کاربرد شیمی در تصفیه فاضلاب

گاهی به تاریخچه قدیمی ترین فاضلاب مربوط به 7 هزار سال با دیواره های آجری و یا سفالی، برای هدایت فاضلاب خانگی ، مربوط به تمدن هندیان می باشد.در گذشته انسان ها به مسئله تصفیه فاضلاب اهمیت نشان می دادند از جمله نمونه بارز آن فاضالب های شهریونان با قطر 2 تا 3 متر یا فاضالب همگانی 2 شهر نینوا و بابل و نیز جزیره کرت می باشد.

روش های طبیعی مانند استخرهای تثبیت فاضلاب از قدیمی ترین روش های تصفیه فاضلاب  در کشورهای اروپایی می باشد که از ده ها سال پیش کاربرد دارد.توجه به مسئله تصفیه فاضلاب از انجایی شروع شد که انسان ها مانع از آلودگی آب و ورود فاضلاب به رودخانه ها شدند پس ازجنگ جهانی دوم به دلیل خطر آلودگی محیط زیست و توسعه جوامع شهری و صنعتی به امر تصفیه فاضلاب بیش از بیش توجه شد. درحدود یکصد سال بیش استفاده از فاضلاب در آبیاری کشاورزی به دلیل خاصیت حاصل خیزی و باروری که داشت در کشور های اروپایی متداول روش بود همچنین در حدود یکصد سال پیش اکثر کانال ها بصورت رو باز ساخته می شدند که پس از نمایان شدن پخش بیماری ها واگیر تمام کانال ها به صورت فاضلاب در زمین ساخته شدند که این از مزایای جمع آوری فاضلاب می باشد.

 قدمت تصفیه فاضلاب در ایران مربوط به سده سوم هجری در شهر اصفهان می باشد که این امر نشان از فرهنگ غنی کشور ایران است . شیخ بهایی در گذشته برای گرم کردن حمام های مجاور از فعل و انفعاالت بی هوازی ، که ناشی از جمع شدن فاضالب اصطبل در مخازن بود استفاده می کرد. .کشورایران در زمان های بسیار دور از لجن های بدست امده به عنوان کود درمصارف کشاورزی استفاده می کردند آنها بجای تصفیه، بیشتر بر بازیابی کودی فاضالب تاکید داشتند .تصفیه خانه ی پیشرفته درکشور ایران سابقه ی طولانی ندارد و قدیمی ترین تصفیه خانه در سال 1345 شروع بکارکرد که بزرگترین تصفیه خانه ها مربوط به تصفیه خانه اصفهان می باشد.

 تعریف فاضلاب

 به مجموعه آبهای دور ریختنی که پس از جمع آوری و تصفیه ممکن است قابلیت استفاده مجدد را داشته باشد، فاضلاب اطلاق می شود. از نظر ترکیب 99.9 درصد فاضلاب  را آب و حدود 1/ 0درصد آن را ناخالصیها و مواد آلاینده  تشکیل میدهد. مواد آلاینده  موجود در فاضلاب  شامل مواد آلی قابل تجزیه بیولوژیکی، مواد معلق، مواد مغذی، پاتوژنها، فلزات سنگین، موادآلی مقاوم به تجزیه بیولوژیکی و جامدات محلول است که وجود هر یک ازاین آلاینده  ها و غلظت آنها بستگی به نوع و ماهیت فاضلاب  دارد.

 -هدف از تصفيه ي فاضلاب

 در تصفیه ی فاضالب هدفهای زیر مدنظر میباشند:

 : -الف –تامین شرایط بهداشتی برای زندگی مردم

 فاضلاب  های شهری همیشه دارای میکروب های گوناگونی می باشند که قسمتی از آنها را میکروب های بیماریزا تشکیل می دهند .ورود فاضلاب  تصفیه نشده به محیط زیست و منبع های طبیعی آب ،چه آنهایی که روی زمین و چه آنهایی که در زیر زمین قرار دارند ،موجب آلوده شدن این منبع ها به میکروب های بیماریزا می گردد ودراثر تماس انسان با این منبع ها خطر گسترش بیماری ها میان مردم به وجود می آید .

-ب-پاك نگهداری محیط زیست

 وارد نمودن فاضالب های تصفیه نشده به محیط زیست موجب آلودگی این محیط شده که بجز خطر های مستقیمی که برای بهداشت مردم دارد ،نتایجی دیگر از قبیل این مناظر زشت ،بوهای ناخوشایند وسرانجام تولید حشرات بخصوص مگس وپشه را بهمراه دارد .این حشرات خود وسیله ای برای جابجا شدن میکروب های بیماریزا و آلوده سازی محیط زیست با این میکروب ها میباشند .

ج-بازیابی فاضلاب

 با توجه به اینکه مقدار نمک های معدنی محلول در فاضلاب  به مراتب کمتر ازآب دریاهای آزاد می باشد وفاضلاب جزو آب های شیرین ولی آلوده به حساب می آید ،استفاده دوباره از فاضلاب  تصفیه شده به جای اب شیرین جهت آبیاری کشاورزی به مراتب ارزانتر از شیرین سازی آب دریاهای شور می باشد .این مسئله در ایران ،که در بسیاری از نقاط ان مردم با کمبود آب شیرین مواجه هستند ،می تواند در مصرف آب شیرین مورد استفاده در ابیاری کشاورزی صرفه جویی نماید. کاربرد دوباره فاضلاب  تصفیه شده جهت آبیاری کشاورزی بجز صرفه جویی در مصرف آب شیرین به علت وجود مواد کودی در فاضلاب  تصفیه شده می تواند منبع غذایی خوبی برای گیاهان وتقویت کشتزار ها گردد.

د-تولید کود طبیعی

لجنی که از تصفیه زیستی فاضلاب بدست می آید دارای مقداری زیاد ترکیبات شمیایی نظیر نیترات ها ،سولفات ها وفسفات ها می باشد که ارزش کودی برای رشد گیاهان دارند.برای افزایش قابلیت جذب این لجن آن را در یک سلسله عملیاتی با کودهای گیاهی که از باقی مانده ی برگ و ساقه ی درختان تشکیل شده اند ویا با کودهای حیوانی مانند مدفوع حیواناتی همچون گاو گوسفند بهم آمیخته ومدتی آن را به حال خود می گذارند وسپس به صورت کود طبیعی بکار می برند.

ه-تولید انرژی

 نزدیک به 70درصد گازهای تولید شده در انبارهای هضم لجن را گاز متان تشکیل می دهد که ارزش سوختی آن در حدود ارزش سوختی گاز شبکه ی شهری می باشد .در تصفیه خانه ها می توان با سوزاندن آن وگرم کردن دیگ های بخار،گرمای موردنیاز یکان های تصفیه خانه را تامین نمود.حتی در تصفیه خانه های بزرگ این گاز را جمع آوری کرده و با استفاده از توربین های گازی،ژنراتور برقی را بحرکت درآورده وتولید برق می کنند.

تصفيه فاضلاب

 تصفیه فاضلاب به مجموعه روشها و فرآیندهایی گفته می شود که موجب کاهش آلودگی فاضلاب می گردد و پس از طی این فرآیندها می توان فاضلاب  را به محیط زیست دفع کرد و یا مجدد از آن استفاده نمود. فاضلاب  به دو بخش عمده تقسیم می شود

. فاضلاب  بهداشتی :که شامل فاضلاب تولیدی منازل مسکونی، مجتمع های اداری و تجاری، بیمارستان ها، و ... می باشد.

فاضلاب  صنعتی : که شامل فاضلاب تولیدی مراکز صنعتی و تولیدی از جمله کارخانجات، کارگاه ها، نیروگاه ها و ... می باشد. بسته به نوع فاضلاب  روشهای تصفیه آن نیز متفاوت است. و با توجه به کیفیت و کمیت آن می توان از روشهای متنوعی برای تصفیه آن استفاده نمود.

عمده روشهاي تصفيه فاضالب

 -الف:تصفیه فیزیکی

 تصفیه فیزیکی به مجموعه روشهایی گفته می شود با استفاده از خواص فیزیکی و نیروهای فیزیکی برای تصفیه فاضلاب  استفاده می شود. از جمله این فرآیندها آشغالگیری، دانه گیری، شناورسازی، ته نشینی و ... می باشد. عمده این روشها پیش تصفیه فاضلاب را انجام می دهند .اصطلاحا  به این فرآیندها تصفیه اولیه نیز گفته می شود.

در این مرحله هیچ ماده شیمیایی در این پروسه دخیل نیست. یکی از تکنیک های اصلی تصفیه فاضالب فیزیکی شامل لای گیری یا ته نشینی است که فرایند تعلیق ذرات نامحلول / سنگین از فاضلاب  است. هنگامی که ماده نامحلول ته نشین میشود آنگاه میتوان آب خالص راجداسازی کرد.

یکی دیگر از تکنیک های تصفیه فیزیکی موثر، شامل هوادهی است. این فرآیند شامل گردش هوا از طریق آب به منظور فراهم کردن اکسیژن برای آن است. فیلتر کردن، یعنی روش سوم، برای فیلتر کردن تمام آلاینده  ها استفاده می شود.در این روش میتوان انواع خاصی از فیلترها را برای تصفیه فاضلاب استفاده کرد و آلاینده ها و ذرات نامحلول موجود در آن را جدا نمود .فیلتر شنی مرسوم ترین فیلتر مورد استفاده در این روش است. روغن و چربی موجود در سطح برخی از فاضلاب ها  نیز می تواند به راحتی از طریق این روش برداشته شود. برای این کار از انواع دستگاه چربی گیر فاضلاب استفاده میشود.

 ب :تصفیه بیولوژیکی

در این مرحله از فرآیندهای بیولوژیکی مختلف برای تجزیه مواد آلی موجود در فاضلاب مانند صابون، فاضلاب های  انسانی، روغن و غذا استفاده می شود .میکروارگانیسم ها در مواد بیولوژیکی مواد آلی را در فاضلاب  متابولیزه می کنند. این مورد را می توان به سه دسته تقسیم بندی کرد

    فرآیندهای هوازی: باکتریها ماده آلی را تجزیه می کنند و آن را به دی اکسید کربن تبدیل می کنند که می تواند توسط گیاهان مورد استفاده قرار گیرد .اکسیژن در این فرآیند مورد استفاده قرار می گیرد. در این روشها از میکروارگانیسم های هوازی برای تصفیه فاضلاب  استفاده می شود از جمله این فرآیندها لجن فعال، هوادهی گسترده، MBBR ،MBR ،SBRرا میتوان نام برد. •
     فرآیندهای بی هوازی: در اینجا، تخمیر برای تخمیر ضایعات در دمای خاص استفاده می شود. اکسیژن در فرآیند بی هوازی استفاده نمی شود
    . کمپوست: یک نوع فرآیند هوازی است که در آن فاضلاب  با مخلوط کردن آن با خاك اره یا سایر منابع کربن تصفیه می شود.
    ج: تصفیه شیمیایی : به مجموعه فرآیندهای گفته می شود که طی آن از مواد و واکنش های شیمیایی برای تصفیه پساب استفاده می شود. از جمله این فرآیندها انعقاد شیمیایی، انعقاد الکتریکی و ... می باشد. از این فرآیندها معموال برای تصفیه فاضالب های صنعتی استفاده می شود. همانطور که از نام آن پیداست، این مرحله از تصفیه شامل استفاده از مواد شیمیایی در آب می شود. کلر، یک ماده شیمیایی اکسید کننده است، که معموال برای کشتن باکتریها استفاده می شود که با اضافه کردن آالینده ها به آن باعث تجزیه آب میشوند. دیگر عامل اکسید کننده برای تمیز کردن فاضالب، ازن است.

 خنثی سازی یک تکنیک است که در آن اسید و یا پایه اضافه میشود تا آب را به pHطبیعی خود یعنی 7 برساند. مواد شیمیایی از بازتولید باکتری ها در آب جلوگیری می کنند، و بنابراین باعث خالص شدن آب میشوند.

    د-تصفیه لجن: این یک فرایند جداسازی جامد و مایع است که در آن حداقل رطوبت باقی مانده در فاز جامد ، و کمترین ذرات جامد در فاز مایع جدا شده مورد نیاز است. یک مثال در این مورد شامل آبگیری لجن از فاضلاب های صنعتی یا کارخانه تصفیه فاضلاب است که در آن رطوبت باقی مانده در مواد جامد ارزش دفع را تعیین می کند و کیفیت اصلی بار آلودگی بازگشتی به تاسیسات تصفیه را مشخص میکند .همیشه نیاز است که هر دو را به حداقل رساند.

تاریخچه استفاده از الکتروشيمی در تصفيه فاضلاب

تاریخچه استفاده از الکتریسیته به منظور تصفیه آب برای اولین بار، به سال 1889 در انگلستان برمی گردد ، در سال 1904 المور استفاده از الکترولیز در معادن را به ثبت رسانید. در بریتانیا در سال 1956 آب رودخانه با استفاده از یک فرآیند ساده و کاربرد الکترودهای آهن تصفیه و مورد استفاده قرار گرفت. در سال 1984 در لندن تصفیه خانه ای توسط ویک طراحی شد که از روش الکترولیز برای تصفیه فاضلابی که  با آب دریا مخلوط شده بود بهره می گرفت. هاریس در سال 1909 در ایالات متحده، تکنولوژی الکتروشیمیایی برای تصفیه فاضلاب با استفاده از الکترودهای آلومینیوم و آهن را معرفی کرد. ماتسون نیز در سال 1995 با استفاده از مکانیسم الکتروشیمیایی دستگاهی را طراحی کرد که در سال 1940 تحت عنوان منعقدکننده الکترونیکی مطرح شده بود.، لین در سال 1995 حذف آمونیاك و نیتریت از محلول آبی در راکتور ناپیوسته را بررسی کرد ،.به دلیل بالا بودن هزینه سرمایه گذاری و هزینه گران برق مصرفی استفاده از روش های الکتروشیمیایی برای تصفیه آب و پساب در دنیا گسترش چندانی نیافت. هرچند تحقیقات و مطالعات وسیعی بر روی این روشها در نیمه قرن اخیر انجام پذیرفته است. در پی افزایش استانداردهای آب آشامیدنی و سخت شدن مقررات زیست محیطی در ارتباط با تخلیه پساب به محیط،روشهای الکتروشیمیایی اهمیت خود را در دو دهه اخیر بازیافته اند. کارخانجات مختلفی از جمله کارخانجات بازیابی فلزات، تصفیه آب آشامیدنی یا آب فرآیندی، تصفیه پساب های خروجی از دباغخانه ها، کارخانجات آبکاری فلزات، کارخانجات لبنی، فرآیندهای نساجی، روغن و امولسیونهای روغن در آب از روشهای فوق بهره می برند. هم اکنون نه تنها روشهای الکتروشیمیایی از لحاظ اقتصادی قابل قیاس با تکنولوژی های دیگر می باشند، بلکه بر روشهای دیگر از لحاظ راندمان و منسجم بودن ارجحیت دارد. و در مواردی وجود این واحد در بعضی از فرآیندها ضروری می باشد.

. -انعقادسازي شيميایی و الکتروشيميایی

 طبق تعریف انعقاد عبارتست از پدیده ای که در آن ذرات باردار درون سوسپانسیون کلوئیدی با برخوردهای دوطرفه با یونهای با بار مخالف خنثی شده، تجمع یافته و در نهایت ته نشین می شوند. این روش بر اساس افزایش ماده منعقد کننده همراه با عمل همزدن سریع و سپس افزودن یک ماده لخته ساز توأم با فرآیند اختلاط آرام می باشد. مواد منعقد کننده متداول در این فرآیند معمولا سولفات آلومینیوم با نام تجاری (آلوم ) به همراه آهک، یا سولفات و کلرید آهن می باشند .از مواد گوناگونی از جمله مواد پلیمری برای مثال در جداسازی مواد رنگزا از پساب( می توان به عنوان مواد لخته ساز استفاده نمود.به طور کلی می توان گفت که انعقاد در اثر کاهش بار سطحی خالص به نقطه ای در آن قبال ذرات کلوئیدی به صورت پایا توسط نیروی دافعه قرار داشتندکه در آن مکان نیروی واندروالس توانایی نزدیک کردن آنها به یکدیگر و متراکم نمودن آنها راداشته باشد، صورت می گیرد. کاهش بار سطحی در نتیجه کاهش نیروی دافعه لایه مضاعف الکتریکی اطراف ذرات باردار، با حضوریک الکترولیت که دارای بارهای مخالف آن ذرات است، می باشد .در فرآیند شیمیایی نمکهای آهن یا آلومینیوم به محیط افزوده می شود، ولی در روش الکتروشیمیایی، ماده منعقدساز در داخل سیستم در اثر اکسیداسیون الکتریکی الکترود مناسب موجود در سلول تولید می شود. در این فرآیند آلاینده  های یونی باردار )یونهای فلزی و دیگر مواد( به دو صورت از پساب خارج میگردند.

    واکنش با یونهای با بار مخالف و 2 )واکنش با توده های هیدروکسیدهای فلزی تولید شده در جریان پساب.

    مزایا و معایب روش انعقادسازي الکتروشيميایی

-الف) مزایای روش

 این روش اقتصادی است و از لحاظ محیطی انتخابی مناسب می باشد. نیاز به تجهیزات ساده دارد و برای هر اندازه واقعی قابل طراحی است. کار با آن بسیار ساده است و نیاز به تجهیزات پیچیده ندارد. هزینه راه اندازی و نگهداری آن بسیار پایین است.سبب تولید آب با کیفیت بالا، زلال، بیرنگ و بی بو می گردد. حجم لجن تولیدی در این روش کمتر از لجن EC تصفیه پساب با تولید شده در انعقادسازی شیمیایی است. همچنین لجن تولید شده در این روش به آسانی ته نشین شده و بی آب می گردد، زیرابسیار شبیه توده های تولیدی در روش شیمیایی EC ساختار آن بیشتر حاوی اکسید/ هیدروکسید فلزی است. توده های تولیدی بالاست با این تفاوت که این توده ها تمایل دارند که حجیم تر و حاوی پیوندهای آبی کمتر 5 باشند، مقاوم به اسید و بسیار پایدارند،تولیدی در این روش در مقایسه با روش (TDS)  بنابراین توسط فیلتراسیون به سرعت جدا می گردند. میزان ذرات جامد محلول شیمیایی بسیار کمتراست. و در مواردی که آب حاصل از تصفیه مجدداً مورد استفاده قرار می گیرد، هزینه بازیافت آب بسیار کاهش می یابد. در این تکنولوژی ذرات ریز کلوئیدی نیز حذف می شوند، زیرا میدان الکتریکی موجود سبب حرکت سریعتر، و در نتیجه به دلیل عدم استفاده از مواد شیمیایی، مشکلات روشهای شیمیایی، یعنی اولا  خنثی EC تسهیل انعقاد آنها می گردد. فرآیند خنثی نمودن مازاد ماده شیمیایی به کار رفته و ثانیاً ایجاد آلودگی ثانویه به دلیل استفاده از مقادیر بسیار بالای مواد منعقدکننده در این روشها را ندارد. حبابهای گازی تولید شده در طول الکترولیز سبب انتقال آلاینده ها به سطح محلول میگردد پس این امر کمک به صورت الکتریکی کنترل می گردد و EC تغلیظ، جمع آوری و حذف مواد آالینده می کند. فرآیند الکتروشیمیایی در سلول نیازی به بخشهای متحرك ندارد، پس نیاز به تجهیزات کمتری 3- Harris 4-Electrochemical coagulation 5-Total dissolved solids دارد. این تکنولوژی به سادگی در مناطق روستایی با افزودن صفحات خورشیدی به واحد در صورتی که میزان کافی انرژی الکتریکی در اختیار آن قرار گیرد قابل استفاده است. و یا می توان از منابع طبیعی مانند باد، خورشید و سلولهای سوختی برای تأمین انرژی این فرآیند استفاده نمود که در آن صورت به آن فرآیند سبز گویند.

