dans un court laps de temps, et les produits intermédiaires générés par la décomposition entravent le processus d'oxydation par l'ozone.

L'ozone a un potentiel d'oxydoréduction élevé dans l'eau et est souvent utilisé pour la désinfection, la désodorisation, la décoloration, etc. L'ozone peut oxyder de nombreuses substances organiques, telles que les protéines, les acides aminés, les amines organiques, les composés insaturés en chaîne, les aromatiques, la lignine et l'humus.

1.1.1. avantage

Forte capacité d'oxydation et effets évidents sur la désodorisation, la décoloration, la stérilisation et l'élimination des matières organiques.
L'ozone présent dans les eaux usées traitées se décompose facilement et ne provoque pas de pollution secondaire.
L'air et l'électricité utilisés pour produire de l'ozone n'ont pas besoin d'être stockés et transportés, ce qui rend l'exploitation et la gestion plus pratiques.
En général, aucune boue n'est produite au cours du processus de traitement.

1.1.2. inconvénients

L'ozone n'est pas facile à stocker et ne peut être utilisé qu'immédiatement après sa fabrication.ozoneequipmentLe coût du traitement à l'ozone est élevé et le taux d'utilisation est faible, ce qui rend le coût du traitement à l'ozone élevé. les bâtiments de l'usine qui le supportent doivent être antidéflagrants et les tuyaux qui le supportent doivent être traités contre la corrosion.
L'ozone a une forte sélectivité dans sa réaction avec la matière organique. Il est impossible de décomposer complètement l'ozone à de faibles doses et dans un court laps de temps.mineLa décomposition des polluants inhibe la poursuite de l'oxydation de l'ozone.
Ne peut être éliminé efficacementL'azote total n'a pas d'effet oxydant sur les chlorures organiques présents dans l'eau.
Plus la concentration de polluants est élevée, plus la quantité d'ozone ajoutée est importante.

1.2. Oxydation catalytique par l'ozone

L'efficacité de l'oxydation simple de l'ozone est faible. Afin d'améliorer l'efficacité catalytique, des catalyseurs sont ajoutés pour transformer l'oxydation de l'ozone en oxydation catalytique de l'ozone afin d'améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'ozone.

Sous l'action du catalyseur, après que l'O₃ se dissout dans l'eau, la réaction suivante se produit :

O₃+H₂O→O₂+H₂O₂

H₂O₂+H₂O→O₂+2-OH

-Le -OH peut également induire une série de réactions en chaîne, produisant d'autres substances à l'état fondamental et des radicaux libres, ce qui renforce l'effet d'oxydation. Selon la forme du catalyseur, on distingue l'oxydation catalytique homogène et l'oxydation catalytique hétérogène.

Schéma du principe de l'oxydation catalytique par l'ozone

Utilisation de métaux solides, d'oxydes métalliques ou de métaux ou d'oxydes métalliques soutenus par un support pour effectuer des réactions catalytiques ;

Dans les systèmes d'ozonation catalytique hétérogène, il existe généralement trois mécanismes de réaction possibles :

1) L'adsorption chimique de l'ozone sur la surface du catalyseur entraîne la formation de substances actives qui réagissent avec les molécules organiques non chimiquement adsorbées ;

2) Adsorption chimique de la matière organique sur la surface du catalyseur et réaction ultérieure avec l'ozone gazeux ou liquide ;

3) Les matières organiques et l'ozone sont adsorbés à la surface du catalyseur et réagissent ensuite les uns avec les autres sur les sites d'adsorption chimique.

1.2.1. avantage

Dégradation très efficace des polluants : en catalysant la production de radicaux hydroxyles (-OH), le taux d'oxydation est de 2 à 5 ordres de grandeur plus élevé que celui de l'ozone seul, et il peut dégrader des matières organiques difficiles à biodégrader (telles que les hydrocarbures halogénés et les hydrocarbures aromatiques polycycliques), dont certaines peuvent être complètement minéralisées.
Pas de pollution secondaire : Les produits de la réaction sont le CO₂ et le H₂O, et aucun polluant supplémentaire n'est introduit.
Large éventail d'applications: Il convient au prétraitement et au traitement en profondeur des eaux usées industrielles à forte concentration, très toxiques et difficiles à dégrader (telles que les eaux chimiques, pharmaceutiques, d'impression et de teinture, etc.) Il peut également être utilisé pour l'eau concentrée par osmose inverse et le contrôle de la pollution par membrane..
Améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'ozone : réduire le dosage de l'ozone et les coûts d'exploitation. Certains procédés peuvent être combinés avec un traitement biologique pour réduire davantage les coûts.

