Integrovaný systém pro čištění vody využívající nových kompozitních materiálů

 

V rámci této individuální aktivity bude dokončen vývoj a testování jednotlivých komponent integrovaného systému pro čištění vody. Tyto komponenty budou součástí přenosného dekontaminačního zařízení spojující elektrokoagulační jednotku, introdukci peroxidu vodíku a člen zahrnující fotochemickou oxidaci. Výběr elektrokoagulační technologie a metody fotochemické oxidace byl proveden na základě zkušeností členů týmu s jednotlivými segmenty pracujícími samostatně, jejichž kombinace a efektivní propojení povede k velmi širokému spektru kontaminantů, které bude možné ze znečištěné vody odstranit.

 

Elektrokoagulace

Do pojmu standardní chemické koagulace nebolichemického srážení, je zahrnuto široké spektrum metod, které si kladou za cíl snížit určité znečištění vody na úroveň, při kterých je původně značně znečištěná voda vhodná pro využití v dalších čistících technologiích. Při klasickém chemickém srážení dochází k vylučování kontaminantů v podobě pevné látky (sraženina) důsledkem přídavku srážecího chemického činidla. Chemické srážení je velmi často využíváno společnostmi zabývajícími se čištěním vody, nicméně značná nevýhoda spočívá právě v použití srážecích chemikálií, které jsou často nebezpečné nebo leptavé. Tyto chemikálie musí být skladovány v souladu s bezpečností a manipulace s nimi je povolena pouze proškoleným osobám.

Elektrokoagulace je principiálně velice podobná standardní chemické koagulaci. Také dochází k vysrážení kontaminantů v podobě pevných látek, nicméně bez nutnosti přídavku jakékoliv koagulační chemikálie. Tím také odpadá nutnost manipulace s nimi. Při procesu elektrokoagulace se využívá řízeného rozpouštění elektrody v důsledku aplikace elektrického proudu. Tím dochází k dodávání srážecího agens do zpracovávané kontaminované vody. Jako materiál elektrod mohou sloužit běžně dostupné druhy ocelí, ale i speciálně upravené železné elektrody. V případě absence železa je možno využít hliníkové elektrody.

Koagulanty jsou do zpracovávané vody uvolňovány z anody v podobě kladně nabitých iontů, které reakcí s hydroxidovými anionty vzniklými na katodě vytváří pevné hydroxidy železa (hliníku) s porézním povrchem, na něž dochází k absorpci kontaminantů. Následná separace vysrážených částic s absorbovanými kontaminanty je pak odstraněna usazováním nebo filtrací. Při procesu elektrokoagulace dochází k mnoha chemickým reakcím, přičemž ty nejzásadnější jsou uvedeny níže a příslušný obrázek si klade za cíl zjednodušeného pochopení dějů při elektrokoagulaci:

Rovnice jsou uvedeny pro železnou elektrodu. Rovnice 1 představuje elektrochemické rozpouštění železa na anodě:

Fe(s) → Fe2+(aq) + 2e− (1)

Na katodě pak dochází k vzniku hydroxidových aniontů:

2H2O + 2e− → 2OH− + H2 (2)

Dále při elektrokoagulaci probíhá vytváření kovových hydroxidů. Rovnice 3 a 4 znázorňují mechanismy jejich vytváření.

Fe2+(aq) + 2 H2O(l) → Fe(OH)2(s) + H2(g) (3)

Při přítomnosti kyslíku mohou být rozpuštěné Fe2+ dále oxidovány na Fe3+ a vytvořeny příslušné hydroxidy:

2 Fe2+(aq) + 5 H2O(l) + ½ O2(g) → Fe(OH)3(s) + 4 H+(aq) (4)

UV Oxidace

Oxidace organických látek s využitím UV zářením je jednou ze skupiny metod, která bývá souhrnně označována jako pokročilé oxidační procesy (AOP). V těchto procesech dochází k oxidaci organických látek hydroxylovými radikály, které jsou jedním z nejúčinnějších oxidačních činidel vůbec. Procesy spadající do této kategorií se liší především způsobem, jakým dochází ke generování hydroxylových radikálů.

V rámci integrovaného zařízení bude implementován proces fotochemické oxidace, jejímž principem je rozklad peroxidu vodíku působením krátkovlnného ultrafialového záření na hydroxylové radikály, které se účastní vlastní reakce s organickými látkami. Následující chemické rovnice ukazují zjednodušený mechanismus vzniku hydroxylových radikálů:

H2O2 + hν → 2 OH• (5)

OH• + H2O2 → HO2• + H2O (6)

HO2• + H2O2 → OH• + H2O + O2 (7)

2 HO2•→ H2O2 + O2 (8)

Kde rovnice 5 ukazuje přímý rozklad molekuly peroxidu vodíku, rovnice 6 a 7 popisují jejich další vzájemné reakce za vzniku superoxidového a následně opět hydroxylového radikálu. Rovnice 8 ukazuje možnost rekombinace radikálů za opětovného vzniku peroxidu vodíku.

Hydroxylové radikály pak atakují organické látky a řetězovými reakcemi je oxidují postupně až na neškodné anorganické produkty, oxid uhličitý a vodu. V případě substituovaných uhlovodíků je možno také pozorovat vznik příslušných minerálních kyselin. Mechanismus reakce hydroxylového radikálu s organickou látkou je závislý na typu organické molekuly. Příklad ataku molekuly 4-CP, jako běžné modelové sloučeniny pro fotochemické oxidace je znázorněn rovnicí 9. Uvedenou rovnicí 9 však oxidace hydroxylovým radikálem nekončí a pokračuje dále přes různé reakční meziprodukty až na CO2 a H2O.

Jak vidno ze stručného popisu principů implementovaných technologií, integrovaný systém pro čištění vody obsahuje jak segment pro odstranění anorganické kontaminace, tak segment pro odstranění organické kontaminace. Jejich spojení ve funkční celek povede ke komplexnímu zařízení schopného odstranit velké množství znečišťujících látek. Výhodou krátkovlnného UV záření je také fakt, že je schopno likvidovat bakterie, které by mohly být ve vodě obsaženy, takže by zpracovaná voda byla zbavena i této kontaminace.