اکسایش فنتونی نوری – Photo Fenton

به دلیل مصرف زیاد فنتون در فرآیند اکسایش فنتونی ساده بالا بردن راندمان واکنش و تجزیه مواد آلاینده دارای اهمیت زیادی است. به همین دلیل در بسیاری از موارد جهت این امر از یک روش جانبی استفاده می گردد. هر جا که سیستم های آلی قابل احیا و حتی ساختارهای معطر وجود داشته باشد ، اکسیداسیون نوری با فنتون به عنوان AOP دارای مزایای فوق العاده ای است ، زیرا اکسیداسیون نوری به سرعت و به طور مؤثر ترکیبات آلی را تجزیه می کند و باعث می شود که آنها به راحتی برای اکسیداسیون بیشتر در دسترس باشند.

از مزایای Photo Fenton نسبت به فرآیند Fenton که می توانبه آنها اشاره کرد موارد زیر می باشد.

1- به طور قابل توجهی هزینه های عملیاتی کاسته می شود. هزینه در طول زمان فنتون بسیار بالا می باشد.

2- عدم نیاز به  فیلتر های فرایندی

3- میزان تخریب بسیار بالاتر اکسیداسیون Photo-Fento در مقایسه با اکسیداسیون Fenton

4- فرایند Photo-Fenton برخلاف فرآیند Fenton ، که همیشه دستی خواهد بود ، می تواند کاملاً اتوماتیک باشد ، زیرا حتی یک فیلتر به اصطلاح “خودکار” همیشه به مداخله دستی زیادی نیاز دارد .

جدول مقایسه دو روش فنتون و فوتو فنتون

Topic	Fenton-Oxidation	Photo-Fenton-Oxidation -AOP
Process	Fe(2+)+H2O2 –> Fe(3+) + 1 OH-Radical + 1 OH- Partially organic is sorbed on the FeOOH sludge (separate disposal)	H2O2 + UV –> 2 OH-Radicals Further degradation reactions due to photolysis Further degradation reactions by intermolecular electron transfer reactions
Formation of reactive species	1 radical per H2O2 Double H2O2 consumption in comparison to UV / H2O2 (at the same degree of degradation)	2 radicals per H2O2 The additional reaction by charge transfer reactions in the photo-Fenton
Treatment efficiency	Usually limited to max. 65%, caused by process and formation of sludge	Generally not limited by the chemistry of the oxidation process, but in some cases, extreme degradation rates not economic
Advantages	Simple installation	Strong performance High degradation rate Low OPEX No increase of salt load No additional sludge
Disadvantage	Formation of sludge Separation of sludge causes Additional OPEX and CAPEX Huge increase of salt load Unit requires high maintenance after some time of use Handling and disposal of sludge from Fe-addition	Typically sligtly higher CAPEX
Automation	Automatic Fenton is not simple to realize, especially automatic sludge separation and handling	Foto-Fenton-Oxidation is an easy to automate AOP

 

فوتو فنتون (H₂O₂/Fe²⁺/UV)

محققانی از جمله ژپ و همکارانش در سال 1992 نشان دادند که واکنش اصلی فنتون می­تواند با استفاده از پرتوهای UV همراه شده و  بنابراین واکنش کاهش کاتالیستی Fe³⁺ به Fe²⁺ در محلول آبی H₂O₂ صورت گیرد، بطوریکه تشکیل رادیکال­های ŸOH طبق واکنش زیر تولید می­شوند:

در pH=2.8-3.5، فرم مشخص Fe³⁺، یون [Fe(OH)]+2] است که که نقشی کلیدی در واکنش فنتون بازی می­کند. تشکیل رادیکال­های ŸOH با واکنش فوتوفنتون را می­توان با مقدار کمپلکس­های اکسالات (Fe(+3 و پراکسید هیدروژن موجود در محلول آبی سنجید.

در در واکنش فوتوفنتون، می­توان از ناحیه­ های مختلفی از طیف نور فرابنفش به عنوان منبع نوری مانند 315-400 nm و یا 285-315 nm استفاده کرد. لازم به ذکر است که شدت و طول موج پرتوهای UV تاثیر بسزایی در تجزیه آلاینده ­های آلی دارد. گرچه یکی از نقاط ضعف این فرآیند افزایش هزینه ­ها به دلیل استفاده از نور مصنوعی است. طبق تحقیفات اخیر گزینه دیگر برای استفاده به عنوان منبع نور، به کارگیری نورخورشید در طول موج بزرگتر از 300 نانومتر است، چراکه نور خورشید منبع انرژی تجدیدپذیری است که بدون هزینه در دسترس است و با استفاده از کلکتورهای خورشیدی میسر می­ شود. بنابراین واکنش فتوت فنتون خورشیدی، رضایت­ بخش­تر از روش معمول به نظر می ­رسد که علاوه بر صرفه اقتصادی، سازگاری بیشتری با محیط­زیست دارد.

در روش فنتون تجمع یون Fe³⁺ را داریم، در حالیکه در روش فوتوفنتون فوتولیز کاهشی [Fe(OH)]²⁺ این مزیت را دارد که با بازتولید یون­های Fe²⁺ و با ایفای نقش کاتالیزروز در فرایند فنتون، منجر به تولید یون های ŸOH بیشتری شود.

فوتوکالیز ناهمگن (TiO₂/UV)

در اوایل قرن هفدهم، فوجیشیما و همکاران تحقیقاتی در زمینه امکان استفاده از نیمه هادی TiO₂ که توسط نور برانگیخته شده، برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن در یک سلول خورشیدی فوتو-الکتروشیمی انجام دادند. تحقیقات آن­ها منجر به توسعه روش اکسیداسیون جدیدی به نام فوتوکاتالیز ناهمگن شد. این روش از پرتوهایی با طول موج نزدیک UV  و یک کاتالیست نیمه هادی از جنس TiO₂ تشکیل شده است. این کاتالیست بهتر است با مورفولوژی آناتاز یا روتیل باشد تا بتواند به راحتی در اثر تابش نور برانگیخته شده و قطب­های دهنده و گیرنده الکترون در آن شکل گرفته و واکنش اکسیداسیون-احیا انجام شود.

از برتریهای دیگر فرآیند تخریب اشعه ماوراء بنفش استفاده از یونهای فلزی به عنوان کاتالیزور است که بسته به هدف تصفیه و ماده فاضلاب ممکن است منجر به کارآیی بهتر فرایند شود. شناخته شده ترین فرآیند فرایند نور – فنتون است که برای آن از محلول های حاوی آهن به عنوان کاتالیزور استفاده می شود. بر اساس عکس العملهای مختلف ، رادیکال های هیدروکسیل از طریق نوردهی یون های فلزی تولید می شوند و روند تخریب را که در بالا توضیح داده شد آغاز می کنند. علاوه بر این ، بسیاری از واکنشهای دیگر در این فرآیند نقش دارند که همچنین منجر به تخریب مواد آلی می شوند.

نوردهی هنگامی که به خوبی اعمال شود بسیار مؤثر می شود. بسیاری از واکنش ها که به صورت موازی یا توالی اتفاق می افتند و نقش مهمی در واکنش نور فنتون دارند ، زیرا منجر به اکسیداسیون آلودگی نیز می شوند. واکنش نور-فنتون در مقایسه با واکنش کلاسیک فنتون ، مزایای بسیاری را نشان می دهد:

• ضایعات در واکنش فنتون بسیار بالا است ، زیرا واکنش های کلاسیک فنتون از طریق افزایش حجم لجن خود به خود قفل می شوند.
• هزینه عملیاتی فرایندنور-فنتون به میزان قابل توجهی پایین است ، زیرا میزان مواد شیمیایی کمتر است.
• فرآیند نور-فنتون منجر به شکل گیری ناچیز لجن می شود ، در حالی که فنتون کلاسیک مستلزم از بین بردن لجن تولید شده و پر هزینه است.