DE102004025007A1 - Photocatalytic emulsion splitting - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur photokatalytischen Emulsionsspaltung mit Hilfe von Eisenionen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spaltung von wässrig-organischen Emulsionen, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte DOLLAR A a) Zufügen eines Oxidationsmittels und einer Fe·2+·- oder Fe·3+·-Ionen aufweisenden Eisenverbindung, zu einer wässrig-organischen Emulsion mit einem pH-Wert von 5, DOLLAR A b) Bestrahlen der Emulsion mit UV- und/oder VIS-Licht und DOLLAR A c) Abscheiden der gebildeten organischen Phase.The invention relates to a process for photocatalytic emulsion cleavage with the aid of iron ions. The invention relates to a process for the cleavage of aqueous-organic emulsions, characterized by the process steps DOLLAR A a) adding an oxidizing agent and an iron compound having Fe.sup.2 + or Fe.sup.3 +.sup. Ions to form an aqueous-organic emulsion a pH of 5, DOLLAR A b) irradiation of the emulsion with UV and / or VIS light and DOLLAR A c) deposition of the organic phase formed.
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur photokatalytischen Emulsionsspaltung unter Einsatz von Eisenionen.object The invention is a process for photocatalytic emulsion splitting using iron ions.
Emulsionen werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Insbesondere zur Entsorgung von gebrauchten Emulsionen werden diese häufig in ihre Bestandteile zerlegt.emulsions are used in many areas of technology. Especially for disposal of used emulsions they are often in their Components decomposed.
Emulsionen werden üblicherweise entweder chemisch mittels quantitativer Zugabe starker Elektrolyte wie Säuren oder Salze, thermisch durch Destillation oder Verdampfung oder auch durch Membrantechnik (Ultrafiltration) gespalten. Der Einsatz starker Elektrolyte bei der chemischen Emulsionsspaltung kann zu hoher Salzfracht in den Abwässern führen und bedeutet einen hohen Verbrauch eben dieser Elektrolyte.emulsions become common either chemically by quantitative addition of strong electrolytes like acids or salts, thermally by distillation or evaporation or else split by membrane technology (ultrafiltration). The use of strong Electrolytes in the chemical demulsification can lead to high salt load lead in the wastewater and means a high consumption of just these electrolytes.
Die Photo-Fenton Oxidationen wurden bislang nicht zur Emulsionsspaltung eingesetzt, fanden aber bereits Einsatz beispielsweise in der Behandlung von Abwässern in der Textilindustrie. Ein gelungener Überblick über den Einsatz der Photo-Fenton Oxidation für die Behandlung von Abwasser findet sich in Advances in Environmental Research 8 (2004) 553-597. Der Einsatz der Photo-Fenton Oxidation speziell für Abwässer aus der Textilindustrie ist beschrieben in Water Research 36 (2002) 2703-2710. Die Behandlung der Abwässer im Stand der Technik zielt dabei auf eine quantitative Zerstörung der organischen Verbindungen und den damit verbundenen quantitativen Einsatz von Wasserstoffperoxid und gegebenenfalls auch Eisensalzen ab.The Photo-Fenton oxidations have not been used for emulsion splitting used, but already found use for example in the treatment of wastewater in the textile industry. A successful overview of the use of Photo-Fenton oxidation for the Wastewater treatment can be found in Advances in Environmental Research 8 (2004) 553-597. The use of Photo-Fenton oxidation especially for sewerage from the textile industry is described in Water Research 36 (2002) 2703-2710. The treatment of wastewater The prior art aims at a quantitative destruction of the organic compounds and the associated quantitative Use of hydrogen peroxide and optionally also iron salts from.
Die Veröffentlichung „ Integrated photocatalytic waste water recycling in textile finishing" von Sattler et al. Im Tagungsband der "3rd International Conference on Oxidation Technologies for Water and Waste Water Treatment", Mai 2003, beschreibt die Behandlung von Abwässern in der Textilindustrie mit Hilfe der Photo-Fenton Reaktion. Im beschriebenen Verfahren werden die das Waschwasser verunreinigenden Maschinenöle quantitativ zerstört. Das Wasserstoffperoxid wird quantitativ verwendet und das Eisen wird nicht recycelt.The Publication "Integrated photocatalytic waste water recycling in textile finishing "by Sattler et al. In the proceedings of the "3rd International Conference on Oxidation Technologies for Water and Waste Water Treatment ", May 2003, describes the treatment of waste water in the textile industry with the help of the Photo-Fenton reaction. In the described method become the machine water contaminating the washing water quantitatively destroyed. The hydrogen peroxide is used quantitatively and the iron will not be recycled.
Um organische Bestandteile aus Emulsionen mit Hilfe der Photo-Fenton Reaktion zu entfernen, war bisher also der quantitative Einsatz von Wasserstoffperoxid notwendig. Das Eisen musste bisher in einem Umfang zugesetzt werden, der ausreichend war, um die organischen Verbindungen quantitativ zu zerstören. Eisen konnte nur durch Fällung mit Lauge aus der Emulsion entfernt werden, was zu hoher Salzfracht und zu einem mit dem übrigen Prozess möglicherweise inkompatiblen pH – Wert geführt hat und konnte bisher nicht auf einem einfachen Weg recycelt werden.Around Organic components from emulsions with the help of Photo-Fenton To remove reaction, so far was the quantitative use necessary for hydrogen peroxide. The iron had so far in one Scope were added, which was sufficient to the organic Quantitatively destroy compounds. Iron could only through precipitation be removed with lye from the emulsion, resulting in high salt load and to one with the rest Process possibly incompatible pH value guided has not yet been recycled in a simple way.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist also ein Verfahren zur Spaltung von wässrig-organischen Emulsionen ohne den bislang notwendigen quantitativen (stöchiometrischen) Einsatz von Spaltreagenzien. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, organisch verunreinigte Abwässer nicht durch quantitativen Abbau der Gesamtmenge dieser Verunreinigungen sondern durch Abtrennung dieser organischen Verunreinigungen zu reinigen.task The present invention thus provides a method for the cleavage of aqueous-organic emulsions without the hitherto necessary quantitative (stoichiometric) use of Cleaving reagents. Another object of the present invention is in that, organically contaminated wastewater not by quantitative Degradation of the total amount of these impurities but by separation of these to clean organic contaminants.
Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch ein Verfahren zur Spaltung von wässrig-organischen Emulsionen gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
- a) Zufügen eines Oxidationsmittels und einer Fe2+ – oder Fe3+ – Ionen aufweisenden Eisenverbindung zu der Emulsion mit einem pH – Wert von ≤ 5,
- b) Bestrahlen der Emulsion mit UV- und/oder VIS-Licht, und
- c) Abscheiden der gebildeten organischen Phase.
- a) adding an oxidizing agent and an Fe 2+ or Fe 3+ ion-containing iron compound to the emulsion having a pH of ≤ 5,
- b) irradiating the emulsion with UV and / or VIS light, and
- c) depositing the formed organic phase.
Die vorliegende Erfindung stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber den bisher verwendeten Verfahren zur Emulsionsspaltung dar, da durch den Einsatz von Photonen als Energiequelle der Chemikalieneinsatz deutlich reduziert werden kann. Die Emulsion wird mit Eisenionen versetzt und der pH-Wert auf ≤ 5, insbesondere ≤ 4 eingestellt. Unter diesen Bedingungen kann eine rasche Spaltung von wässriger und organischer Phase erreicht werden. Die Phasen trennen sich insbesondere bei einer Temperatur von mehr als 50 °C innerhalb eines Zeitraums im Bereich 1 bis 20 min und können über einen Abscheider separiert werden. Bei der Bestrahlung der Emulsion mit Licht werden die organischen Stoffe im Wasser durch die in-situ gebildeten Hydroxylradikale und/oder die photochemische Spaltung von Eisenkomplexen und/oder die Bildung anderer/weiterer reaktiver Intermediate oxidiert. Überraschend wurde gefunden, dass bei dieser Behandlung bevorzugt Emulgatoren bzw. Tenside angegriffen werden und ihre oberflächenaktive Wirkung verlieren. Die hauptsächlich vorhandenen öligen Verunreinigungen werden wesentlich langsamer angegriffen und können sich als organische Phase abscheiden. Die Zugabe von Chemikalien erfolgt in diesem Verfahren also nicht mehr stöchiometrisch als Flockungs- oder Spalthilfsmittel, sondern katalytisch bzw. sub-stöchiometrisch.The present invention represents a significant improvement over the previously used methods for emulsion splitting, since the use of photons as an energy source, the use of chemicals can be significantly reduced. The emulsion is mixed with iron ions and the pH is adjusted to ≦ 5, in particular ≦ 4. Under these conditions, rapid cleavage of aqueous and organic phases can be achieved. The phases separate especially at a temperature of more than 50 ° C within a period in the range 1 to 20 min and can be separated via a separator. Upon irradiation of the emulsion with light, the organic substances in the water are oxidized by the hydroxyl radicals formed in situ and / or the photochemical cleavage of iron complexes and / or the formation of other / further reactive intermediates. Surprisingly, it has been found that in this treatment emulsifiers or surfactants are preferably attacked and lose their surface-active action. The mainly existing oily impurities are attacked much slower and can be separated as an organic phase. The addition of chemicals in this process is therefore no longer stoichiometrically as flocculants or cleavage aids, but catalytically or sub-stoichiometrically.
Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz von Eisenverbindungen wie Eisenhydroxid, Eisenoxid, Eisenchlorid, Eisensulfat, Eisenoxalat, Eisenchlorat und/oder Eisenperchlorat herausgestellt. Der Einsatz von Eisensulfat hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da nicht, wie bei beispielsweise Eisenoxalat, das Eisensalz in einem zusätzlichen Schritt hergestellt werden muss. In diesem Verfahren können als Rohstoff sowohl Eisen(II) und Eisen(III) eingesetzt werden, da Eisen(II) bei den vorgenannten Bedingungen des Verfahrens leicht zu Eisen(III) oxidiert werden kann.When The use of iron compounds has proven particularly advantageous such as iron hydroxide, iron oxide, iron chloride, iron sulfate, iron oxalate, Iron chlorate and / or iron perchlorate exposed. The use ferric sulfate has been found to be particularly advantageous because not, as for example, iron oxalate, the iron salt in one additional step must be made. In this process can be used as raw material both iron (II) and iron (III) are used, since iron (II) in the aforementioned Conditions of the process easily be oxidized to iron (III) can.
Insbesondere kann die Eisenverbindung mit einer Konzentration mit bis zu 5 Gew.-% der Konzentration der in der Emulsion vorhandenen TOC (total organic carbon = totaler organischer Kohlenstoff) eingesetzt werden. Überraschenderweise war die Eisenverbindung in Verbindung mit der Bestrahlung und dem Peroxid schon in einer Konzentration von bis zu 5 Gew.-% in der Lage, die Emulsion zu spalten. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass die Emulgatoren und/oder Tenside prozentual einen höheren Anteil von C-N und C-O Bindungen im Vergleich zu Paraffinen und Ölen haben. Diese Bindungen werden offensichtlich leichter durch die Photo-Fenton Reaktion angegriffen.Especially The iron compound can be concentrated at up to 5% by weight. the concentration of TOC present in the emulsion (total organic carbon = total organic carbon). Surprisingly was the iron compound in connection with the irradiation and the Peroxide already in a concentration of up to 5 wt .-% in the Able to split the emulsion. This could be due to that the emulsifiers and / or surfactants percentage a higher proportion of C-N and C-O bonds compared to paraffins and oils. These bonds are obviously made easier by the Photo-Fenton Reaction attacked.
Bevorzugt wird als Oxidationsmittel ein Peroxid im o.g. Verfahren, besonders bevorzugt Wasserstoffperoxid eingesetzt, da dies besonders leicht zu handhaben ist und leicht verfügbar ist. Alternativ sind aber auch andere Peroxide wie Natriumperoxid oder Siliziumperoxid ebenso einsetzbar wie die in der Waschmitteltechnologie üblichen Perborate, Percarbonate und Persulfate.Prefers is used as the oxidant peroxide in o.g. Procedure, especially preferably used hydrogen peroxide, as this is particularly easy to handle and readily available is. Alternatively, however, other peroxides such as sodium peroxide or silicon peroxide as well as the usual in detergent technology Perborates, percarbonates and persulfates.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Emulsion bei einer Temperatur im Bereich von 0 bis 100 °C, insbesondere in einem Bereich von 50 bis 100 °C, und ganz besonders in einem Bereich von 80 bis 100 °C gespalten. Oberhalb von 100 °C würde man in den Bereich eines thermischen Verfahrens zur Emulsionsspaltung kommen, da dies der Siedepunkt von Wasser ist. Die untere Grenze von 0 °C ergibt sich aus dem Gefrierpunkt von Wasser, während sich die bevorzugten Untergrenzen 50 bzw. 80 °C daraus ergeben, dass sich bei diesen Temperaturen zum einen die Emulsion besonders schnell spaltet, und zum anderen die organischen Moleküle mit einer kleinen oder sogar gar keiner Verzögerungs- oder Aktivierungszeitspanne abgebaut werden.According to one preferred embodiment the emulsion at a temperature in the range of 0 to 100 ° C, in particular in a range of 50 to 100 ° C, and especially split in a range of 80 to 100 ° C. Above 100 ° C you would in the range of a thermal process for emulsion splitting come because this is the boiling point of water. The lower limit from 0 ° C results from the freezing point of water, while the preferred Lower limits 50 or 80 ° C show that at these temperatures on the one hand the Emulsion splits particularly quickly, and on the other hand, the organic Molecules with a small or even no delay or activation period be reduced.
Vorzugsweise wird die Bestrahlung mit einer UV-VIS-Lichtquelle durchgeführt, die ausgewählt ist aus der Gruppe Entladungslampe, Glühlampe, Sonne, insbesondere ein Quecksilbermitteldruckstrahler ist. Dieser hat sich in bekannten Photo-Fenton Prozessen aufgrund des speziellen Spektrums und der Intensität der Beleuchtung als besonders effektiv erwiesen.Preferably the irradiation is carried out with a UV-VIS light source, the selected is from the group discharge lamp, light bulb, sun, in particular is a medium pressure mercury radiator. This one has become known Photo-Fenton processes due to the special spectrum and intensity of illumination proved to be particularly effective.
Besonders vorteilhafterweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass man die sich in der organischen Phase anreichernde Eisenverbindung der wässrigen Phase entzieht und anschließend aus der organischen Phase entfernt, dann gegebenenfalls der teilweise oder vollständig unbehandelten Emulsion wieder zuführt. Während der dieser Erfindung vorangegangenen Experimente wurde überraschend festgestellt, dass sich die Eisenverbindungen trotz ihrer polaren Natur vor allem in der organischen Phase anreichern. Durch diesen Umstand kann das Eisen relativ einfach durch die Abscheidung der organischen Phase im letzten Schritt des Verfahrens der wässrigen Phase entzogen werden. Dies hat einerseits den Vorteil, dass die sonst übliche hohe Salzfracht im Abwasser durch Ausfällung der Eisenverbindung als Hydroxid vermieden wird, zum anderen, dass das Eisen recycelt werden kann, dadurch dass es aus der organischen Phase entfernt wird und dann der Emulsion wieder zugeführt werden kann.Especially Advantageously, the method is characterized in that the iron compound which accumulates in the organic phase the aqueous Phase withdraws and then removed from the organic phase, then optionally the partial or completely feeds untreated emulsion again. During the this invention Previous experiments were surprisingly found that The iron compounds, despite their polar nature, especially in enrich the organic phase. This circumstance can do that Iron relatively easy by the deposition of the organic phase be removed in the last step of the process of the aqueous phase. On the one hand, this has the advantage that the otherwise high salt load in the wastewater by precipitation the iron compound is avoided as a hydroxide, on the other hand that The iron can be recycled by making it organic Phase is removed and then fed back to the emulsion can.