ب) معایب روش EC

الکترود ها در این روش در اثر اکسیداسیون در جریان پساب حل می شوند، پس نیاز به جایگزینی مجدد دارند. پساب بایستی دارای قابلیت هدایت پذیری حداقلی باشد تا بتوان از این روش استفاده نمود. یک لایه فیلم نفوذ ناپذیر بر سطح کاتد شکل می گردد. البته با تغییر دادن قطبها این مشکل قابل رفع است. در بعضی موارد در تصفیه مواد آلی در صورت وجود یون کلر، احتمال تشکیل محصولات کلردار میانی وجود دارد که این امر مطلوب نمی باشد. که سبب ایجاد طعم و بوی نامطلوب می گردد. در مناطقی که برق گران است استفاده از این روش پرهزینه است.

اکسيداسيون شيميایی

 اکسیداسیون شامل فرایندهایی هست که اساس آنها بر تولید رادیکالهای آزاد هیدروکسیل است که توانایی زیادی در تجزیه مواد آلی مختلف دارند. روشهای اکسیداسیون به دو روش:

 الف) اکسیداسیون شیمیایی با استفاده از مواد اکسیدکننده نظیر اشعه فرابنفش، آب اکسیژنه، معرف فنتون، اشعه گاما ب) فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته شامل کاربرد اُزن، اُزن- اشعه فرابنفش، اُزن-آب اکسیژنه، اُزن-آب اکسیژنه-اشعه فرابنفش، آب اکسیژنه- اشعه فرابنفش، دی اکسید تیتانیوم- اشعه فرابنفش می باشد.

دلیل نامگذاری این فرایندها به نام فرایند اکسیداسیون پیشرفته، تولید رادیکال هیدروکسیل است که ضمن بالاتر بردن قدرت اکسیداسیون، از نظر شرایط عملیات و محصولات جانبی مضر برای محیط زیست تفاوت بسیار زیادی با روشهای متعارف دارد. 7

 اخیراً بیشترین توجه به جداسازی منابع آلی سخت تجزیه پذیر و تصفیه فاضلاب سمی به وسیله فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOP) با استفاده از کاتالیزورهای همگن یا ناهمگن معطوف شده است. تأثیر AOP به شرایط تصفیه از جمله pH ، دما و غلظت واکنشگرها بستگی دارد. همچنین فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته می تواند برای تخریب آلاینده هایی که بعد از فرایند تصفیه در پساب باقیمانده است، به کاربرده شود.

از مزیت های روش AOP می توان توجه به پسابهایی که به مواد مختلف آلوده هستند را نام برد. موفقیت روشهایAOP  به بیشینه کاهش مواد جامد معلق، کلوئیدها و روغنها و سایر عاملهای محدودکننده وابسته است. فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته هم از لحاظ اقتصادی به صرفه و هم در کاهش آلودگیها موثر هستند و به عنوان یکی از بهترین روشها برای پاکسازی مواد آلی پساب مطرح هستند. در سال های اخیر فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته که بر مبنای تولید رادیکالهای آزاد و فعال به ویژه هیدروکسیل متکی هستند به دلیل قدرت بالای اکسایش بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.

انواع روش هاي اکسيداسيون پيشرفته

 فرآیند فنتون

:الف-1-3 فرآیند فنتون عبارتست از واکنش مستقیم پراکسیدهیدروژن با آهنll به منظور تولید رادیکالOH•که یک اکسید کنندة قوی میباشد.

