Передовое окисление, также известное как глубокое окисление, основано на синергетическом воздействии света, электричества, катализаторов и окислителей, в результате чего в реакционной системе образуются высокоактивные свободные радикалы. Эти свободные радикалы могут вступать в реакцию с органическими веществами путем присоединения, замещения, переноса электронов или разрыва химических связей, разлагая тугоплавкие органические вещества на малотоксичные или нетоксичные малые молекулы. Они могут даже непосредственно разлагать вещество на CO₂ и H₂O, достигая практически полной минерализации.

1. Введение в передовое окисление, его преимущества и недостатки

К распространенным методам современного окисления относятся озонирование, озонокаталитическое окисление, электрокаталитическое окисление, окисление по Фентону и мокрое окисление. Сейчас мы представим эти четыре типа передовых методов окисления.

1.1. Окисление озоном

Окисление озоном происходит в основном за счет прямых и непрямых реакций. Прямая реакция включает прямую реакцию озона с органическими веществами - высокоселективный метод, который обычно направлен на органические вещества с двойными связями и наиболее эффективен против ненасыщенных алифатических и ароматических углеводородов. Непрямая реакция включает в себя разложение озона с образованием -OH, который затем окисляет органическое вещество через -OH, что является неселективным методом.

Хотя озоновое окисление обладает сильной способностью обесцвечивать и удалять органические загрязнители, этот метод имеет высокие эксплуатационные расходы, избирательно относится к окислению органических веществ, не может полностью минерализовать загрязнители в малых дозах и за короткий период времени, а промежуточные продукты, образующиеся при разложении, препятствуют процессу озонового окисления.

Озон обладает высоким окислительно-восстановительным потенциалом в воде и часто используется для дезинфекции, дезодорации, дезодорирования, обесцвечивания и т.д. Озон способен окислять многие органические вещества, такие как белки, аминокислоты, органические амины, цепные ненасыщенные соединения, ароматические вещества, лигнин и гумус.

1.1.1. преимущество

• Сильная окислительная способность и очевидное влияние на дезодорирование, обесцвечивание, стерилизацию и удаление органических веществ.
• Озон в очищенных сточных водах легко разлагается и не вызывает вторичного загрязнения.
• Воздух и электроэнергия, используемые для производства озона, не нуждаются в хранении и транспортировке, что делает эксплуатацию и управление более удобными.
• Как правило, в процессе очистки осадок не образуется.

1.1.2. недостаток

• Озон нелегко хранить, и его можно использовать только сразу после изготовления.Озоновое оборудованиеСтоимость озонотерапии высока, а коэффициент использования низок, что делает стоимость озонотерапии высокой., вспомогательные здания завода должны быть взрывобезопасными, а вспомогательные трубы должны быть обработаны антикоррозийным средством.
• Озон обладает сильной избирательностью в реакции с органическими веществами. Полностью разложить озон в малых дозах и за короткий промежуток времени невозможно.Разложение загрязняющих веществ будет препятствовать дальнейшему окислению озона.
• Не может быть эффективно удаленОбщий азот, не оказывает окислительного действия на органические хлориды в воде.
• Чем выше концентрация загрязняющих веществ, тем большее количество озона добавляется.

1.2. Каталитическое окисление озоном

Эффективность простого озонового окисления низка. Для повышения эффективности катализа добавляются катализаторы, которые превращают окисление озона в каталитическое окисление озона, чтобы повысить эффективность использования озона.

Под действием катализатора, после того как O₃ растворяется в воде, происходит следующая реакция:

O₃+H₂O→O₂+H₂O₂

H₂O₂+H₂O→O₂+2-OH

-OH может также вызывать ряд цепных реакций с образованием других веществ в основном состоянии и свободных радикалов, что усиливает эффект окисления. В зависимости от формы катализатора, его можно разделить на гомогенное каталитическое окисление и гетерогенное каталитическое окисление.

Схематическая диаграмма принципа каталитического окисления озона

Использование твердых металлов, оксидов металлов или металлов или оксидов металлов, поддерживаемых на носителе, для осуществления каталитических реакций;

В системах гетерогенного каталитического озонирования, как правило, существует три возможных механизма реакции:

1) Химическая адсорбция озона на поверхности катализатора приводит к образованию активных веществ, которые вступают в реакцию с нехимически адсорбированными органическими молекулами;

2) Химическая адсорбция органических веществ на поверхности катализатора и их дальнейшая реакция с газообразным или жидким озоном;

3) Органические вещества и озон адсорбируются на поверхности катализатора, а затем вступают в реакцию друг с другом на химических адсорбционных участках.

