สารเคมีเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงทำงานอย่างไรในกระบวนการบำบัดน้ำเสีย?

เฮ้! ในฐานะซัพพลายเออร์สารเคมีบำบัดน้ำเสีย ฉันมักถูกถามเกี่ยวกับการทำงานของสารเคมีเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงในการบำบัดน้ำเสีย เลยคิดว่าจะใช้เวลาสักครู่เพื่อแจกแจงรายละเอียดให้คุณฟังในแบบที่เข้าใจง่าย

ก่อนอื่น เรามาพูดถึงโฟโตเร่งปฏิกิริยากันดีกว่า การเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงเป็นปฏิกิริยาเคมีที่ถูกเร่งด้วยแสง ในบริบทของการบำบัดน้ำเสีย สารเคมีเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงจะใช้พลังงานแสง ซึ่งโดยปกติจะมาจากดวงอาทิตย์หรือแหล่งกำเนิดแสงเทียม เพื่อสลายมลพิษในน้ำ เหมือนกับการมีทีมงานทำความสะอาดพลังพิเศษที่ทำงานไม่หยุดนิ่งตราบเท่าที่มีแสงสว่าง

ผู้เล่นหลักในการบำบัดน้ำเสียด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงคือตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง สารเหล่านี้เป็นสารที่สามารถดูดซับพลังงานแสงและใช้เพื่อสร้างสายพันธุ์ที่มีปฏิกิริยาสูง เช่น อนุมูลไฮดรอกซิล อนุมูลไฮดรอกซิลเป็นเหมือนสารทำความสะอาดตัวเล็กๆ ที่เข้มข้น มีปฏิกิริยาสูงและสามารถออกซิไดซ์มลพิษอินทรีย์และอนินทรีย์หลายชนิดในน้ำเสียได้

ตัวเร่งปฏิกิริยาภาพถ่ายที่ใช้กันมากที่สุดตัวหนึ่งคือไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO₂) ราคาถูก ปลอดสารพิษ และมีเสถียรภาพทางเคมีที่ดี เมื่อ TiO₂ ดูดซับแสงด้วยพลังงานเท่ากับหรือมากกว่าแถบความถี่ของมัน อิเล็กตรอนจะตื่นเต้นจากแถบเวเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้า โดยทิ้งรูไว้ในแถบเวเลนซ์ไว้ อิเล็กตรอนและรูเหล่านี้สามารถทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำและออกซิเจนในน้ำเสียเพื่อสร้างอนุมูลไฮดรอกซิลและแอนไอออนของซูเปอร์ออกไซด์

มาดูกันว่ากระบวนการนี้ทำงานอย่างไรทีละขั้นตอน

ขั้นตอนที่ 1: การดูดซับแสง

ตัวเร่งปฏิกิริยาภาพถ่าย เช่น TiO₂ ถูกสัมผัสกับแสง เมื่อพลังงานแสงกระทบกับตัวเร่งปฏิกิริยาภาพถ่าย มันจะกระตุ้นอิเล็กตรอนภายในวัสดุ สิ่งนี้จะสร้างการแยกประจุ โดยที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปยังแถบการนำไฟฟ้าและปล่อยให้มีรูที่มีประจุบวกอยู่ในแถบเวเลนซ์

ขั้นตอนที่ 2: การสร้างสายพันธุ์ที่มีปฏิกิริยา

อิเล็กตรอนและรูที่ถูกกระตุ้นสามารถทำปฏิกิริยากับน้ำและออกซิเจนในน้ำเสียได้ อิเล็กตรอนทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อสร้างซูเปอร์ออกไซด์แอนไอออน (O₂⁻) ในขณะที่หลุมทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำเพื่อสร้างอนุมูลไฮดรอกซิล (•OH) สายพันธุ์ที่เกิดปฏิกิริยาเหล่านี้มีการออกซิไดซ์สูงและสามารถสลายมลพิษได้หลายชนิด

ขั้นตอนที่ 3: ออกซิเดชันของมลพิษ

อนุมูลไฮดรอกซิลและไอออนซูเปอร์ออกไซด์จะโจมตีมลพิษในน้ำเสีย พวกมันทำลายพันธะเคมีของมลพิษ และเปลี่ยนให้เป็นโมเลกุลที่เล็กลงและเป็นอันตรายน้อยกว่า ในที่สุด มลพิษเหล่านี้จำนวนมากก็จะถูกออกซิไดซ์ไปเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำอย่างสมบูรณ์

ขั้นตอนที่ 4: การสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาภาพถ่ายใหม่

หลังจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน ตัวเร่งปฏิกิริยาภาพถ่ายจะกลับสู่สถานะดั้งเดิมและสามารถดูดซับแสงและสร้างสายพันธุ์ที่เกิดปฏิกิริยาต่อไปได้ ซึ่งหมายความว่าตัวเร่งปฏิกิริยาภาพถ่ายจำนวนเล็กน้อยสามารถบำบัดน้ำเสียปริมาณมากเมื่อเวลาผ่านไป

ตอนนี้ คุณอาจสงสัยเกี่ยวกับประโยชน์ของการใช้สารเคมีเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงในการบำบัดน้ำเสีย มีค่อนข้างน้อย

• การกำจัดมลพิษอย่างมีประสิทธิภาพ: การเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงสามารถสลายมลพิษได้หลากหลาย รวมถึงสารประกอบอินทรีย์ โลหะหนัก และแม้แต่จุลินทรีย์บางชนิด เป็นการดีอย่างยิ่งในการกำจัดมลพิษอินทรีย์ที่ตกค้างยาวนานซึ่งยากต่อการบำบัดด้วยวิธีการแบบเดิมๆ
• เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม: เนื่องจากการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงใช้พลังงานแสง จึงเป็นวิธีการบำบัดที่ค่อนข้างสะอาดและยั่งยืน ไม่ก่อให้เกิดมลพิษทุติยภูมิมากนัก และหากใช้แสงแดดเป็นแหล่งกำเนิดแสง ก็จะเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียน
• การใช้พลังงานต่ำ: เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการออกซิเดชันขั้นสูงอื่นๆ การเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงสามารถทำงานได้ที่ระดับพลังงานค่อนข้างต่ำ ซึ่งสามารถนำไปสู่การประหยัดต้นทุนได้ในระยะยาว

อย่างไรก็ตาม ยังมีความท้าทายบางประการที่เกี่ยวข้องกับการบำบัดน้ำเสียแบบเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง

• การใช้แสงอย่างจำกัด: ตัวเร่งปฏิกิริยาภาพถ่ายไม่สามารถดูดกลืนความยาวคลื่นแสงได้ทั้งหมด ตัวอย่างเช่น TiO₂ ดูดซับแสงอัลตราไวโอเลตเป็นหลัก ซึ่งประกอบขึ้นเป็นแสงแดดเพียงส่วนเล็กๆ เท่านั้น สิ่งนี้จะจำกัดประสิทธิภาพของกระบวนการภายใต้แสงแดดธรรมชาติ
• การรวมตัวกันของผู้ให้บริการชาร์จ: อิเล็กตรอนและรูที่ถูกกระตุ้นในตัวเร่งปฏิกิริยาภาพถ่ายบางครั้งอาจรวมตัวกันอีกครั้งก่อนที่จะมีโอกาสทำปฏิกิริยากับน้ำและออกซิเจน ซึ่งจะช่วยลดการสร้างสายพันธุ์ที่เกิดปฏิกิริยาและลดประสิทธิภาพการบำบัดลง
• การแยกและการกู้คืนตัวเร่งปฏิกิริยาภาพถ่าย: หลังจากกระบวนการบำบัด อาจเป็นเรื่องยากที่จะแยกตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงออกจากน้ำที่ผ่านการบำบัด สิ่งนี้สามารถนำไปสู่การสูญเสียตัวเร่งปฏิกิริยาและการปนเปื้อนที่อาจเกิดขึ้นกับน้ำที่ผ่านการบำบัด

แม้จะมีความท้าทายเหล่านี้ นักวิจัยก็กำลังทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับปรุงเทคโนโลยีตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยภาพถ่าย พวกเขากำลังพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาภาพถ่ายใหม่ที่สามารถดูดซับความยาวคลื่นแสงได้กว้างขึ้น และกำลังค้นหาวิธีลดการรวมตัวกันของตัวพาประจุอีกครั้ง

ที่บริษัทของเรา เรามีสารเคมีบำบัดน้ำเสียหลายประเภท ได้แก่สารกำจัดฟอสฟอรัส,น้ำยากำจัดแอมโมเนียไนโตรเจน, และประจุลบโพลีอะคริลาไมด์ APAM. แม้ว่าสิ่งเหล่านี้จะไม่ใช่สารเคมีที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง แต่ก็มีบทบาทสำคัญในการบำบัดน้ำเสียในด้านต่างๆ

หากคุณสนใจที่จะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสารเคมีเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงหรือผลิตภัณฑ์บำบัดน้ำเสียอื่นๆ ของเรา อย่าลังเลที่จะติดต่อเรา เรายินดีเสมอที่จะพูดคุยและดูว่าเราสามารถช่วยเหลือคุณในเรื่องความต้องการด้านการบำบัดน้ำเสียได้อย่างไร ไม่ว่าคุณจะเปิดโรงงานขนาดเล็กหรือโรงบำบัดน้ำเสียชุมชนขนาดใหญ่ เราก็มีวิธีแก้ปัญหาเพื่อให้น้ำของคุณสะอาดและปลอดภัย

อ้างอิง

• Hoffmann, MR, Martin, ST, Choi, W. , & Bahnemann, DW (1995) การประยุกต์ด้านสิ่งแวดล้อมของโฟโตคะตะไลซิสแบบเซมิคอนดักเตอร์ รีวิวสารเคมี, 95(1), 69-96.
• Fujishima, A., Zhang, X. และ Tryk, DA (2008) โฟโตคะตะไลซิส TiO₂ และปรากฏการณ์พื้นผิวที่เกี่ยวข้อง รายงานวิทยาศาสตร์พื้นผิว, 63(12), 515-582
• มิลส์, อ., และเลอ ฮันต์, เอส. (1997) ภาพรวมของโฟโตคะตะไลซิสแบบเซมิคอนดักเตอร์ วารสารโฟโตเคมีและโฟโตชีววิทยา A: เคมี, 108(1), 1-35.