Photocatalysis in the treatment and disinfection of water. Part I. Theoretical backgrounds / Fotokataliza w oczyszczaniu i dezynfekcji wody część i. podstawy teoretyczne

• Authors: Michał Bodzek , Mariola Rajca
• Languages of publication: EN

Abstracts

EN

Photocatalysis process belongs to an advanced oxidation technology for the removal of persistent organic compounds and microorganisms from water. It is the technology with a great potential, a low-cost, environmental friendly and sustainable treatment technology to align with the “zero” waste scheme in the water/wastewater industry. At present, the main technical barriers that impede its full commercialization remained on the post-recovery of the catalyst particles after water treatment. This paper reviews the background of the process and photooxidation mechanisms of the organic pollutants and microorganisms. The review of the latest progresses of engineered-photocatalysts, photo-reactor systems, and the kinetics and modeling associated with the photocatalytic and photodisinfection water and wastewater treatment process, has been presented. A number of potential and commercial photocatalytic reactor configurations are discussed, in particular the photocatalytic membrane reactors. The effects of key photo-reactor operation parameters and water quality on the photoprocess performances in terms of the mineralization and disinfection are assessed.

PL

Proces fotokatalizy należy do wysoko zaawansowanych technik utleniania o możliwościach usuwania trwałych związków organicznych i mikroorganizmów z wody. Jest to technologia o dużym potencjale, niskich kosztach, przyjazna dla środowiska oraz o cechach zrównoważonego rozwoju i "zerowym" odprowadzaniu odpadów w przemysłowych systemach wodno-ściekowych. Obecnie, główne bariery techniczne, które ograniczają pełną komercjalizację metody, są związane z zagospodarowaniem cząstek katalizatora po uzdatnianiu wody (ścieków). W pracy przedstawiono podstawy teoretyczne procesu oraz mechanizmy fotoutlenienia zanieczyszczeń organicznych i mikrobiologicznych. Dokonano również przeglądu ostatnich postępów w badaniach inżynierii fotokatalizatorów, systemów fotoreaktorów oraz kinetykę fotomineralizacji i fotodezynfekcji i ich modelowanie związane z procesami fotokatalitycznego oczyszczania wody (ścieków). Omówiono wiele potencjalnych i komercyjnych konfiguracji reaktorów fotokatalitycznych, w szczególności membranowych reaktorów fotokatalitycznych oraz wpływ parametrów operacyjnych i jakości wody na efektywność mineralizacji i dezynfekcji.

Keywords

EN

photocatalysis; TiO2; water and wastewater treatment; photocatalitic reactors; kinetic of photocatalysis; disinfection

PL

fotokataliza; TiO2; oczyszczanie wody i ścieków; reaktory fotokatalityczne; kinetyka fotokatalizy; dezynfekcja

• Publisher: De Gruyter Open
• Journal: Ecological Chemistry and Engineering S
• Year: 2012
• Volume: 19
• Issue: 4
• Pages: 489-512

Dates

published

1 - 11 - 2012

online

13 - 11 - 2012

Contributors

author

Michał Bodzek

• Faculty of Energy and Environmental Engineering, Silesian University of Technology, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice, Poland, phone [phone], fax [phone]

author

Mariola Rajca

• Faculty of Energy and Environmental Engineering, Silesian University of Technology, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice, Poland, phone [phone], fax [phone]

