مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب به روش اکسیداسیون پیشرفته (AOPs):

۱. مقدمه

اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) به فرآیندهایی اطلاق می‌شود که با تولید رادیکال‌های آزاد (به ویژه رادیکال هیدروکسیل OH·)، آلاینده‌های آلی، میکروارگانیسم‌ها و ترکیبات سمی را به طور کامل به مواد بی‌خطر تبدیل می‌کنند. این روش برای حذف آلاینده‌های مقاوم (مانند داروها، آفت‌کش‌ها و رنگ‌های صنعتی) ایده‌آل است.

۲. مکانیسم عملکرد

• تولید رادیکال هیدروکسیل (OH·): این رادیکال با قدرت اکسیداسیون بالا (E° = ۲.۸ V) پیوندهای آلی را شکسته و آن‌ها را به CO₂ و H₂O تبدیل می‌کند.

• منابع تولید OH·:

  • ترکیب UV + H₂O₂: H₂O₂ + UV → ۲OH·

  • ترکیب O₃ + H₂O₂: O₃ + H₂O₂ → OH· + O₂

  • فتوکاتالیست‌ها (مثل TiO₂/UV): TiO₂ + UV → e⁻ + h⁺ → OH·

  • فرآیند فنتون: Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + OH· + OH⁻

۳. انواع روش‌های AOPs

روش ترکیبات کلیدی کاربرد اصلی

UV/H₂O₂ لامپ UV، پراکسید هیدروژن حذف ترکیبات آلی مقاوم

O₃/UV ژنراتور ازون، لامپ UV گندزدایی و اکسیداسیون همزمان

فتوکاتالیست‌ها نانوذرات TiO₂، UV تخریب آلاینده‌های آلی و معدنی

فرآیند فنتون Fe²⁺، H₂O₂ تصفیه پساب‌های صنعتی با COD بالا

۴. طراحی سیستم AOPs

الف. پارامترهای طراحی کلیدی

۱. نوع و غلظت آلاینده: تعیین دوز مناسب اکسیدان‌ها (مثلاً H₂O₂ یا O₃).
۲. کیفیت آب: pH، کدورت، و حضور بازدارنده‌ها (مانند کربنات).
۳. انرژی مورد نیاز: محاسبه دوز UV یا قدرت ژنراتور ازون.
۴. زمان تماس: بهینه‌سازی زمان واکنش برای دستیابی به راندمان ≥ ۹۰%.

ب. محاسبات کلیدی

۱. محاسبه دوز H₂O₂:

دوز (mg/L) = (غلظت آلاینده (mg/L) × ضریب استوکیومتری) / راندمان  

• مثال: برای اکسیداسیون ۱۰ mg/L فنول با ضریب ۱.۵ → دوز ≈ ۱۵ mg/L.

۲. انرژی UV مورد نیاز:

انرژی (mJ/cm²) = شدت تابش (μW/cm²) × زمان تماس (ثانیه)  

• حداقل انرژی برای حذف ویروس‌ها: ۴۰–۱۰۰ mJ/cm².

۳. مصرف ازون:

دوز O₃ (mg/L) = ۱.۵ × غلظت COD (mg/L)  

۴. محاسبه زمان تماس:

زمان (دقیقه) = حجم راکتور (L) / دبی (L/min)  

۵. ساخت و تجهیزات

الف. سیستم UV/H₂O₂

• تجهیزات:

  • لامپ UV-C (طول موج ۲۵۴ نانومتر) در محفظه کوارتز.

  • پمپ دوزینگ H₂O₂ با دقت ±۰.۱ mg/L.

  • مخزن واکنش از جنس استیل ضدزنگ یا PVC مقاوم به UV.

• اجرا:
  ۱. تزریق H₂O₂ به جریان آب.
  ۲. عبور آب از محفظه UV برای فعال‌سازی رادیکال‌ها.

ب. سیستم O₃/UV

• تجهیزات:

  • ژنراتور ازون (تولید ازون با تخلیه الکتریکی).

  • مخزن تماس ازون با زمان ماند ۱۰–۲۰ دقیقه.

  • سیستم تخریب ازون باقیمانده (کاتالیست یا گرما).

ج. سیستم فتوکاتالیستی (TiO₂/UV)

• تجهیزات:

  • نانوذرات TiO₂ پوشش‌دهی‌شده روی سطح شیشه یا سرامیک.

  • لامپ UV-A (طول موج ۳۶۵ نانومتر).

  • راکتور پلاگ فلو برای حداکثر تماس آب با کاتالیست.

۶. چالش‌ها و مدیریت

• هزینه انرژی بالا: استفاده از سیستم‌های خورشیدی برای تامین انرژی UV.

• تشکیل محصولات جانبی: پایش ترکیبات حدواسط (مثل آلدئیدها) با GC/MS.

• خوردگی تجهیزات: استفاده از مواد مقاوم (فولاد ضدزنگ، تفلون).

• بهینه‌سازی pH:

  • فرآیند فنتون: pH بهینه ≈ ۳.

  • فتوکاتالیست‌ها: pH ≈ ۶–۸.

۷. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۵ m³/h

• آلاینده: ۵ mg/L آفت‌کش دیازینون

• روش انتخابی: UV/H₂O₂

محاسبات:

• دوز H₂O₂: ۱۰ mg/L (بر اساس آزمون آزمایشگاهی).

• انرژی UV: ۱۰۰ mJ/cm² → زمان تماس = ۱۰۰,۰۰۰ μJ/cm² / ۲۰۰ μW/cm² = ۵۰۰ ثانیه ≈ ۸ دقیقه.

• ابعاد راکتور: حجم = ۵ m³/h × ۰.۱۳ h (۸ دقیقه) ≈ ۰.۶۵ m³.

تجهیزات:

• لامپ UV با توان ۱۰۰۰ وات.

• پمپ دوزینگ H₂O₂ با ظرفیت ۵۰ لیتر/ساعت.

• مخزن واکنش استیل به حجم ۱ m³.

۸. پیشرفت‌های نوین

• استفاده از نانوذرات هیبریدی: ترکیب TiO₂ با گرافن یا نانوذرات فلزی برای افزایش راندمان.

• سیستم‌های پلاسما: تولید رادیکال‌ها با تخلیه الکتریکی در آب.

• AOPs خورشیدی: استفاده از نور خورشید برای فعال‌سازی فتوکاتالیست‌ها.

۹. نتیجه‌گیری

AOPs به عنوان یک فناوری پیشرفته، قادر به حذف آلاینده‌های مقاوم و خطرناک با راندمان بالا است. طراحی سیستم نیازمند تحلیل دقیق آلاینده، محاسبه دوز اکسیدان‌ها و انرژی، و انتخاب مواد مقاوم است. ترکیب AOPs با روش‌های دیگر (مثل فیلتراسیون) می‌تواند هزینه‌ها را کاهش و کارایی را افزایش دهد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب