Grondwaterzuivering, chemische oxidatie, uitvoeringsvormen
De volgende drie uitvoeringsvormen van chemische oxidatie van grondwater worden onderscheiden :
- Chemische oxidatie
- Fotochemische oxidatie
- Katalytische oxidatie
Chemische oxidatie
Er bestaat een veelvoud aan processen waarbij via chemische oxidatie verontreinigingen worden afgebroken. Chemische oxidatie met zuurstof (verbranden) is hiervan de bekendste. Een maat voor het oxiderend vermogen van een stof is de oxidatiepotentiaal. Met name hydroxylradicalen, die ontstaan bij bestraling van waterstofperoxide of ozon met UV-licht, hebben een hoge oxidatiepotentiaal en zijn goed in staat verbindingen te oxideren, zie onderstaande tabel.
Oxidatiepotentiaal en relatief oxiderend vermogen van oxidatoren
|
Oxidatiereactie |
Oxidatie- potentiaal [V] |
Relatief oxiderend vermogen t.o.v. Cl2 |
|
|
Hydroxyl radicaal O (g) + 2H+ + 2e <-> H2O O3 + 2H+ + 2e <-> O2 + H2O ClO2 + 2H2O + 5e <-> Cl- + 4OH- H2O2 + 2H+ + 2e <-> 2H2O HClO + H+ + 2e <-> Cl- + H2O Cl2 (g) + e <-> 2 Cl- |
(.OH) (Atomair zuurstof) (ozon) (chloordioxide) (waterstofperox ide) (hypochloorzuur) (chloor) |
2,80 2,42 2,07 1,91 1,78 1,49 1,36 |
2,05 1,78 1,52 1,42 1,30 1,10 1,00 |
Chemische oxidatie met behulp van hypochloorzuur, waterstofperoxide of ozon kan worden gebruikt voor de afbraak van cyanide. Oxidatie met hypochloorzuur is het meest voor de hand liggend. Dit verloopt via twee stappen:
- oxidatie tot cyanaat bij pH = 11 tot 12
- hydrolyse van cyanaat tot ammonia en carbonaat bij pH = 6 tot 7 of verdere oxidatie tot stikstof en kooldioxide bij pH = 4 tot 6.
In aanwezigheid van zware metalen kunnen bij de omzetting tot ammonia ammoniummetaalcomplexen worden gevormd die moeilijk zijn neer te slaan. Verdere oxidatie van het cyanaat is dan een mogelijkheid, dit heeft echter als nadeel dat relatief veel hypochloorzuur wordt verbruikt.
Complexgebonden cyanides kunnen eveneens via oxidatie met hypochloorzuur worden omgezet. De verblijftijd zal echter langer zijn in vergelijking met vrije cyanide. IJzercyaniden zijn niet afbreekbaar via hypochloorzuur en moeten door middel van (geavanceerde) waterstofperoxide- of ozonoxidatie worden afgebroken of door middel van precipitatie worden verwijderd.
Fotochemische oxidatie
Bij fotochemische oxidatie wordt in aanvulling op dosering van oxidatiemiddelen tevens gebruik gemaakt van UV straling. Het effekt van deze straling is dat ozon en waterstofperoxide uiteen vallen in hydroxylradicalen die reactiever zijn dan de oorspronkelijke oxidatiemiddelen (zie onderstaande tabel). Hierdoor kunnen ook moeilijker te oxideren verontreinigingen worden afgebroken, worden de verblijftijden verminderd en wordt het gehele rendement verbeterd
Oxidatiepotentiaal en relatief oxiderend vermogen van oxidatoren
|
Oxidatiereactie |
Oxidatie- potentiaal [V] |
Relatief oxiderend vermogen t.o.v. Cl2 |
|
|
Hydroxyl radicaal O (g) + 2H+ + 2e <-> H2O O3 + 2H+ + 2e <-> O2 + H2O ClO2 + 2H2O + 5e <-> Cl- + 4OH- H2O2 + 2H+ + 2e <-> 2H2O HClO + H+ + 2e <-> Cl- + H2O Cl2 (g) + e <-> 2 Cl- |
(OH) (Atomair zuurstof) (ozon) (chloordioxide) (waterstofperox ide) (hypochloorzuur) (chloor) |
2,80 2,42 2,07 1,91 1,78 1,49 1,36 |
2,05 1,78 1,52 1,42 1,30 1,10 1,00 |
In onderstaande figuur is een schematische voorstelling van een Ozon/UV-reactor weergegeven zoals die in de praktijk kan worden toegepast.