References

• [1] Malato S, Fernandez-Ibanez P, Maldonado MI, Blanco J, Gernjak W. Catal Today. 2009;147:1-59.
• [2] Chong MN, Jin B, Chow CWK, Saint C. Water Res. 2010; 44:2997-3027.
• [3] Bodzek M, Konieczny K. Technologia Wody. 2010;1(03):9-21,26; 2010;2(04):15-31.
• [4] Matilainen A, Sillanpää M. Chemosphere. 2010;80:351-365.
• [5] Nawrocki J. Ochr Środow. 2005;27(4):3-12.
• [6] Bodzek M, Konieczny K. Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody. Bydgoszcz: Oficyna Wydawnicza Projprzem-Eko; 2005.
• [7] Likodimos V, Dionysiou DD. Rev Environ Sci Biotechnol. 2010;9:87-94.
• [8] Dalrymplea OK., Stefanakos E, Trotz MA, Goswami DY. Appl Catal B: Environ. 2010;98:27-38.
• [9] Mozia S. Sep Purif Techn. 2010;73:71-91.
• [10] Al-Rasheed RA. Presented at 4th SWCC Acquired Experience Symposium. Saudi Arabia; 2005.
• [11] Malato S, Blanco J, Alarcon DC, Maldonado MI, Fernandez-Ibanez P, Gernjak W. Catal Today. 2007;122:137-149.
• [12] Carp O, Huisman CL, Reller A. Progr Solid State Chem. 2004;32:33-177.[Crossref]
• [13] Di Valentin C, Finazzi E, Pacchioni G, Selloni A, Livraghi S, Paganini MC, Giamello E. Chem Phys. 2007;339:44-56.
• [14] Sakthivel S, Kisch H. Angew. Chem Int Ed Engl. 2003;42:4908-4911.
• [15] Benotti MJ, Stanford BD, Wert C, Snyder SA. Water Res. 2009;43:1513-1522.
• [16] China SS, Lima TM, Chiang K, Fane AG. Desalination. 2007;202:253-261.
• [17] Mozia S, Tomaszewska M, Morawski AW. Appl Catal B: Environ. 2005;59:131-137.
• [18] Matsunaga T, Tomoda R, Nakajima T, Wake H. FEMS Microbiol. Lett. 1985;29:211-214.
• [19] Tran TH, Nosaka AY, Nosaka YJ. Phys Chem. B. 2006;110:25525-25531.
• [20] Yang X, Wang Y. Build Environ. 2008;43:253-257.
• [21] Magnuson K, Jackowski S , Rock CO, Cronan Jr. JE. Microbiol Mol Biol Rev. 1993;57:522-542.
• [22] McLoughlin OA, Ibanez PF, Gernjak W, Rodriguez SM, Gill LW. Solar Energy. 2004;77:625-633.
• [23] Méndez-Hermida F, Ares-Mazás E, McGuigan KG, Boyle M, Sichel C, Fernández-Ibánez PJ. Photochem Photobiol. B. 2007;88:105-111.
• [24] Shephard GS, Stockenstrom S, de Villiers D, Engelbrecht WJ, Wessels GFS. Water Res. 2002;36:140-146.
• [25] Kiwi J, Nadtochenko V. J. Phys Chem. B. 2004;108:17675-17684.
• [26] Maness P, Smolinski S, Blake DM, Huang Z, Wolfrum EJ, Jacoby WA. Appl Environ Microbiol. 1999;65:4094-4098.
• [27] Mindong B, Zhitao Z, Mindi B, Bo Y, Xiyao B. Plasma Sci Technol. 2007;9:206-210.
• [28] Tejero I, Gonzalez-Lafont A, Luch JM, Eriksson LA. J Phys Chem B. 2007;111:5684-5693.
• [29] Mills A, Le Hunte SJ. Photochem Photobiol A Chem. 1997;108:1-35.
• [30] French R.A. Jacobson A.R. Kim B. Isley S.L. Penn R.L. Baveye P.C. Environ Sci Technol. 2009;43;1354-1359.
• [31] Yurdakal S, Loddo V, Ferrer BB, Palmisano G, Augugliaro V, Farreras GJ. Ind Eng Chem Res. 2007;46:7620-7626.
• [32] Cheng YW, Chan RCY, Wong PK. Water Res. 2007;41:842-852.
• [33] Lu ZX, Zhou L, Zhang ZL, Shi WL, Xie ZX, Xie HY. Langmuir. 2003;19:8765-8768.
• [34] Liochev SI, Irwin F. IUBMB Life. 1999;48:157-161.
• [35] Carlioz A, Touati D. EMBO J. 1986;5:623-630.
• [36] Dubrac S, Touati D. Microbiology. 2002;148:147-156.
• [37] Herrmann JM. Top Catal. 2005;34:48-65.
• [38] Gogate PR, Pandit AB. Adv. Environ Res. 2004; 8:501-551.
• [39] Herrmann JM. Catal Today. 1999;53:115-129.
• [40] Kamble SP, Sawant SB, Pangarkar VG. Ind Eng Chem Res. 2003;42:6705-6713.
• [41] Kaneco S, Rahman MA, Amin MN, Suzuki T, Ohta KJ. Photochem Photobiol. A: Chem. 2004;163:419-424.
• [42] Konstantinou IK, Albanis TA. Appl Catal. B. 2004;49:1-14.
