OC-Verhältnis im Fenton-Prozess

OC-Verhältnis im Fenton-Prozess

Bei der Fenton-Reaktion wird das Verhältnis zwischen dem Verbrauch von Wasserstoffperoxid (H₂O₂) und der CSB-Abbaurate typischerweise durch das „OC-Verhältnis“ oder das „H₂O₂/CSB-Dosierungsverhältnis“ gemessen.

Die Berechnung erfolgt auf zwei Ebenen: theoretisches stöchiometrisches Verhältnis und tatsächliches Dosierungsverhältnis.

1. Theoretische Berechnung des stöchiometrischen Verhältnisses

Diese Berechnung, basierend auf der chemischen Gleichung der Fenton-Reaktion, ermittelt theoretisch, wie viele Teile H₂O₂ benötigt werden, um einen Teil des CSB vollständig zu oxidieren.

Die Kernreaktionsgleichung lautet wie folgt:

H₂O₂ + Fe²⁺ → Fe³⁺ + OH⁻ + ·OH

(Das Hydroxylradikal · OH ist das eigentliche Oxidationsmittel)

·OH-Oxidation organischer Verbindungen (dargestellt durch Kohlenstoff C) vereinfachte Reaktion:

C (organische Substanz) + ·OH →... → CO₂ + H₂O

Durch Kombination der oben genannten Prozesse und unter Berücksichtigung des Elektronentransfers lässt sich eine vereinfachte Gesamtreaktion ableiten:

2H₂O₂ + C (organische Verbindung) → 2H₂O + CO₂

Die Gesamtreaktionsgleichung zeigt, dass theoretisch 1 Mol Kohlenstoff (entspricht 12 g COD) 2 Mol H₂O₂ für die vollständige Oxidation benötigt.

Führe nun eine Moore-Massenkonvertierung durch:

Die molare Masse von H₂O₂ beträgt 34 g/mol.

Die molare Masse des COD (berechnet als O₂) beträgt 32 g/mol, da der COD über die Menge des verbrauchten Sauerstoffs definiert ist.

Theorie vs. Berechnung:

(2 mol H₂O₂ × 34 g/mol) / (1 mol C × 32 g/mol) / COD = 68 / 32 ≈ 2,125 g H₂O₂ / g COD

Schlussfolgerung: Aus rein stöchiometrischer Sicht beträgt das theoretische Sauerstoffverbrauchsverhältnis (OC-Verhältnis) etwa 2,13. Dies bedeutet, dass zur Entfernung von 1 Gramm CSB theoretisch mindestens 2,13 Gramm 100%iges Wasserstoffperoxid (H₂O₂) benötigt werden.

2. Berechnung des tatsächlichen Betriebsdosierungsverhältnisses

In realen Abwasserbehandlungsprojekten liegt die Ausnutzungsrate von H₂O₂ aufgrund der bereits erwähnten ineffektiven Zersetzung und Konkurrenzreaktionen weit unter 100 %. Daher ist die tatsächliche Dosierung deutlich höher als der theoretische Wert.

Die Berechnungsformel lautet wie folgt:

Tatsächliches OC-Verhältnis (g H₂O₂/g CSB) = [Masse des verbrauchten H₂O₂] / [Masse des entfernten CSB]

Schrittaufschlüsselung:

Berechnen Sie die tatsächliche Masse des verbrauchten H₂O₂:

Sie wird üblicherweise durch Addition von Konzentration und Volumen des Abwassers berechnet.

H₂O₂-Verbrauch (g/m³ oder mg/L) = H₂O₂-Dosierungskonzentration (mg/L)

Berechnen Sie die tatsächlich entfernte CSB-Masse:

CSB-Entfernung (g/m³ oder mg/L) = CSB-Konzentration im Zulauf (mg/L) - CSB-Konzentration im Ablauf (mg/L)

Berechnen Sie das tatsächliche OC-Verhältnis:

Tatsächliches OC-Verhältnis = H₂O₂-Verbrauch (mg/L) / CSB-Entfernung (mg/L)

veranschaulichen:

Eine Abwasserbehandlungsanlage mit einem Zulauf-CSB von 500 mg/L und einem Ablauf-CSB von 100 mg/L.

Die CSB-Entfernungsrate beträgt 400 mg/L (500-100).

Um diesen Entfernungseffekt zu erzielen, wurde tatsächlich Wasserstoffperoxid (H₂O₂) mit einer Konzentration von 1200 mg/L (berechnet auf Basis einer 100%igen Reinheit) hinzugefügt.

Das tatsächliche OC-Verhältnis beträgt somit 1200 mg/L geteilt durch 400 mg/L, was 3,0 g H₂O₂ pro Gramm CSB ergibt.

Wichtigste Punkte und Einflussfaktoren

Die Diskrepanz zwischen Theorie und Praxis: Im obigen Beispiel ist das tatsächliche OC-Verhältnis (3,0) größer als der theoretische Wert (2,13), was sehr häufig vorkommt. Die Gründe dafür sind unter anderem:

Ungültige Zersetzung: H₂O₂ zersetzt sich spontan in Abwesenheit von Schadstoffen.

Radikalfänger: ·OH-Radikale werden durch Verunreinigungen wie Carbonat (CO₃²⁻) und Chlorid (Cl⁻) im Wasser neutralisiert.

Nichtselektive Oxidation: ·OH oxidiert wahllos alle oxidierbaren Substanzen, nicht nur den Ziel-CSB.

Die Bedeutung von OC:

Bewertung der Effizienz: Je niedriger das OC-Verhältnis, desto höher die Ausnutzungsrate von H₂O₂ und desto wirtschaftlicher und effizienter der Prozess.

Prozessoptimierung: Die Bestimmung des optimalen organischen Kohlenstoffgehalts (OC-Gehalt) für spezifische Abwässer durch Pilotversuche ist ein entscheidender Schritt bei der Auslegung und dem Betrieb des Fenton-Verfahrens. Die Ingenieure streben eine Minimierung des tatsächlichen OC-Gehalts bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Reinigungsleistung an.

Jinchuan Das magnetische Fenton-Verfahren verändert den Paramagnetismus von Wassermolekülen, wodurch Hydroxylradikale leichter CSB-Moleküle angreifen können. Dies reduziert den Verbrauch von Wasserstoffperoxid erheblich und bringt das OC-Verhältnis näher an den Idealwert.