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 |
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 OH 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 OH 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 OH 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.