• [43] Paz Y. C.R. Chimie, 2006;9:774-787.
• [44] Gogniat G, Thyssen M, Denis M, Pulgarin C, Dukan S. FEMS Microbiol. Lett. 2006;258:18-24.
• [45] Rincon AG, Pulgarin C. Appl Catal B: Environ. 2003;44:263-284.
• [46] Rincon AG, Pulgarin C. Appl. Catal B: Environ. 2006;63:222-231.
• [47] Stylidi M, Kondarides DI, Verykios XE. Appl Catal B: Environ. 2003;40:271-286.
• [48] Blanco J, Malato S, de las Nieves J, Fernandez P. European Patent Office Bulletin. 2001;21.
• [49] Thiruvenkatachari R, Vigneswaran S, Moon IS. Korean J Chem Eng., 2008;25:64-72.
• [50] Chen D, Ray AK. Water Res. 1998;32:3223-3234.
• [51] Mozia S, Tomaszewska M, Morawski AW. Desalination. 2005;185:449-456.
• [52] Chong MN, Lei S, Jin B, Saint C,. Chow CWK. Sep Purif Technol. 2009;67:355-363.
• [53] Saquib M, Muneer M. Dyes Pigm. 2003;56:37-49.
• [54] Parra S, Malato S, Pulgarin C. Appl Catal B: Environ. 2002;36:131-144.
• [55] Chin ML, Mohamed AR, Bhatia S. Chemosphere. 2004;57:547-554.
• [56] Tang C, Chen V. Water Res. 2004;38:2775-2781.
• [57] Gelover S, Gomez LA, Reyes KT, Leal M. Water Res. 2006;40:3274-3280.
• [58] Fernandezs-Ibanez P, Sichel C, Polo-Lopez MI, de Cara-Garcıa M, Tello JC. Catal Today. 2009;144:62-68.
• [59] Choi W, Termin A, Hoffman MR. J Phys Chem. 1994;98:13669-13679.
• [60] Abdullah M, Low GKC, Matthews RW. J Phys Chem. 1990;94:6820-6825.
• [61] Habibi MH, Hassanzadeh A, Mahdavi S. J Photochem Photobiol A: Chem. 2005;172:89-96.
• [62] Okonomoto K, Yamamoto Y, Tanaka H, Tanaka M, Itaya A. Bull Chem Soc Jpn. 1985;58:2015-2022.
• [63] Burns R, Crittenden JC, Hand DW, Sutter LL, Salman SR. J Environ Eng. 1999;125:77-85.
• [64] Rizzo L, Koch J, Belgiorno V, Anderson MA. Desalination. 2007;211:1-9.
• [65] Matthews RW, McEnvoy SR. J. Photochem Photobiol A: Chem. 1992;64:231.
• [66] Kabra K, Chaudhary R, Sawhney RL. Ind Eng Chem Res. 2004;43:7683-7696.
• [67] Bahnemann D. Sol Energy. 2004;77:445-459.
• [68] Gaya UI, Abdullah AH. J Photochem Photobiol C: Photochem Rev. 2008;9:1-12.
• [69] Alfano OM, Bahnemann D, Cassano AE, Dillert R, Goslich R. Catal Today. 2000;58:199-230.
• [70] Bhatkhnade DS, Kamble SP, Sawant SB, Pangarkar VG. Chem Eng J. 2004;102:283-290.
• [71] Ochuma IJ, Fishwick RP, Wood J, Winterbottom JM. Appl Catal B: Environ. 2007;73:259-268.
• [72] Rehman S, Ullah R, Butt AM, Gohar ND. J Hazard Mater. 2009;170:560-569.
• [73] Pirkanniemi K, Sillanpää M. Chemosphere. 2002;48:1047-1060.
• [74] Ollis DF, Pelizzetti E, Serpone N. Environ Sci Technol. 1991;25:1522-1529.
• [75] Doll TE, Frimmel FH. Water Res. 2005;39:847-854.
• [76] Shang C, Cheung LM, Ho CM, Zeng M. Appl Catal B: Environ. 2009;89:536-542.
• [77] Sichel C, Tello J, de Cara M. Fernandez-Ibanez P. Catal Today. 2007;129:152-160.
• [78] Minero C. Catal Today. 1999;54:205-216.
• [79] Cunningham J, Sedlak P. Catal Today. 1996;29:209-315.
• [80] Hong SS, Lee MS, Hwang HS, Lim KT, Park SS, Ju CS, Lee GD. Sol Energy Mater Sol Cells. 2003;80:273-282.
• [81] Valente JPS, Padilha PM, Florentino AO. Chemosphere. 2006;64:1128-1133.
• [82] Minero C, Pelizetti E, Malato S, Blanco J Sol Energy. 1996;56:421-428.
• [83] Watts RJ, Kong S, Orr MP, Miller GC, Henry BE. Water Res. 1995;29:95-100.
• [84] Cho M, Chung H, Choi W, Yoon J. Water Res. 2004;38:1069-1077.
• [85] Cho M, Yoon J. J Appl Microbiol. 2008;104:759-766.
• [86] Hom LW J. Sanit Eng Div. 1972;98:183-194.
• [87] Chan AHC, Chan CK, Barford JP, Porter JF. Water Res. 2003;37:1125-1135.