روش فنتون یکی از روش های اکسیداسیون سنتی است. که در آن فرایند تولید رادیکال های هیدروکسیل غیرانتخابی از طریق واکنش بین پروکسید هیدروژن و نمکهای آهن دوظرفیتی به عنوان کاتالیزور صورت می گیرد. انجام واکنش، بستگی به غلظت رادیکالهای هیدروکسیل تولید شده در واکنش دارد

. پراکسید هیدروژن(H2O2) ، به علت وضعیت ناپایدار و اینکه به راحتی اکسیژن اضافی اتمی خود را از دست می دهد، به عنوان یک ماده اکسید کننده عالی شناخته شده است که برای اکسید کردن آمین ها، آلدئیدها و سیانید ها، بدون استفاده از کاتالیست، مورد استفاده قرار گرفته است. Fe (عمده ترین کاتالیست استفاده شده برای اکسید کردن آلاینده های سخت تجزیه به همراه پراکسید هیدروژن می باشد؛ که یونهای آهن به این فرایند فنتون گفته می شود. فرایند فنتون یکی از قدیمی ترین و قویترین فرایندهای اکسیداسیون به کار گرفته شده می باشد. اختلاط پراکسید هیدروژن و سولفات آهن ( FeSO4) یا نمک های دیگر آهن دو ظرفیتی، در pH پایین 2) تا 4( ،)سبب تجزیه کاتالیتیکی پراکسید هیدروژن، توسط یون های آهن(II ، (به رادیکال های هیدروکسیل می گردد.

به علت فراوانی و غیر سمی بودن یون های آهن و کاربرد آسان و نداشتن اثر مضر پراکسید هیدروژن بر محیط زیست، فرایند فنتون مقرون بصرفه و سازگار با محیط زیست می باشد. فرایند فنتون برای اکسید کردن بسیاری از آالینده های آلی از قبیل: رنگ، فاضلاب های پر بار و دارویی، آب های زیر زمینی، تری هالومتان ها، آمین های آروماتیک، آلفاتیک های کلرینه، شیرابه زباله ها، حشره کش ها و مواد آلی مقاوم به تجزیه مورد استفاده قرار گرفته است. زمان واکنش در این فرایند پایین بوده و می تواند برای بار الی تا 5000 میلی گرم در لیتربر حسب ( COD) مورد استفاده قرار بگیرد.

از معایب فرایند فنتون این می باشد که فقط در pH های پایین انجام می شود و حرارت تولید شده می تواند منجر به خروج ماده آلی فرار از سیستم گردد. راندمان اکسیداسیون بستگی به pH و نسبت غلظت آهن (II )به پراکسید هیدروژن دارد. بهترین pH حدود 3 می باشد. در pH بالا پراکسید هیدروژن خودبخود تجزیه می گردد و آهن به صورت هیدروکسید    [endif]-->رسوب می کند و پراکسید هیدروژن به آب و اکسیژن، بدون تشکیل رادیکال هیدروکسیل، تجزیه خواهد شد. این در حالی است که در pH کمتر از 3 ،یون های هیدروژن سبب بدام انداختن رادیکال های هیدروکسیل می گردند. در این فرایند کاتالیست توسط پراکسید هیدروژن دوباره احیاء می گردد. محدودیت دیگر این روش، علاوه بر بهره برداری در pH پایین، احیاء بسیار کند کاتالیست است، بنابراین برای انجام واکنش افزودن مستمر کاتالیست ضروری می باشد

. البته مطلوبیت این روش به دلیل فراوانی و غیرسمی بودن آهن، کاربرد آسان پروکسید و ایمنی زیست محیطی آن می باشد .واکنش در شرایط اسیدی مطابق معادله زیر می باشد

. یونهای[endif]--> [endif]--> رادیکال OH و پراکسید هیدروژن با مشارکت مجدد در چند مرحله واکنش شیمیایی دیگر، رادیکال HO2 را تولید می کنند. حذف کلی کربن آلی نیاز به مقدار زیاد اکسید کننده و یا زمان ماند طولانی دارد. از این رو تصفیه بیولوژیکی ارزان قیمت متعاقب یک پیش تصفیه با روش فنتون حتی با اکسیداسیون جزئی آلاینده ها ،روش کارآمدی در تصفیه چنین ترکیبی شناخته شده است.

