مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب به روش فوتوکاتالیست:

۱. مقدمه

فوتوکاتالیست یک فناوری پیشرفته مبتنی بر استفاده از نور (معمولاً UV) و مواد نیمه‌هادی (مانند دی‌اکسید تیتانیوم TiO₂) برای تخریب آلاینده‌های آلی، میکروارگانیسم‌ها و ترکیبات سمی در آب است. این روش به دلیل راندمان بالا، عدم تولید لجن و سازگاری با محیط زیست، در تصفیه آب و فاضلاب کاربرد گسترده دارد.

۲. مکانیسم عملکرد

۱. فعال‌سازی کاتالیست: تابش نور UV به نانوذرات TiO₂، الکترون‌های آن را برانگیخته و جفت حفره-الکترون (e⁻/h⁺) ایجاد می‌کند.
۲. تولید رادیکال‌های آزاد:

• حفره‌های مثبت (h⁺) با آب واکنش داده و رادیکال هیدروکسیل (OH·) تولید می‌کنند.

• الکترون‌ها (e⁻) با اکسیژن محلول ترکیب شده و سوپراکسید (O₂⁻) ایجاد می‌کنند.
  ۳. تخریب آلاینده‌ها: رادیکال‌های آزاد، پیوندهای آلی را شکسته و آن‌ها را به CO₂، H₂O و ترکیبات ساده تبدیل می‌کنند.

۳. پارامترهای طراحی کلیدی

پارامتر محدوده بهینه توضیح

نوع کاتالیست TiO₂ (آناتاز)، ZnO، نانوکامپوزیت‌هاانتخاب بر اساس طیف جذب نور و آلاینده

شدت نور UV۲۰۰–۴۰۰ نانومتر (UVA)طول موج مناسب برای فعال‌سازی TiO₂

غلظت کاتالیست ۰.۱–۲ گرم بر لیتر بهینه برای تعادل سطح فعال و پراکندگی

زمان تماس ۳۰–۱۲۰ دقیقه بسته به نوع و غلظت آلاینده

pH آب ۳–۹ تأثیر مستقیم بر فعالیت کاتالیست

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه انرژی نور مورد نیاز

انرژی (W/m²) = (شدت نور (μW/cm²) × مساحت سطح کاتالیست (m²)) / ۱۰۰  

• مثال: شدت نور ۱۰۰۰ μW/cm² و مساحت ۲ m² → انرژی ≈ ۲۰ W/m².

ب. نرخ واکنش فوتوکاتالیستی

نرخ تخریب (mg/L/min) = (k × C × I × S) / (۱ + k × C × t)  
k: ثابت سرعت، C: غلظت آلاینده، I: شدت نور، S: سطح کاتالیست، t: زمان  

ج. حجم راکتور

حجم (L) = دبی (L/h) × زمان تماس (h)  

• مثال: دبی ۱۰۰ L/h و زمان تماس ۱ ساعت → حجم = ۱۰۰ L.

۵. ساخت و تجهیزات

الف. اجزای اصلی سیستم

• منبع نور UV: لامپ‌های LED یا فشار متوسط با طول موج ۳۶۵ نانومتر.

• نانوذرات کاتالیست: پوشش‌دهی TiO₂ روی سطوح (شیشه، سرامیک) یا استفاده به صورت سوسپانسیون.

• راکتور: مخزن شیشه‌ای یا استیل ضدزنگ با قابلیت عبور نور.

• سیستم گردش آب: پمپ‌های مقاوم به خوردگی و فیلترهای نگهدارنده کاتالیست.

ب. مصالح و مواد

• نانوذرات TiO₂: آناتاز با خلوص ≥ ۹۹%.

• پشتیبان کاتالیست: سرامیک متخلخل، فایبرگلاس یا نانولوله‌های کربنی.

• محفظه راکتور: کوارتز یا شیشه UV-transparent برای عبور نور.

۶. مراحل اجرا

۱. آماده‌سازی کاتالیست:

• پوشش‌دهی TiO₂ روی سطوح با روش‌های سل-ژل، اسپری یا رسوب الکتروشیمیایی.

• یا استفاده از سوسپانسیون نانوذرات در آب.
  ۲. نصب سیستم نورپردازی:

• قراردادن لامپ‌های UV در راکتور با فاصله مناسب از سطح کاتالیست.
  ۳. راه‌اندازی سیستم:

• تنظیم pH آب (معمولاً ۵–۷) برای حداکثر فعالیت کاتالیست.

• تزریق آب آلوده به راکتور و فعال‌سازی همزمان نور و کاتالیست.
  ۴. پایش و کنترل:

• اندازه‌گیری غلظت آلاینده، شدت نور و pH به صورت مداوم.

۷. چالش‌ها و مدیریت

• کاهش فعالیت کاتالیست:

  • علت: تجمع آلاینده‌ها روی سطح کاتالیست (فولینگ).

  • راهکار: شستشوی دوره‌ای با محلول اسید رقیق (مانند HNO₃) یا تابش UV شدید.

• هزینه انرژی:

  • راهکار: استفاده از نور خورشید (فتوکاتالیست خورشیدی) یا LED کم‌مصرف.

• جداکردن کاتالیست:

  • راهکار: استفاده از کاتالیست تثبیت‌شده روی بستر ثابت یا فیلتراسیون غشایی.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۵۰ m³/day

• آلاینده: ۱۰ mg/L فنول

• هدف: کاهش غلظت به ≤ ۰.۱ mg/L

محاسبات:

• زمان تماس: ۶۰ دقیقه → حجم راکتور = ۵۰ m³/day / ۲۴ ≈ ۲.۰۸ m³.

• غلظت کاتالیست: ۱ g/L TiO₂ → نیاز ≈ ۲.۰۸ kg TiO₂.

• انرژی نور: ۳۰ W/m² برای سطح ۱۰ m² → توان کل = ۳۰۰ W.

تجهیزات:

• راکتور شیشه‌ای به حجم ۲.۵ m³ با لامپ‌های UV-A.

• نانوذرات TiO₂ پوشش‌دهی‌شده روی صفحات سرامیکی.

• سیستم کنترل pH و دما.

۹. پیشرفت‌های نوین

• کاتالیست‌های هیبریدی: ترکیب TiO₂ با نانوذرات فلزی (Ag، Au) یا گرافن برای افزایش جذب نور.

• راکتورهای خورشیدی: استفاده از نور طبیعی خورشید به جای UV مصنوعی.

• سیستم‌های ترکیبی: ادغام با اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) یا فیلتراسیون غشایی.

۱۰. نتیجه‌گیری

فوتوکاتالیست به عنوان یک روش سبز و مؤثر، توانایی حذف طیف وسیعی از آلاینده‌ها را دارد. طراحی سیستم نیازمند محاسبه دقیق پارامترهای نوری، غلظت کاتالیست و زمان تماس است. استفاده از فناوری‌های نوین مانند نانوکامپوزیت‌ها و سیستم‌های خورشیدی، هزینه‌ها را کاهش و راندمان را افزایش می‌دهد. این روش به ویژه برای تصفیه آب‌های صنعتی و آشامیدنی با آلاینده‌های مقاوم پیشنهاد می‌شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب