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Destruction of Organic Matter in Water using Ultraviolet Light J. R. Cooper, Ph.D. Chief Technology Officer NeoTech Aqua Solutions (formerly Ultraviolet Sciences)

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Destruction of Organic Matter in  Water using Ultraviolet Light

J. R. Cooper, Ph.D.Chief Technology OfficerNeoTech

Aqua Solutions

(formerly Ultraviolet Sciences)

Presentation Overview

• General discussion of the use of ultraviolet  light for water purification

• Approaches for removing organics with  existing ultraviolet light‐based technologies

• Technologies under development to improve  organic removal from water

• Summary

Ultraviolet Light for Water Purification

• Ultraviolet light (UV) is not a new purification  technology

– First used for disinfection in 1910 ‐

Marseilles,  France

• Ultraviolet use to remove organics had been  primarily in niche applications until recently

– Ultrapure water for semiconductor processing

• Last 10‐15 years have seen use of UV in more  and more varied applications

“Spectrum”

of Ultraviolet Applications

AOPAdvanced Oxidation

PhotolysisDirect

Disassociation

Remediation

Wavelength : 254nm

Wavelength : up to 350 nm

DHPDirect Hydroxyl

Production

Wavelength : 200 to 300 nmH2O2 or O3 Added

Wavelength : 185 nm

Disinfection

Existing Applications

Emerging Applications

“TOC Reduction”

Organic Removal by UV – General Considerations

• Ultraviolet light breaks up molecules rather  than removing them

– Process leaves only H2

O and CO2

in general– No residual organic wastes if process is run to 

completion– Incomplete process may lead to more or different 

organic molecules at outlet than at inlet

• Organic contaminants are rarely a single  compound – there are usually a number of 

compounds

Organic Removal by UV – General Considerations

• This multiple contaminant problem lends  itself well to broad–spectrum solutions or  multiple barrier solutions

– Combinations of UV, filtration/RO, chemical, and  adsorptive processes may be required to achieve  the desired performance

– “Incomplete”

UV processes may convert  contaminants into compounds more readily 

removed by complementary technology

Organic Removal by UV – General Considerations

• Parameters of importance for ultraviolet remediation– Ultraviolet transmittance (UVT) of water

• Includes effects due to– Turbidity– Chlorination– Organic content– Soluble iron and manganese concentration

– Dissolved and suspended solids• Scale formation

• Fouling– Dose provided by the ultraviolet system

• “Dose”

specified by manufacturers is actually irradiance – energy per unit 

area

• Affected by all of the above plus flow rate, system characteristics, and age

Presentation Overview

• General discussion of the use of ultraviolet  light for water purification

• Approaches for removing organics with  existing ultraviolet light‐based technologies

• Technologies under development to improve  organic removal from water

• Summary

How Does Ultraviolet Light Remove Organics?

Direct Hydroxyl Production

• Direct production of hydroxyl ions  from water (aka “TOC removal”)

– UV Photons break water into  H+

and OH‐

ions

– Hydroxyl ions oxidize organics– Used to produce ultrapure water for processing 

semiconductor wafers since the 1970’s• Nothing added to water – highly desirable quality for 

end users at wafer fabrication facilities

Direct Hydroxyl Production

• Direct production of hydroxyl ions from water (cont’d)

– Requires highly energetic photons• Wavelengths less than 200 nm –

“vacuum ultraviolet”

• Almost exclusively 185 nm low pressure mercury lamps

• Low intensity leads to large systems

• Low efficiency leads to high power consumption

• Other options under development to address these 

shortcomings 

– Not effective against all organic compounds• NDMA, carbon tetrachloride are examples

How Does Ultraviolet Light Remove Organics?

Advanced Oxidation Processes (AOP)

• Enhanced production of hydroxyl ions from  additives to water

– Hydrogen peroxide or ozone added to water

– UV photons interact with  hydrogen peroxide or ozone 

to create hydroxyl ions

– Hydroxyl ions oxidize organics• Usage becoming more common in both 

wastewater and drinking water applications.

Advanced Oxidation Processes (AOP)

• Converting hydrogen peroxide or ozone to  hydroxyls requires longer wavelength 

ultraviolet light than direct hydroxyl  production from water

– Uses wavelengths that lamps produce more  efficiently

• UV accelerates natural decomposition of  both of these oxidizers

– Faster removal/shorter holding time

Advanced Oxidation Processes (AOP)

• 200 –

300 nm wavelengths most efficient– Coincides with wavelengths for UV disinfection– Ozone absorbs UV strongly – limits maximum 

effective concentration

– Peroxide does not absorb UV strongly –

need  more UV to dissociate, but allowable 

concentration is unlimited

Advanced Oxidation Processes (AOP)• Peroxide concentration required is 1X – 2X the 

concentration of contaminant to be removed– Peroxide generated offsite – requires hazardous material trucking, 

storage, and personnel training

• Ozone concentration range similar– Ozone concentration limited

– Generated onsite – no storage requirement, but ozone generation 

uses a lot of electricity

• Both low and medium pressure mercury lamps used– Low pressure: Higher efficiency, larger size, more lamps, used when 

fouling is a concern

– Medium pressure: Lower efficiency, smaller size, fewer lamps, 

shorter lamp life, 800°

C operation

How Does Ultraviolet Light Remove Organics?

Direct Photolysis

• UV photons absorbed directly by organic molecule

• Molecule broken apart by photon

– UV‐only process– UV wavelength must

match compound’s  dissociative absorption

curve

– Can be very efficient if absorption curve  matches peak output wavelengths or if 

absorption curve is broad

Direct Photolysis

• The main present‐day application of direct  photolysis is NDMA removal

– Both low pressure and medium pressure  mercury lamps used in practical applications

– Neither is very efficient, but today these are the  only available light sources for implementing 

this process on a reasonable scale

– Cost and size limit use of mercury lamp‐based  systems to high‐need applications 

Presentation Overview

• General discussion of the use of ultraviolet  light for water purification

• Approaches for removing organics with  existing ultraviolet light‐based technologies

• Technologies under development to improve  organic removal from water

• Summary

Ultraviolet‐based Technologies  Under Development

• Alternate technologies are being developed to  address the shortcoming of present‐day 

ultraviolet light‐based organic remediation• Once developed, these may stand alone or 

may be used in combination with other  technologies, including other UV technologies

• A significant amount of performance  validation will be required once these  technologies become commercial

Technologies Under Development

• Titanium dioxide‐catalyzed AOP– Hydroxyls produced at TiO2

‐water interface when  ultraviolet light is present

• UV wavelengths longer than Direct Hydroxyl  Production – essentially chemical‐free AOP

– Higher efficiencies with no chemicals or consumables 

– Small‐low flow (<< 1 GPM) systems available– Prone to fouling– Requires contaminant to be in close proximity to 

catalyst• Higher flow systems will have complicated geometries

Technologies Under Development

• Ultraviolet light emitting diodes (UVLED’s)– Has long‐term promise as high efficiency, low cost 

light source– Capability to operate at wavelengths below

~240 nm requires new, as yet undiscovered  semiconductor material

• Limited to disinfection and AOP applications

– Best performance today is orders of magnitude   more costly ($/UV watt) than mercury lamps

– Efficiency and output power are both significantly  lower than low pressure mercury lamps

Technologies Under Development

• Ultraviolet light excimer

(excited dimer) lamps– Two types

• Excimer‐phosphor combination• Direct excimer

UV production

– Both use a plasma discharge, like mercury lamps– Both are mercury free– Both can generate multiple wavelengths of 

interest• Direct hydroxyl production and direct photolysis both 

possible

Technologies Under Development

• Excimer‐phosphor lamps– Same physics as plasma TV pixels

• Electrical discharge in xenon produces 172 nm UV, which excites 

phosphor coated onto walls 

– Special phosphors needed to emit UV wavelengths• Much lower efficiency than visible phosphors, because excitation

photon energy much closer to emitted photon energy.  Efficiency 

lower than excimer

UV conversion efficiency

– Multiple wavelengths from a single lamp possible

– Must use UV compatible materials • Cost and availability are concerns

Technologies Under Development

• Direct Excimer

UV lamps– Ultraviolet produced directly from electrical 

discharge in excimer

gas mixture• Rare earth‐halogen mixtures (ArF, KrF, KrCl, XeCl…) 

used instead of phosphors to generate desired 

wavelength

– Broad linewidths

cover most of UV‐C spectrum  (200‐320 nm)

– Theoretical efficiency very high (>20% for most)– Corrosive gases require lamps to be fabricated 

from special materials

Direct Excimer

UV Spectrum

160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300

Xe2KrI

ArF KrClKrF

XeClKrBr XeI XeBr

Summary• After decades of use in niche applications, ultraviolet 

light‐based technologies are beginning to see  expanded use for removing organic matter from 

drinking water and wastewater at high flow rates• The performance characteristics of each of these 

technologies must be understood to use them  properly, particularly in a multiple barrier organic 

removal system• New ultraviolet light‐based technologies are being 

developed that are intended to overcome the  weaknesses of the current generation of these  technologies

Questions?