فرآیند فتوفنتون

افزودن پرتوهای UV به فرایند فنتون سبب افزایش احیاء کاتالیست و نیز تولید رادیکال هیدروکسیل می گردد که در نهایت باعث افزایش راندمان اکسیداسیون می شود. در فرایند فتوفنتون رادیکال هیدروکسیل با سه روش تولید می گردد که شامل:

    الف) تجزیه نوری پراکسید هیدروژن

    ب( افزایش احیاء آهن (III) توسط پراکسید هیدروژن

 ج) احیاء نوری آهن فریک ( FeOH) به آهن (II )می باشد

 راندمان اکسیداسیون علاوه بر موارد فنتون به شدت نور UVنیز بستگی دارد. فرایند فتوفنتون نیز مانند فرایند فنتون در pH پایین بیشترین کارایی را دارد و در pH بالاتر از 4 به علت رسوب هیدروکسید آهن و کاهش انتقال پرتوهایUV ،راندمان اکسیداسیون کاهش می یابد.

. از مزایای روش فتوفنتون راندمان بالاتر نسبت به فرایند فنتون می باشد. هر چند تفاوت زیادی در راندمان حذف آلاینده در مقایسه با فرایند فنتون وجود ندارد ولی افزایش معدنی سازی با این فرایند بسیار چشمگیر و در بعضی موارد تا حدود دو برابر نیز بوده است. بطور کلی علاوه بر فاکتور محدود کننده pHدر فرایند فتوفنتون، همانند همه فرایندهای نوری از معایب فرایند فتوفنتون کاهش نفوذ پرتوهای UV با افزایش کدورت پساب و در نتیجه کاهش راندمان می باشد.

فرایندهای فتو کاتالیستی

  واژه فتوکاتالیست در اصل به معنی شتاب بخشیدن به یک واکنش فتونی توسط کاتالیست است. به طور دقیق تر، کاتالیست در شرایط تهییج شده یا عادی خود از طریق میان کنش با مواد واکنشگر یا محصولات اولیه، واکنش فتونی را تسریع خواهد کرد. کاتالیست ها انواع مختلف دارند .بهترین هایی که به عنوان 10 راه برای تمیز کردن آبهای آلوده استفاده از کاتالیستی است که برای تعداد زیادی از آلاینده ها کاربرد داشته باشد. نیمه هادی مناسب، پایداری قابل قبول در مقابل نور، غیر 11 فتوکاتالیست مورد استفاده قرار می گیرند باید دارای خصوصیات ویژه ای از قبیل شکاف انرژی سمی بودن، ارزان بودن و غیره باشند. مواد مختلفی مانند WO3 ، TiO2 ،ZnO ،ZrO2 ،CdS ،MoS2 ،Fe2O3و کامپوزیتهای آنها به عنوان فتوکاتالیست در تجزیه آلاینده های آلی و معدنی مورد بررسی قرار گرفته اند.

فرایند فتوکاتالیز شامل دو تکنیک همزمان با شیوه های عمل متفاوت است:

الف) فتوشیمی که در آن انرژی بوسیله تابش فراهم می شود؛

 ب) کاتالیز کردن که بر روی سرعت واکنش تاثیر می گذارد

. امروزه از نیمه هادیها بطور وسیعی جهت کاتالیزور در فرایندهای فتو کاتالیستی ناهمگن استفاده می شود. بر خلاف فلزات که حالت الکترونی پیوسته دارند، نیمه هادی ها دارای یک ناحیه خالی از انرژی هستند. به عبارت دیگر نیمه هادی ها از نظر انرژی دارای ساختار نواری هستند. سطوح انرژی که مربوط به پیوند کوالانسی میان اتم هاست، نوار ظرفیت و سطوح انرژی دیگر که در مکان بالاتری قرار گرفته اند نوار رسانش نامیده می شود

. منطقه تهییج که از بالای نوار ظرفیت پر شده و تا زیر نوار رسانش خالی گسترده شده است را شکاف نوری یا شکاف انرژی می نامند که تعیین کننده حساسیت نیمه رسانا به طول موج تابش است. جذب تابشی که انرژی بیشتر یا برابر با شکاف نواری (Ebg) نیمه رسانا داشته باشد، باعث ارتقاء الکترون از نوار والانس به نوار رسانش شده و ایجاد حفره هایی در نوار والانس می نماید. در این حالت یک جفت الکترون شامل الکترون باند (ecb)  الکترون حفره تولید می شود. آب توسط الکترون حفره به رادیکال حفره اکسید می گردد و اکسیژن توسط الکترون به رادیکال سوپراکساید احیاء می گردد

. در بین فتوکاتالیزورها دی اکسید تیتانیم بهترین توافق را بین عملکرد کاتالیزوری و پایداری در محیط آبی را فراهم می کند و رایج ترین و مرسوم ترین ماده ای است که به عنوان فتوکاتالیزور استفاده شده است. عوامل متعددی مانند شدت نور و طول موج آن، اکسیژن محلول، pHو حضور یونها بر میزان تجزیه آلاینده ها در فتوراکتورها موثر است. تاثیر شدت و طول موج نور UV در اکسیداسیون یونهای هالیدی توسط اکسیژن در محلول TiO2معلق نشان می دهد که تنها فتونهای با طول موج کمتر از لبه جذب TiO2 تقریبا 400 نانومتر در واکنش موثرند.

انرژی خورشیدی متمرکز باعث تخریب بسیاری از مواد شیمیایی خطرناك از قبیل دی اکسینها، PCBها، فورانها، بنزنها و متان های کلرینه شده می شود. تخریب این ترکیبات توسط فتونهای پر انرژی موجود در فرایندهای تخریب خورشیدی بر خلاف فرایندهای سوزاندن متداول، بطور محسوسی افزایش می یابد. همچنین افزایش شدت تابش، میزان تخریب ترکیبات آلی را افزایش می دهد.

دی اکسید تیتانیوم ، پراکسید هیدروژن و پرتوهای ماورای بنفش(UV | H2O2 | TiO2)

راندمان فرایند فتوکاتالیتیکی با افزودن پراکسید هیدروژن افزایش می یابد. روش افزودن پراکسید هیدروژن مهم می باشد؛ به این علت که حضور پراکسید هیدروژن اضافی به عنوان بدام انداز رادیکال عمل می کنند. یکی از این روش ها تولید و افزودن پراکسید هیدروژن توسط فرایند فتوالکتروکاتالیتیکی در سطح الکترود کربن می باشد

. بنابراین توصیه می شود تولید الکتروشیمیایی پراکسید هیدروژن، با جریان مستمر و مقدار مناسب، سبب بهبود فرایند UV /H2O2 / TiO2 می گردد. از معایب روش دی اکسید تیتانیوم/ پراکسید هیدروژن/ پرتوهای ماورای بنفش، همانند سایر فرایندهای فتو کاتالیزوری، مصرف مداوم و بالای کاتالیست و هزینه بالای آن و همچنین عدم امکان جداسازی کاتالیست در صورت کاربری به صورت هموژن و یا ابعاد نانویی از پساب خروجی و وجود خود کاتالیست بعنوان آلاینده  می باشد.

پراکسید هیدروژن وپرتوهای ماورای بنفش(UV | H2O2)

 در سیستم پراکسید هیدروژن پرتوهای ماورای بنفش با افزودن پرکسید هیدروژن به فرایند پرتودهی توسط اشعه ماورای بنفش، مقدار حذف آلاینده ها افزایش می یابد. پراکسید هیدروژن ارزانتر از تولید ازن می باشد و پیچیدگی های فرایند و ایمنی کاربرد آن از ازن سمی کمتر می باشد . فتولیز یک مول پر کسید هیدروژن منجر به تولید دو مول رادیکال هیدروکسیل خواهد شد

. این پدیده، از لحاظ تئوریکی، برای تصفیه فاضلاب عالی می باشد، ولی در عمل به علت پایین بودن ضریب از بین رفتن پراکسید هیدروژن جذب پرتو UV در طول موج 254 نانومتر ضعیف می باشد؛ که این سبب کاهش راندمان تولید رادیکال هیدروکسیل می گردد. به علت پایین بودن این ضریب جذب، پراکسید هیدروژن اضافی و یا زمان پرتو دهی بیشتر با پرتوهای UV مورد نیاز می باشد. در تصفیه آب، غلظت بالای پراکسید هیدروژن در خروجی سیستم تصفیه مشکل ساز می باشد؛ به طوری که حد مجاز غلظت آن در آلمان1/0 میلی گرم در لیتر می باشد

. راندمان اکسیداسیون به مقدار رادیکال هیدروکسیل تولیدی از طریق تجزیه نوری پراکسید هیدروژن بستگی دارد. در صورتی که مقدار جذبUV توسط مواد موجود در آب یا فاضلاب افزایش یابد، پراکسید هیدروژن باید برای جذب UV رقابت نماید؛ که نتیجه آن سبب کاهش جذب UV و در نتیجه کاهش تولید رادیکال هیدروکسیل می گردد.

ازن جاذب شدیدتر UV نسبت به پراکسید هیدروژن می باشد، بنابراین تولید رادیکال هیدروکسیل در آن بیشتر است. ساده ترین روش تولید رادیکال های هیدروکسیل شکست فتوشیمیایی پراکسید هیدروژن توسط پرتوهای UV می باشد. به طور تئوریکی، با جذب هر کوانتوم پرتو UV دو رادیکال هیدروکسیل تشکیل می گردد با این حال این فرایند محدودیت های زیادی دارد. از اشکالات این سیستم، جذب مولی اندك UV توسط پراکسید هیدروژن نسبت به ازن در طول موج 254nm می باشد؛ که نتیجه آن نیاز به غلظت بالای پراکسید هیدروژن برای تولید رادیکال های هیدروکسیل می باشد

.