1.2.2. inconvénients

Des catalyseurs doivent être ajoutés, mais ils sont coûteux et présentent un risque de perte et de passivation, de sorte qu'ils doivent être remplacés régulièrement.
La température de réaction et la valeur du pH doivent être contrôlées (certains processus nécessitent un environnement acide), et des exigences élevées sont imposées au matériau de l'équipement (résistance à la corrosion par l'ozone).
L'ozone doit être produit et utilisé immédiatement, ce qui nécessite un investissement en équipement et une consommation d'énergie élevés ; les bâtiments de l'usine doivent être antidéflagrants et les tuyaux doivent être traités contre la corrosion.
Limites de l'efficacité du traitement : Le cycle de traitement des eaux usées à forte concentration en DCO est long et il est difficile d'atteindre rapidement la norme lorsqu'il est utilisé seul, ce qui réduit la durée de vie du catalyseur.

1.3. oxydation électrocatalytique

La technologie d'oxydation électrocatalytique est alimentée par un champ électrique externe, induisant des réactions de transfert d'électrons à la surface de l'électrode, générant ainsi des substances actives hautement oxydantes telles que les radicaux hydroxyles (-OH) et les espèces réactives de l'oxygène (ROS). Ces substances actives peuvent efficacement oxyder et décomposer la matière organique en dioxyde de carbone (CO₂), en eau (H₂O) ou en d'autres petites molécules.

Plus précisément, le processus d'oxydation électrocatalytique comprend deux mécanismes d'oxydation principaux :

Oxydation directe : Les composés organiques perdent des électrons directement à la surface de l'anode et sont oxydés en produits intermédiaires ou finaux. Cette méthode d'oxydation dépend des propriétés du matériau de l'anode, comme les électrodes revêtues de titane.

Oxydation indirecte : Divers oxydants sont générés par l'électrolyse, tels que le chlore (Cl₂), l'ozone (O₃), le peroxyde d'hydrogène (H₂O₂), etc., ou des espèces réactives de l'oxygène (telles que -OH) adsorbées à la surface de l'électrode sont utilisées pour oxyder la matière organique. L'oxydation indirecte permet non seulement d'améliorer l'efficacité de l'oxydation, mais aussi d'élargir le champ de traitement des matières organiques. La technologie d'oxydation électrochimique se concentre principalement sur le traitement des composés aromatiques biotoxiques et difficiles à dégrader.

1.3.1. avantage

Efficacité élevée et absence de pollution : Il n'est pas nécessaire d'ajouter des agents chimiques pour éviter la pollution secondaire ; il possède une forte capacité d'oxydation et peut dégrader les matières organiques difficiles à biodégrader.
Conditions de fonctionnement douces : Fonctionnement à température et pression normalesflexible.
Multifonctionnel : il peut simultanément éliminer la DCO, l'azote ammoniacal et la couleur, et a également un effet bactéricide.
Faible encombrement : l'équipement présente un haut niveau d'intégration et d'efficacité. convient au prétraitement ou au traitement en profondeur des eaux usées à forte concentration.

1.3.2. inconvénients

Consommation d'énergie élevée : La consommation d'énergie est importante lors du traitement des eaux usées à forte concentration, et le coût d'exploitation est élevé, alors qu'il est plus faible lors du traitement des eaux usées salines.
Perte d'électrodes : un fonctionnement à long terme peut entraîner la corrosion des électrodes ou la désactivation du catalyseur ; un entretien régulier est donc nécessaire.
Contraintes de coût：Electrode catalytique de baseLe coût élevé des catalyseurs à base de métaux précieux (tels que le Pt et l'Ir) limite leur application à grande échelle.

1.4. Oxydation de Fenton

Le processus d'oxydation de Fenton utilise le Fe²⁺ pour catalyser la décomposition de H₂O₂ dans des conditions acides, produisant du ˙OH pour dégrader les polluants. Le Fe³⁺ subit ensuite une coagulation et une précipitation pour éliminer les matières organiques. Le réactif de Fenton a donc à la fois des effets d'oxydation et de coagulation dans le traitement de l'eau. L'oxydation des matières organiques se produit par la réaction du Fe²⁺ avec H₂O₂générant le radical hydroxyle ˙OH, hautement oxydant. En outre, le radical Fe(OH)₃ possède des propriétés de floculation et d'adsorption, ce qui peut permettre d'éliminer certaines matières organiques de l'eau.

Le réactif de Fenton est une méthode de traitement des eaux usées qui utilise des ions ferreux (Fe²⁺) comme catalyseur et le peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) pour l'oxydation chimique. Il peut générer des radicaux hydroxyles hautement oxydants, qui réagissent avec les matières organiques réfractaires en solution aqueuse pour générer des radicaux libres organiques, détruisant leur structure et finalement les oxydant et les décomposant pour atteindre l'objectif de réduction de la DCO des eaux usées.

L'équation de la réaction d'oxydation de Fenton est approximativement la suivante :

Fe²⁺+H₂O₂=Fe³⁺+OH^–+HO-

Fe³⁺+H₂O₂+OH^–=Fe²⁺+H₂O+HO-

Fe³⁺+H₂O₂=Fe²⁺+H⁺+HO-

Les matières organiques réfractaires présentes dans les eaux usées subissent un couplage ou une oxydation pour former des intermédiaires de poids moléculaire plus faible, ce qui modifie leur biodégradabilité, leurs propriétés de coagulation et de sédimentation et leur solubilité. Ces intermédiaires peuvent ensuite être éliminés par coagulation et sédimentation ou par des méthodes biochimiques afin d'obtenir une épuration. Il s'agit du processus d'oxydation avancée le plus couramment utilisé, avec un large éventail d'applications.

1.4.1. avantage

Forte capacité d'oxydation : Le radical hydroxyle (-OH) est généré par la réaction du Fe²⁺ avec H₂O₂, qui peuvent dégrader efficacement les matières organiques difficiles à biodégrader (telles que les hydrocarbures aromatiques polycycliques et les hydrocarbures halogénés) et parvenir partiellement à une minéralisation complète.
Conditions d'exploitation douces : Conditions de fonctionnement simples, Pharmacy est commun et facile à acheter, facile à utiliser, large gamme d'adaptabilité.
Faible investissement : Le processus est simple, ne nécessitant qu'un réservoir de réaction et un réservoir de sédimentation, et peu d'investissements dans les infrastructures.
Largement utilisé : Il peut être utilisé seul comme procédé de prétraitement ou de traitement en profondeur, ou en combinaison avec d'autres technologies..

1.4.2. inconvénients

Consommation élevée de réactifs : une grande quantité de Fe²⁺ et de H₂O₂ est nécessaire, ce qui entraîne des coûts d'exploitation élevés, et un excès de Fe²⁺ conduit à une augmentation du volume des boues, et introduit des sels inorganiques pour augmenter le TDS.
Produire une pollution secondaire : Le Fe²⁺/Fe³⁺ résiduel peut former des boues ferrugineuses, qui nécessitent un traitement supplémentaire ; le H₂O₂ résiduel peut affecter la qualité de l'effluent.
Limites de l'efficacité de la réaction : Lorsqu'il est utilisé seul, le taux d'élimination de la DCO à forte concentration est limité, et le temps de réaction doit être prolongé ou combiné à d'autres processus, et l'effet de précipitation peut être médiocre.
Limitation du pH : Le pH optimal de réaction est compris entre 2 et 4, et il est nécessaire d'ajuster le pH des eaux usées et de procéder à des étapes de traitement supplémentaires.

1.5. Oxydation humide

La technologie d'oxydation par voie humide fait référence à un processus chimique dans lequel les polluants organiques sont oxydés en substances inorganiques telles que le dioxyde de carbone et l'eau ou en petites substances organiques moléculaires en phase liquide en utilisant l'oxygène de l'air comme oxydant à haute température et à haute pression, y compris l'oxygène catalytique humide homogène et l'oxygène catalytique humide hétérogène.

La technologie d'oxydation par voie humide peut oxyder de manière presque non sélective diverses eaux usées organiques à forte concentration, en particulier celles qui sont hautement toxiques et difficiles à dégrader à l'aide de méthodes conventionnelles.. Cependant, il est coûteux et ses conditions d'utilisation sont exigeantes. Actuellement, Ses principales applications comprennent les eaux usées industrielles telles que les eaux usées de la papeterie, les eaux usées du cyanure et les pesticides.

1.5.1. avantage

Par rapport aux méthodes conventionnelles, elle présente un large éventail d'applications, une efficacité de traitement élevée, une pollution secondaire très faible, un taux d'oxydation rapide et peut récupérer de l'énergie et des substances utiles.

1.5.2. inconvénients

L'oxydation par voie humide doit généralement être réalisée dans des conditions de température et de pression élevées. Les produits intermédiaires étant souvent des acides organiques, les exigences en matière de matériaux d'équipement sont élevées. Ils doivent être résistants aux températures et aux pressions élevées, ainsi qu'à la corrosion. Par conséquent, le coût de l'équipement est élevé et l'investissement unique du système est important.
Les réactions d'oxydation par voie humide doivent être effectuées à haute température et à haute pression, ils ne conviennent que pour le traitement des eaux usées à faible débit et à forte concentration, et ne sont pas économiques pour le traitement des eaux usées à faible concentration et à grand volume..
Même à très haute température, l'effet d'élimination de certaines substances organiques telles que les polychlorobiphényles et les acides carboxyliques à petites molécules n'est pas idéal et il est difficile d'obtenir une oxydation complète.
Lors de l'oxydation par voie humide, des intermédiaires hautement toxiques peuvent être produits.