Um die Abtrennung der Eisenverbindung aus der wässrigen Phase besonders einfach zugestalten, hat es sich überraschenderweise als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass man zur Abtrennung der Eisenverbindung aus der wässrigen Phase der unbehandelten Emulsion ein Öl, insbesondere etwa 1 g/l, zusetzt. Bevorzugt werden hierzu durch den Photo-Fenton Prozess besonders schwer abbaubare Öle verwendet. Hierdurch kann eine Mindestmenge an organischen Stoffen in der Emulsion und so ein Transport der Eisenverbindung garantiert werden.Around the separation of the iron compound from the aqueous phase particularly simple it has surprisingly been shaped turned out to be particularly advantageous that one for the separation the iron compound from the aqueous Phase of the untreated emulsion an oil, in particular about 1 g / l, added. This is particularly preferred by the Photo-Fenton process hardly degradable oils used. This allows a minimum amount of organic matter in the emulsion and thus a transport of iron compound are guaranteed.
Ausführungsbeispiel:Embodiment:
Das Verfahren wurde an Abwässern aus der Gardinenproduktion erprobt. Diese enthielten Präparationsöle sowie nicht-ionische Tenside als Emulgatoren. Zur einfacheren Überprüfung der Reproduzierbarkeit wurden im Labor auch Modellabwasser mit der gleichen Zusammensetzung behandelt.The Procedure was on wastewater tested out of the curtain production. These contained preparation oils as well nonionic surfactants as emulsifiers. For easier verification of Reproducibility were also model effluent in the laboratory with the same Composition treated.
Zum
Einsatz kam hierbei ein Enviolet® Reaktor
der Firma a.c.k. aqua concept GmbH. Die Emulsionsspaltung wird wie
folgt durchgeführt.
Als Katalysator wurde FeSO4 Heptahydrat
in einer Konzentration von 50 bis 100 mg/l der Emulsion zugesetzt.
Nach Zugabe von 0,01 g/l bis 0,1 g/l H2O2 wurde die Lösung mit einer handelsüblichen
Quecksilberdampflampe bestrahlt. Als Lichtquelle wurden Quecksilbermitteldruckstrahler
mit einer Leistung von 125 W – 12000
W und einem Emissionsmaximum von 254 nm verwendet. Die Wärmestrahlung
der Lichtquelle wird genutzt, um die Emulsion zu erwärmen. Nach
einer Behandlungszeit von wenigen Minuten entmischten sich die Phasen
und konnten über
einen üblichen Öl-Abscheider getrennt
werden. Als Modellsubstanzen wurden unterschiedliche biologisch
schwer abbaubare Fette und Öle
unterschiedlicher Kettenlänge (C10 – C40) untersucht.
Die Emulsionen wurden durch den Einsatz üblicher Tenside stabil gehalten. Es
wurden Probenvolumina von 0,8 l – 3000 l mit einem TOC Gehalt
von > 1000 mg/l bestrahlt.
Die volumenbezogene Leistung der Lampen betrug 4 – 200 W/l.
Bei der Behandlung wurden gleichzeitig die Eisenionen in der organischen Phase angereichert. Dieser Effekt konnte spektroskopisch verfolgt werden. Dadurch konnte die Trennung kontrolliert werden und eine einfache Regelung des Verfahrens ermöglichen.at At the same time the iron ions were treated in the organic Enriched phase. This effect could be followed spectroscopically become. This allowed the separation to be controlled and one allow easy control of the process.
Die
Geschwindigkeit und der Verlauf der Emulsionsspaltung hing dabei
außer
vom pH – Wert stark
von der Reaktionstemperatur ab. Die Katalysatorkonzentration konnte
dagegen in einem weiten Bereich variiert werden, ohne dass die Abbaugeschwindigkeit
relevant verändert
wird.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DEUTSCHES ZENTRUM FUER LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
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