Schematische weergave van een oxidatieproces met ozon/UV
De afbraak van verontreinigingen vindt plaats in de Ozon/UV-reactor. Als UV- bron wordt gebruikgemaakt van hoge- of lagedruk kwikontladingslampen. De golflengte van het UV-licht bedraagt 254 nm, omdat bij deze golflengte de vorming van hydroxylradicalen uit ozon (of eventueel waterstofperoxide) optimaal verloopt. Na de Ozon/UV-reactor verlaat de gezuiverde waterstroom het systeem en wordt een deel hiervan gebruikt om ozon in op te lossen. Het systeem werkt onder verhoogde druk om de oplosbaarheid van ozon en eventueel aanwezige vluchtige verontreinigingen te verbeteren. Bij gebruik van ozon als oxidator wordt in een ozongenerator met behulp van zuivere zuurstof ozon gegenereerd. Gebruik van zuivere zuurstof in plaats van lucht is aantrekkelijk vanwege een beter rendement bij de ozonproduktie. Zuurstof is evenwel duurder dan lucht; door gebruik te maken van een gaskringloop wordt echter 80 tot 90 % van de zuurstof gebruikt. Voordat de gerecirculeerde zuurstof opnieuw in de ozongenerator wordt ingevoerd, wordt deze van vocht ontdaan in een ozonbestendige droogeenheid.
Bij het reinigen van water met vluchtige gechloreerde koolwaterstoffen kunnen deze verontreinigingen naar de recirculatielucht worden gestript en daar door ozon worden omgezet in kooldioxide, water en zoutzuur. Om corrosie door zoutzuur te voorkomen, wordt een kalkbuffer ingezet.
Naast het gebruik van ozon kan ook van waterstofperoxide gebruik worden gemaakt. Dit is afhankelijk van het type verontreiniging. Op basis van experimenten wordt bepaald welke oxidator het meest kosteneffectief kan worden toegepast.
Katalytische oxidatie
Katalytische oxidatie is een methode waarbij door toediening van een katalysator het oxidatieproces wordt versterkt. Dit proces wordt door een enkele aannemer toegepast. Als eerste stap wordt met behulp van zuurstof ozon als katalysator geproduceerd. Vervolgens wordt de gevormde ozon samen met het grondwater in een katalytisch bed geleid dat bestaat uit gemodificeerde actieve kool. Het katalytische afbraakproces met ozon vindt in dit bed plaats en verloopt via vorming van zuurstofradicalen. Een schematische voorstelling van dit proces is weergegeven in onderstaande figuur. Een bijkomend voordeel van het actieve kool is de adsorbtie van verontreinigingen aan de kool waardoor het proces minder gevoelig wordt voor fluctuaties in de influentconcentraties. Doordat bij de katalytische oxidatie met ozon een vrij snelle reactie plaats vindt op het katalysator-oppervlak loopt de ozonconcentratie in het water sterk terug. Er ontstaat zodoende een grotere drijvende kracht voor het oplossen van de ozon in het water. Stoffen zoals carbonaten, ijzer en mangaan kunnen het kool verstoppen; door te spoelen met zuur kan dit worden verholpen. Het streven zou echter moeten zijn om dergelijke verbindingen zoveel mogelijk bij een voorbehandeling te verwijderen.
Schematische weergave van het proces met katalytische oxidatie met ozon.