1.2.1. преимущество

• Высокоэффективная деградация загрязняющих веществ: катализируя образование гидроксильных радикалов (-OH), скорость окисления на 2-5 порядков выше, чем у озона, и он может разлагать трудноразлагаемые органические вещества (такие как галогенированные углеводороды и полициклические ароматические углеводороды), некоторые из которых могут быть полностью минерализованы.
• Отсутствие вторичного загрязнения: Продуктами реакции являются CO₂ и H₂O, и никаких дополнительных загрязняющих веществ не образуется.
• Широкий спектр применения: Он подходит для предварительной и глубокой очистки высококонцентрированных, высокотоксичных и трудноразлагаемых промышленных сточных вод (таких как химические, фармацевтические, печатные и красильные и т.д.). Он также может использоваться для концентрированной воды обратного осмоса и мембранного контроля загрязнения..
• Повышение эффективности использования озона: снижение дозировки озона и эксплуатационных расходов. Некоторые процессы могут быть объединены с биологической очисткой для дальнейшего снижения затрат.

1.2.2. недостаток

• Катализаторы необходимо добавлять, но они дороги и подвержены риску потери и пассивации, поэтому их необходимо регулярно заменять. Восстановление катализатора (ионов металлов) затруднено и может привести к вторичному загрязнению.
• Необходимо контролировать температуру реакции и значение pH (некоторые процессы требуют кислой среды), а также предъявлять высокие требования к материалу оборудования (устойчивость к озоновой коррозии).
• Озон должен производиться и использоваться немедленно, что требует больших инвестиций в оборудование и энергопотребление, вспомогательные здания завода должны быть взрывобезопасными, а трубы - обработаны антикоррозийным составом.
• Ограничения эффективности очистки: Цикл очистки сточных вод с высокой концентрацией ХПК длительный, и при самостоятельном использовании трудно быстро достичь стандарта. и сократить срок службы катализатора.

1.3. электрокаталитическое окисление

Технология электрокаталитического окисления приводится в действие внешним электрическим полем, вызывающим реакции переноса электронов на поверхности электрода, в результате чего образуются активные вещества с высокой степенью окисления, такие как гидроксильные радикалы (-OH) и реактивные формы кислорода (ROS). Эти активные вещества могут эффективно окислять и разлагать органические вещества на диоксид углерода (CO₂), воду (H₂O) или другие малые молекулы.

В частности, процесс электрокаталитического окисления включает два основных механизма окисления:

Прямое окисление: Органические соединения теряют электроны непосредственно на поверхности анода и окисляются в промежуточные или конечные продукты. Этот метод окисления зависит от свойств материала анода, например электродов с покрытием на основе титана.

Косвенное окисление: В процессе электролиза образуются различные окислители, такие как хлор (Cl₂), озон (O₃), перекись водорода (H₂O₂) и т. д., или реактивные виды кислорода (такие как -OH), адсорбированные на поверхности электрода, которые используются для окисления органических веществ. Непрямое окисление не только повышает эффективность окисления, но и расширяет диапазон обработки органических веществ. Технология электрохимического окисления в основном направлена на обработку биотоксичных и трудноразлагаемых ароматических соединений.

1.3.1. преимущество

• Высокая эффективность и отсутствие загрязнения: Не нужно добавлять химические реагенты, чтобы избежать вторичного загрязнения; Обладает сильной окислительной способностью и может разлагать трудноразлагаемые органические вещества.
• Умеренные условия эксплуатации: Работайте при нормальной температуре и давленииГибкость.
• Многофункциональный: он может одновременно удалять ХПК, аммонийный азот и цвет, а также обладает бактерицидным эффектом.
• Малая занимаемая площадь: оборудование имеет высокую степень интеграции и подходит для предварительной или глубокой очистки высококонцентрированных сточных вод.

1.3.2. недостаток

• Высокое энергопотребление: При очистке высококонцентрированных сточных вод потребление электроэнергии значительно, а эксплуатационные расходы высоки, но ниже при очистке соленых сточных вод.
• Потеря электродов: длительная эксплуатация может привести к коррозии электродов или деактивации катализатора, поэтому требуется регулярное техническое обслуживание.
• Ограничения по стоимости：Основной каталитический электродВысокая стоимость катализаторов из драгоценных металлов (таких как Pt и Ir) ограничивает их широкомасштабное применение.

1.4. Фентон-окисление

В процессе окисления по методу Фентона используется Fe²⁺ катализировать разложение H₂O₂ в кислых условиях, производя ˙OH для разложения загрязняющих веществ. Образующийся Fe³⁺ затем подвергается коагуляции и выпадению осадка для удаления органических веществ. Таким образом, реагент Фентона оказывает как окислительное, так и коагуляционное действие при очистке воды. Окисление органических веществ происходит в результате реакции Fe²⁺ с H₂O₂при этом образуется высокоокисляемый гидроксильный радикал ˙OH. Кроме того, образующийся Fe(OH)₃ Коллоид обладает флокуляционными и адсорбционными свойствами, что позволяет удалять из воды некоторые органические вещества.

Реагент Фентона - это метод очистки сточных вод, в котором используются ионы железа (Fe²⁺) в качестве катализатора и перекись водорода (H₂O₂) для химического окисления. Он может генерировать высокоокисляемые гидроксильные радикалы, которые реагируют с тугоплавкими органическими веществами в водном растворе, образуя органические свободные радикалы, разрушая их структуру и в конечном итоге окисляя и разлагая их для достижения цели снижения ХПК сточных вод.

Уравнение реакции окисления Фентона выглядит следующим образом:

Fe²⁺+H₂O₂=Fe³⁺+OH^–+HO-

Fe³⁺+H₂O₂+OH^–=Fe²⁺+H₂O+HO-

Fe³⁺+H₂O₂=Fe²⁺+H⁺+HO-

Тугоплавкие органические вещества в сточных водах подвергаются соединению или окислению с образованием промежуточных продуктов с меньшей молекулярной массой, что изменяет их биоразлагаемость, свойства коагуляции и седиментации, а также растворимость. Эти промежуточные продукты могут быть удалены с помощью последующей коагуляции и седиментации или биохимических методов для достижения очистки. Это наиболее часто используемый процесс расширенного окисления, имеющий широкий спектр применения.

1.4.1. преимущество

• Сильная окислительная способность: Гидроксильный радикал (-OH) образуется в результате реакции Fe²⁺ с H₂O₂, который может эффективно разлагать трудноразлагаемые органические вещества (такие как полициклические ароматические углеводороды и галогенизированные углеводороды) и частично достигать полной минерализации.
• Умеренные условия эксплуатации: Простые условия эксплуатации, аптека распространена и легко покупается. Простота в эксплуатации, широкий диапазон адаптации.
• Низкие инвестиции: Технологический процесс прост, для него требуется только реакционный резервуар для смешивания и осадочный резервуар, а также небольшие инвестиции в инфраструктуру.
• Широко используется: Он может использоваться как самостоятельно в качестве предварительной или глубокой обработки, так и в сочетании с другими технологиями.

1.4.2. недостаток

• Высокий расход реагента: требуется большое количество Fe²⁺ и H₂O₂, что приводит к высоким эксплуатационным расходам, а избыток Fe²⁺ приведет к увеличению объема осадка, а вводимые неорганические соли повышают TDS.
• Вызывают вторичное загрязнение: Остатки Fe²⁺/Fe³⁺ могут образовывать железный осадок, который требует дополнительной обработки; остатки H₂O₂ могут влиять на качество стоков.
• Ограничения эффективности реакции: При самостоятельном использовании скорость удаления высококонцентрированной ХПК ограничена, время реакции необходимо увеличить или комбинировать с другими процессами, а эффект осаждения может быть слабым.
• Ограничение по рН: Оптимальный уровень pH реакции составляет 2-4, поэтому требуется дополнительная корректировка pH сточных вод и дополнительные этапы обработки.

1.5. Мокрое окисление

Технология мокрого окисления относится к химическому процессу, в котором органические загрязнители окисляются в неорганические вещества, такие как диоксид углерода и вода, или низкомолекулярные органические вещества в жидкой фазе с использованием кислорода воздуха в качестве окислителя при высокой температуре и высоком давлении, включая гомогенный мокрый каталитический кислород и гетерогенный мокрый каталитический кислород.

Технология мокрого окисления может практически неизбирательно окислять различные высококонцентрированные органические стоки, особенно те, которые являются высокотоксичными и трудноразлагаемыми с помощью обычных методов. Однако он дорог и имеет сложные условия эксплуатации. В настоящее время, Основными областями его применения являются промышленные сточные воды, такие как сточные воды бумажного производства, сточные воды цианидов и пестицидов.

1.5.1. преимущество

По сравнению с традиционными методами он имеет широкий спектр применения, высокую эффективность очистки, незначительное вторичное загрязнение, быструю скорость окисления, возможность рекуперации энергии и полезных веществ.

1.5.2. недостаток

• Мокрое окисление, как правило, должно проводиться в условиях высокой температуры и высокого давления. Промежуточными продуктами часто являются органические кислоты, поэтому требования к материалам оборудования высоки. Они должны быть устойчивы к высокой температуре, высокому давлению и коррозии. Поэтому стоимость оборудования высока, а единовременные инвестиции в систему велики.
• Поскольку реакции мокрого окисления должны проводиться в условиях высокой температуры и высокого давления, они подходят только для очистки сточных вод с небольшим расходом и высокой концентрацией, и неэкономичны для очистки сточных вод с низкой концентрацией и большим объемом.
• Даже при очень высоких температурах эффект удаления некоторых органических веществ, таких как полихлорированные бифенилы и маломолекулярные карбоновые кислоты, не является идеальным, и полного окисления добиться сложно.
• При мокром окислении могут образовываться высокотоксичные промежуточные продукты.