• [88] Pareek V, Chong S, Tade M, Adesina AA. Asia-Pacific J. Chem Eng. 2008;3:171-201.
• [89] Cassano AE, Alfano OM. Catal Today. 2000;58:167-197.
• [90] Grzechulska-Damszel J, Orecki A, Mozia S, Tomaszewska M, Morawski AW. Przem Chem. 2006;85:1011-1015.
• [91] Fu J, Ji M, Wang Z, Jin L, An D J. Hazard Mater. 2006;131:238-242.
• [92] Molinari R, Grande C, Drioli E, Palmisano L. Schiavello M. Catal Today. 2001;67:273-279.
• [93] Molinari R, Palmisano L, Drioli E, Schiavello MJ. Membr Sci. 2002;206:399-415.
• [94] Bosc F, Ayral A, Guizard C J. Membr Sci. 2005;265:13-19.
• [95] Zhang H, Quan X, Chen S, Zhao H, Zhao Y. Sep Purif Technol. 2006;50:147-155.
• [96] Zhang H, Quan X, Chen S, Zhao H, Zhao Y. Appl Surf Sci. 2006;252:8598-8604.
• [97] Choi H, Stathatos E, Dionysiou DD. Appl Catal B: Environ. 2005;63:60-67.
• [98] Choi H, Stathatos E, Dionysiou DD. Desalination. 2007;202:199-206.
• [99] Kim SH, Kwak SY, Sohn BH, Park THJ. Membr Sci. 2003;211:157-165.
• [100] Bellobono IR, Morazzoni F, Bianchi R, Mangone ES, Stanescu R, Costache C, Tozzi PM. Int J Photoenergy. 2005;7:87-94.
• [101] Bellobono IR, Morazzoni F, Tozzi PM. Int J Photoenergy. 2005;7:109-113.
• [102] Artale MA, Augugliaro V, Drioli E, Golemme G, Grande C, Loddo V, Molinari R, Palmisano L, Schiavello M. Ann Chim. 2001;91:127-136.
• [103] Kleine J, Peinemann KV, Schuster C, Warnecke HJ. Chem Eng Sci. 2002;57:1661-1664.
• [104] Molinari R, Pirillo F, Falco M,Loddo V, Palmisano L. Chem Eng Proc. 2004;43:1103-1114.
• [105] Kwak SY, Kim SH. Environ Sci Technol. 2001;35:2388-2394.
• [106] Yang Y, Wang P. Polymer. 2006;47:2683-2688.
• [107] Ryu J, Choi W, Choo KH. Water Sci Technol. 2005;51:491-497.
• [108] Meng Y, Huang X, Yang Q, Qian Y, Kubota N, Fukunaga S. Desalination. 2005;181:121-133.
• [109] Rivero MJ, Parsons SA, Jeffrey P, Pidou M, Jefferson B. Water Sci Technol. 2006;53:173-180.
• [110] Jung JT, Kim JO, Choi WY. Mater Sci Forum. 2007;544:95-98.
• [111] Chin SS, Lim TM, Chiang K, Fane AG. Desalination. 2007;202:253-261.
• [112] Huang X, Meng Y, Liang P, Qian Y. Sep Purif Technol. 2007;55:165-172.
• [113] Tsarenko SA, Kochkodan VM, Samsoni-Todorov AO, Goncharuk VV. Colloid J. 2006;68:341-344.
• [114] Sun D, Meng TT, Loong TH, Hwa TJ. Water Sci Technol. 2004;49:103-110.
• [115] Augugliaro V, Garcia-Lopez E, Loddo V, Malato-Rodriguez S, Maldonado I, Marci G, Molinari R, Palmisano L. Solar Energy. 2005;79:402-408.
• [116] Chin SS, Chiang K, Fane AG. J Membr Sci. 2006;275:202-211.
• [117] Rajca M, Bodzek M. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN. 2010;66:151-161.
• [118] Rajca M,. Bodzek M. Usuwanie naturalnych substancji organicznych z wody w układzie fotokataliza- -ultrafiltracja. In: Sozański M, editor. Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód - zagadnienia współczesne. Poznań 2010; 1:515-524.
• [119] Rajca M, Bodzek M. Inż Ochr Środow. 2012;14:101-110.
• [120] Sopajaree K, Qasim SA, Basak S, Rajeshwar KJ. Appl Electrochem. 1999;29:533-539.
• [121] Sopajaree K, Qasim SA, Basak S, Rajeshwar KJ. Appl Electrochem. 1999;29:1111-1118.
• [122] Mozia S, Morawski AW. Catal Today. 2006;118:181-188.
• [123] Mozia S, Toyoda M, Tsumura T, Inagaki M, Morawski AW. Desalination. 2007;212:141-151.
• [124] Mozia S, Morawski AW. J Adv Oxidation Technol. 2009;12:111-121.
• [125] Azrague K, Aimar P, Benoit-Marquie F, Maurette MT. Appl Catal B: Environ. 2006;72:197-205.
• [126] Camera-Roda G, Santarelli F. J Solar Energy Eng. 2007;129:68-73.

Identifiers

DOI

10.2478/v10216-011-0036-5