TiO2 (e-) + O2 TiO2 + O2-• (1-5)
O2-• + H+ HO2• (1-6)
S + •OH Degradation products (1-7)
S + h+ Oxidation products (1-8)
S + e- Reduction products (1-9)
همانطورکه گفته شد عامل اصلی اکسیدکننده در واکنش های فتوکاتالیستی، رادیکال هیدروکسیل
می باشد. اگر در محلول اکسیژن به مقدار کافی باشد، الکترون های موجود در نوار رسانایی بوسیله
اکسیژن ها به تله می افتند. بعبارت دیگر الکترون های نوار رسانایی باعث احیای مولکول های اکسیژن به O2-• می شود. گونه O2-• گونه ای فعال بوده و می تواند هم به مولکول های آلی یا حدواسط های تولید شده حمله نماید و یا بعد از پروتونه شدن مطابق واکنش (1-6) گونه های فعال دیگری نظیر رادیکال هیدروپراکسی را تولید کند. رادیکال هیدروپراکسی نیز می تواند مستقیما به مولکول های آلی حمله کند و یا مطابق واکنش (1-10) تولید پراکسیدهیدروژن نماید[12].
(1-10) H2O2 + O2 2HO2•
بنابراین مهمترین عامل اکسیدکننده ترکیبات آلی رادیکال های هیدروکسیل و از طرف دیگر مهمترین علت تولید رادیکال های هیدروکسیل حفره های باند ظرفیت هستند. این حفره ها پتانسیل ردوکسی در حدود V 53/2 نسبت به SHE داشته و به طور مؤثری با مولکول های آب یا یون های هیدروکسید جذب سطحی شده، واکنش داده و مطابق با واکنش های (1-3) و (1-4) موجب تشکیل رادیکال های هیدروکسیل می گردند[14،12].
تثبیت فتوکاتالیزور TiO2 بر روی بستر ثابت
بر اساس تحقیقات آزمایشگاهی بدست آمده، راکتورهای نوع دوغابی کارآمدتر از راکتورهای با کاتالیزور تثبیت شده به نظر می رسند ولی برای کاربردهای مهندسی موانع اساسی در این راه وجود دارد. در راکتورهای دوغابی برای بدست آوردن آب تمیز و بدون پودر، نیاز به جداسازی ذرات معلق و کاتالیزور از محلول آبی وجود دارد و از آنجائیکه اندازه ذرات کاتالیزور سنتز شده در صنعت معمولا بین
20 -300 نانومتر است، هزینه لازم برای بازیابی حتی ممکن است از انرژی ذخیره شده در تصفیه با نور خورشید افزونتر باشد. از طرفی دیگر طول نفوذ نور در محیط جامد-مایع پارامتر مهم دیگری است که بسته به اندازه ذرات، بار کاتالیزور (از یک طرف غلظت دوغاب و از طرف دیگر پوشش سطح بستر) و شفافیت بستر نسبت به نور، متغیر می باشد. این مسئله در واقع پیچیدگی فرآیند فتوکاتالیزوری و چندگانگی متغیرهای مورد بحث را نشان می دهد.
برای مقایسه کارایی کاتالیزور تثبیت شده و تثبیت نشده، روش های بسیاری طی چند سال اخیر پیشنهاد شده است. تنوع مواد بستر و روش های تثبیت برای چندین ماده آلی، مورد آزمایش قرار گرفته است و اخیرا تلاشی با ارزش برای قاعده مند کردن در این زمینه توسط بیدائو صورت گرفته است[15]. بطور کلی اینچنین به نظر می رسد که بستر خوب برای TiO2 بعنوان فتوکاتالیزور باید خواص زیر را داشته باشد:
الف) با ذرات TiO2 بدون اینکه بر فعالیت آنها تأثیر منفی داشته باشد، تشکیل پیوند فیزیکی-شیمیایی بدهد.
ب) قابلیت جذب بالای ترکیبات آلی را داشته باشد.
ج) طراحی و ساخت راکتور برای فرآیند را تسهیل نماید.
د) از نظر شیمیایی غیرفعال باشد.
پیش از این چندین پیش ماده بعنوان بستر فتوکاتالیزور برای تخریب نوری آلودگی آب پیشنهاد
شده اند. بیشتر آن ها بر اساس SiO2 بعنوان بستر، یا بعنوان دیواره شیشه ای راکتور یا بصورت شن سیلیکاژل می باشند. فیبرهای نوری کوارتز، فیبر شیشه ای پشم و دانه های شیشه ای موارد آزمایش شده دیگر می باشند. بعضی خاک های آلومینیومی، سرامیک ها بشکل غشایی و یکپارچه، زئولیت ها و حتی فولاد ضد زنگ، آهن و نوارهای پلی اتن که رفتار مشابه با کامپوزیت ها را داشتند، نیز بعنوان بستر مورد آزمایش قرار گرفته اند.
بستر ایده آل از نظر پوششی دو شرط اساسی دارد:
چسبندگی خوب کاتالیزور بر روی بستر
عدم کاهش فعالیت کاتالیزور طی فرآیند اتصال
ویژگی اول ضروری است زیرا اتصال کاتالیزور باید در برابر فشار ناشی از ذرات سیال در محیط راکتور پایدار باشد تا از پودر شدن و جدا شدن ذرات کاتالیزور از سطح بستر جلوگیری کند. فعالیت کاتالیزور نیز عامل مهم دیگری است که از چندین عامل متأثر می شود. بعنوان مثال: