تصفیه فاضلاب صنعتی به روش اکسیداسیون شیمیایی

اکسیداسیون شیمیایی

اکسیداسیون شیمیایی، واکنش هایی هستند که در طی آنها یک یا چند الکترون از ماده شیمیایی مورد نظر به ماده دیگر که اکسید کننده نامیده می شود منتقل می گردد. به عبارتی وقتی که الکترونها از یک یون، اتم یا مولکول حذف شوند، ماده اکسید شده و هنگامی که الکترونها به یک یون، اتم یا مولکول افزوده شوند ماده احیا می شود . واکنش های اکسیداسیون و احیا نقش مهمی در مهندسی محیط زیست دارند. جدول  زیر قدرت اکسیدکنندگی بعضی از عوامل اکسید کننده، که اکثرا مورد استفاده قرار می گیرند را نشان می دهد .

قدرت اکسیدکنندگی بعضی از عوامل اکسید کننده

وقتی که اکسیداسیون شیمیایی انجام می گیرد، اکسیداسیون کامل ترکیب مورد نظر یا گروهی از ترکیبات ممکن است ضروری نباشد.در بیشتر موارد، اکسیداسیون جزیی برای ترکیبات ساده تر و قابل تجزیه تر برای تصفیه بیولوژیکی بعدی یا کاهش سمیت آن کافی می باشد. فرایندهای اکسیداسیون شیمیایی به دو گروه تقسیم می گردند:
– فرآیندهای اکسیداسیون شیمیایی کلاسیک
–  فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته(AOP)

اکسیداسیون شیمیایی کلاسیک
معمولا تصفیه های شیمیایی کلاسیک شامل افزودن عامل اکسیدکننده به آب حاوی آلودگی برای اکسید کردن آن می باشد.اکسیداسیون شیمیایی به طور  گسترده در تصفیه مواد آلی خطرناک مورد استفاده قرار گرفته است.امروزه با کاربرد تکنولوژی می توان با پایش پارامترهای فرآیند به طور موثر و بی خطر فرآیند اکسیداسیون را در مقیاس پروژه های بزرگ به کار گرفت.این امر  عمدتا به دلیل سهولت دسترسی و مسائل اقتصادی است.لذا بطور مختصر به شرح عملکرد عوامل اکسیدکننده مورد استفاده در تصفیه آب و فاضلاب اشاره می گردد.

اکسیداسیون با کلر
کلر یک اکسید کننده شیمیایی خوبی است و باعث نابودی میکروارگانیسم ها می شود. کلر به صورت عنصر و یا به صورت هیپوکلریت عامل اکسیدکننده قوی می باشد و می توان آن را به طور کارآمد در اکسیداسیون سیانید به کار برد.

اکسیداسیون با پرمنگنات پتاسیم
پرمنگنات پتاسیم به صورت کریستال ها و یا گرانول های بنفش تیره با جلای فلزی می باشد و در صورتی که بصورت خشک در تماس با اسید سولفوریک غلیظ یا پراکسید هیدروژن قرار گیرد، سبب انفجار می گردد.از این اکسید کننده جهت حذف برخی از ترکیبات آلی استفاده می شود.عمدتا در حذف آلدئید ها، مرکاپتان ها، فنل و اسیدهای غیر اشباع به کار برده می شود .در بحث مواد زائد خطرناک عمده ترین کاربرد آن مربوط به حذف ترکیبات فنلی است .
در طی واکنش، حلقه آروماتیک شکسته شده و مولکول با وضیعت خطی ایجاد می گردد.ترکیبات آلیفاتیک بیشتر اکسید شده و آب و دی اکسید کربن بوجود می آید.پیشرفت واکنش سریع بوده و بستگی زیادی به pH محیط دارند. pH های بالاتر از ۵/۹ مناسب هستند. کاربرد پرمنگنات به دلیل هزینه زیاد مواد مورد نیاز و سمیت آن برای آبزیان در مقیاس بزرگ توسعه نیافته است. یک عیب دیگر کاربرد پرمنگنات پتاسیم به عنوان اکسید کننده تشکیل دی اکسید منگنز می باشدکه رسوب نموده و بایستی با زلال سازی یا فیلتراسیون از سیستم خارج شود .

اکسیداسیون با پراکسید هیدروژن
پراکسید هیدروژن یک ترکیب اکسید کننده بسیار قوی است که به نحو موثر و در مقیاس وسیع جهت اکسیداسیون ترکیباتی چون فنل ها، سیانیدها، ترکیبات گوگردی و یونهای فلزی به کار گرفته شده است. ترکیب تجاری آن در آب محلول، بی رنگ و با درصد خلوص۷۰-۳۰ درصد می باشد.این ترکیب اکسیدکننده قوی در طی تجزیه، اکسیژن و گرمای زیادی ایجاد می کند.مقادیر اندکی از برخی فلزات می تواند نقش مهمی به عنوان کاتالیزور در فرآیندهای اکسیداسیون با پراکسید هیدروژن ایفا نمایند.این اکسید کننده یک ماده به نسبت بی خطر بوده و در تصفیه بسیاری از مواد آلی و معدنی به کار رفته است .به علاوه افزایش پراکسید هیدروژن قادر است به نحو موثر حلقه بنزنی را در طیف وسیعی از درجه حرارت و غلظت اکسید نماید.این فرآیند بسیار به pH حساس بوده و دامنه pH بهینه در حدود۴-۳ متغییر است.پراکسید هیدروژن در حضور یک کاتالیست مثل آهن، ایجاد رادیکال هیدروکسیل نموده که با مواد آلی ترکیب شده و ساختار آن ها را در هم می شکند.مزیت اصلی آن شامل ارزان بودن، قدرت اکسیدکنندگی بالا، سهولت جابجایی، حلالیت در آب و عدم تولید محصولات جانبی سمی و رنگی می باشد .

اکسیداسیون با ازن
ازن در اکثر کاربردهایش مانند حذف رنگ، ضدعفونی کردن، حذف بو و طعم، حذف منیزیم و ترکیبات آلی موثر می باشد و یک محلول ناپایدار، دارای خاصیت اکسیدکنندگی بسیار قوی می باشد.درشرایط دما و فشار استاندارد، دارای حلالیت کم در آب بوده و ناپایدار است. میزان حلالیت آن در آب بر حسب وزنی تقریبا ۱۰ برابر بیشتر از حلالیت اکسیژن در آب می باشد.ازن در تصفیه پساب های صنعتی به منظور  اکسیدکردن ترکیبات آلی به مواد با سمیت کمتر ، بکار گرفته می شود .قدرت ازن در اکسیدکنندگی دو برابر قدرت پراکسید هیدروژن می باشد.هدف در تصفیه پساب های محتوی ترکیبات فنلی، اکسیدکردن این ترکیبات به مواد آلی واسطه است.اگرچه سمی هستند ولی کاملا از نظر زیستی قابل تجزیه می باشند.

فرآیندهای اكسیداسیون پیشرفته(AOP)
معمولاً فرآیندهای اكسیداسیون پیشرفته شامل تولید و كاربرد رادیكال آزاد هیدروكسیل ۲۸ به عنوان یك اكسید كننده قوی به منظور تخریب تركیباتی است كه با اكسید كننده های متداول نظیر اكسیژن، ازن و كلر بطور كامل اكسید نمی شوند. رادیكال هیدروكسیل با تركیبات محلول واكنش می دهد و باعث شروع واكنشهای اكسیداسیون می گردد تا اینكه تركیب مورد نظر به طور كامل حذف شوند این فرآیندهای تصفیه به عنوان روش های مناسب برای حذف آلاینده های منابع آب زیرزمینی، سطحی و فاضلابهای صنعتی حاوی آلاینده های آلی غیر قابل تجزیه بیولوژیكی در نظر گرفته می شوند. رادیكال های هیدروكسیل به طور فوق العاده ای واكنش پذیر هستند كه به اكثر تركیبات آلی حمله می كنند. معمولاً  سینتیك واكنش با توجه به غلظت رادیكال های هیدروكسیل و غلظت آلاینده از درجه اول تبعیت می كند و ثابت های سرعت معمولاً در محدوده ۱۰۸ تا ۱۰۱۱ لیتر بر مول بر ثانیه می باشند. چنانچه غلظت رادیكال ۱۰- ۱۰ مول بر لیتر باشد، ثابت سرعت واكنش شبه درجه اول بین یك تا ۴ – ۱۰ تا ۱۲ – هیدروكسیل بر ثانیه بدست می آید. در حال حاضر، فن آوری های مختلفی در فرآیندهای اكسیداسیون پیشرفته برای تولید رادیكال هیدروکسیل وجود دارد . این فرآیندها را بر اساس فرآیندهایی بر پایه پرتو فرابنفش، فرآیندهای بر پایه پراكسیدهیدروژن و یا  فرآیندهایی بر پایه ازن در منابع و متون مختلف تقسیم بندی شده است .