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Verfahren zur Entgiftung von Abwässern, die Phenol,
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Phenolderivate oder Phenol und Formaldehyd enthalten (II) Phenollialtige
Abwässer mit unterschiedlichen Konzentrationen fallen bei der Phenolsynthese, in
Kokereien und Gasanstalten, in Braunkohlenschwelereien und nicht zuletzt bei der
Herstellung von Phenolformaldehydkunstharzen (Phenoplasten) an.
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Die restlose entfernung des toxisch wirkenden Phenols und auch des
gleichfalls toxisch wirkenden Formaldehyds aus den.
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Abwässern des zuletzt genannten Industriezweiges, insbesondere für
eine nachfolgendc biologische Klärung solcher Abwässer, ist nach wie vor eine sehr
wichtige Aufgabe, die innerhalb eines grösseren Konzentrationsbereiches bisher noch
nicht zufriedenstellend gelöst werden konnte.
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Bei den erwähnten Phenoplasten kann z.B. in den sogenannten ~Reaktionswässern",
die Je nach Kondensationsprozess entweder alkalisch oder'sauer reagieren, ein Gehalt
an flüchtigem Phenol in der Grössenordnung zwischen 1.700 - 15.ooo mg/l vorliegen,
an freiem Formaldehyd zwischen 1.200 - 8.1oo#mg/l (F. Meinck, H. Stoof, 11. Kohlschütter
Industrie-Abwasser, 4. Auflage, Gustav #ischer-Verlag, Stuttgart, 1968, S. 619).
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Es gibt bereits eine Vielzahl von Verfahren zur Reinigung phenolhaltiger
Abwässer, die aber über einen grösseren Konzentrationsbereich nicht universell anwendbar
sind.
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Bei hohen Phenolkonzentrationen kann z.B. zwecks Rückge winnung von
Phenol eine Wasserdampfdestillation angebracht sein. Ausserdem gibt es eine Reihe
von Extraktionsverfahren, bei denen mit Hilfe von z.B. Benzol, Toluol oder aber
Trikresylphosphat eine Extraktion des Phenols vorgenommen wird.
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Diesen Verfahren haftet allerdings der Nachteil an, dass gewisse Restbestandteile
der Extraktionsmittel in das Abwasser gelangen; ausserdem ist der sogenannte ~Auswaschgrad"
der verschiedenen Verfahren unterschiedlich, so dass eine restlose Entfernung des
Phenols nicht möglich ist.
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Eine totale Entphenolung kann durch Eindampfen der Abwässer und Verbrennen
der Rückstände erzielt werden. Jedoch erfordert dieser Prozess einen hohen Energieaufwand.
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Bei niedrigen Phenolkonzentrationen kann eine ausreichende Entfernung
des Phenols auch mit Hilfe von speziellen Aktivkohlen ermöglicht werden, jedoch
hängt der Effekt von der Kohlemenge, Art und Körnung sowie der Verfahrensweise (Zeitdauer
der Einwirkung, pH-Wert und Temperatur des Abwassers) ab.
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Je nach Zusammensetzung und Konzentration der phenolhaltigen Abwässer
ist der Effekt der Adsorption sehr unterschiedlich und bei mittleren und höheren
Konzentrationen zu aufwendig, z.B. ab 1.ooo ppm und höher.
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Ein weiteres Adsorptionsverfahren besteht in der Anwendung von bestimmten
Kunstharzen, z.B. Polymethacrylaten oder Polyvinylbenzolen.
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So konnte z.B. in einem phenolhaltigen Abwasser der Phenolgehalt von
6.700 ppm auf ca. o,1 ppm reduziert werden (USA-PS 3 663 467, USA-PS 3 531 463).
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Derartige Adsorptionsverfahren können Jedoch nicht bei phenol-formaldehydhaltigen
Abwässern der Kunstharzindustrie angewandt werden, weil in dem so behandelten Abwasser
nach wie vor der toxisch wirkende Formaldehyd zurückbleibt.
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Vereinzelt können auch phenolreiche Abwässer nach dem sogenannten
"Nocardia-Verfahren" biologisch behandelt werden.
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Reinkulturen solcher, den Strahlenpilzen nahestehenden Organismen,
werden in Tropikörper- oder Belebtschlamm-Anlagen angesiedelt.
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Im günstigsten Falle kann eine Reinigungswirkung von 99 erzielt werden,
so dass auch bei biologischem Abbau immer noch ein gewisser Restanteil verbleibt.
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Die Wirkung hängt nämlich von den übrigen Bedingungen ab, so wird
die Flora durch einen zu grossen Phenolstoss bezw.
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durch andere Abwassergifte stark geschädigt und evtl. sogar vernichtet.
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Das Verfahren stellt also keine Sicherheit für Abwasserentgiftungen
dar.
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Ausserdem müssen zur Adaption eines solchen speziellen biologischen
Rasens bezw. Belebtschlamms N- und P-haltige Nährsalze zugegeben werden (Gesundh.-Ing.
81 (1960), 205 ff).
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Derartige Massnahmen erfordern den relativ aufwendigen Betrieb einer
speziellen biologischen Kläranlage.
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Ein sehr bekanntes Verfahren ist das der Oxidation des Phenols mittels
Chlordioxid. Chlordioxid wird entweder durch Einwirkung von Säuren auf Chlorit -
vorzugsweise Na-Chlorit -erhalten oder auch durch Umsetzung von Chlor mit Natriumchlorit
in z.B. schwefelsaurem Milieu.
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Bei dem letzteren Verfahren besteht Jedoch die Gefahr der Chlorierung
des Phenols zu den noch toxischer wirkenden Chlorphenolen. Ausserdem verläuft die
Oxidation nicht hunderprozentig. Das gilt auch für die Entwicklung von Chlordioxid
durch Einwirkung von Säure auf Chlorit.
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Auch hier kann zwar eine weitgehende Oxidation erzielt werden. Eigene
Versuche dieser Art haben jedoch, wie aus gaschromatografischer Analyse derart behandelter
Abwässer hervorgeht, ergeben, dass nach der Oxidation immer noch stark schwanlcende
Restgehalte an Phenol in der Grössenordnung zwischen mehr als lo bis über loo ppm
vorhanden waren.
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Ausserdem traten in den Gaschromatogrammen bisher noch nicht identifizierte
Fremdpeaks auf, von denen anzunehmen ist, dass es sich um Zwischenoxidationsprodukte
(Chinone, Hydrochinone oder evtl. auch chlorierte Produkte) handelt (s. auch H.
Thielemann, Gesundh.-Ing. 92 (1971), 11. lo, 297).
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Nicht unberücksichtigt sollten auch die Korrosionsprobleme bleiben,
die beim starken Ansäuern der Abwässer auftreten.
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Nach Angaben in der Literatur (Klossowski, Jerzy, Gaz, Woda Tech.
Sanit. (1968), 42, 197-2oo), werden Phenol und seine Derivate durch gasförmiges
Chlordioxid, das aus Na-Chlorit und Schwefelsäure entwickelt wurde, in Mengen von
nur 83% zerstört.
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Die Oxidation von Phenol durch Chlordioxid soll im sauren und neutralen
Bereich zum p-Benzochinon als Endprodukt der Phenoloxidation führen, während im
alkalischen Medium durch einen hohen Uberschuss an Chlordioxid (3 mg CL02 auf 1
mg Phenol) ein Gemisch von organischen Säuren, hauptsächlich Malein- und Oxalsäure
entstehen (Chemical Abstracts, 79.
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23266 m).
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Im UDSSR-Patent 141 814 wird die Reinigung von Abwässern der Phenol-/Formaldehydharzproduktion
beschrieben, wobei Formaldehyd durch Behandeln des Wassers mit "quick-lime" bei
Raumtemperatur oder bei 980C, Plienol durch Oxidation, entweder elektrochemisch
oder mit MnO2 entfernt werden soll.':#ieses Verfahren ist relativ aufwendig.
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Unter "quick-lime" wird Kalkhydrat verstanden.
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In einem anderen Verfahren wird die Abwasserreinigung von Phenol,
Methanol und Formaldehyd mittels einer sogenannten Flüssigphasen-Oxidation vorgenommen
(I.S. Stepanyan, I.A. Vinokur, G.M. Padaryan, khim. prom. (1972), 6, 30/31 bezw.
Int. Chem. Eng. 12 (1972), 4, 649/651). Bei diesem Verfahren wird das Abwasser mittels
Luft unter 40 bar Druck und bei 200 C in einen elektrisch beheizten Reaktor einer
düst. Versuchsdaten haben jedoch nur Oxidationsgrade von rd. 95 für Phenol, 77%
für Methanol und 93 für Formaldehyd ergeben.
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In einer anderen Versuchsreihe lagen die Oxidationsgrade nur bei 80
für die genannten Substanzen. Das Verfahren ist technisch sehr aufwendig.
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Es verbleiben Restanteile der toxisch wirkenden Substanzen.
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In der DT-OS 2 404 264 wird ein Verfahren zum Vorreinigen von Phenol,
Formaldehyd und deren Reaktionsprodukte enthaltendem Abwasser beschrieben, wonach
dem Abwasser wasserlösliche Aminoplastharzvorkondensate oder deren wässrige Lösungen
zugesetzt werden. Das Reaktionsgemisch wird im alkalischen Bereich 2 - 8 Std. auf
Siedetemperatur gehalten, anschliessend neutralisiert und die ausgefallenen-Umsetzungsprodukte
abgetrennt.
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Wie aus den angeführten Beispielen hervorgeht, kann mit dieser Verfahrensweise
lediglich eine Vorreinigung solcher Abwässer erzielt werden; eine vollständige Entfernung
von Phenol und Formaldehyd ist unmöglich.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, phenol- und phenol-/ formaldehydhaltige
Abwässer mit Alkali- oder Erdalkalichloriten in Gegenwart bestimmter Mengen Formaldehyd
zu behandeln (DT-PS ............. /Patentanmeldung P 26 57 192.6).
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Durch dieses Verfahren wird eine vollständige Eliminierung von Phenol
und Formaldehyd erreicht, jedoch wird das behandelte Abwasser durch die Alkali-
bzw. Erdalkalichlorite aufgesalzt.
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Das so behandelte Abwasser kann dann noch gegebenenfalls mit Aktivkohle
nachbehandelt werden.
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Ferner ist es bekannt, Phenol mit Wasserstoffperoxid aus Abwässern
zu entfernen und zwar in Gegenwart von Ferrichlorid.
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Der pH-Wert der Abwässer wird in diesem Fall vor der Behandlung auf
pH 2,5 bis 3,5, nach der Behandlung auf pH 10 eingestellt.
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Nach Klärung der Suspension mit entsprechenden Mitteln enthielt das
Abwasser immer noch 0,3 ppm Phenol (Japanische Patentanmeldung 118 8902/72 - Offenlegungsnummer
77 449/74 -).
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Ein weiteres Verfahren verwendet zum Entgiften phenol-/formaldehydhaltiger
Abwässer ebenfalls Wasserstoffperoxid und zwar in einer Menge, die mehr als das
1,50*acht des COD-Wertes von Abwasser beträgt, sowie Ferrosulfat.
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Der pH-Wert des Abwassers wird bei Zugabe des Wasserstoffperoxides
und des Ferrosalzes auf 3 bis 4 erniedrigt (Japanische Patentanmeldung 44 906/72
- Offenlegungsnummer 6763/74).
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Beide letztgenannten Verfahren beziehen sich auf niedrige Phenol-
und Formaldehydgehalte bis 100 ppm.
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Um bei höheren Phenolgehalten im Abwasser vollständige Oxydation zu
gewährleisten, muss die Eisensalzmenge entsprechend erhöht werden, was zu einer
nicht zu tolerierenden Salzbelastung führt.
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Ausserdem bleibt nach dem zuletzt genannten Verfahren noch ein Restgehalt
an Formaldehyd von mindestens 50 ppm zurück.
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Auch wirkten die genannten Verfahren nicht auf Abwässer, die Phenolderivate
enthielten, wie Brenzcatechin, Resorcin, Pyrogallol, Kresole, Chlorphenol und Hydrochinon.
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entgiftend. Ziel der Erfindung ist die vollständige Eliminierung von
Phenol, Phenolderivaten bzw. Phenol + Formaldehyd aus Abwässern, und zwar auch bei
Vorliegen höherer Konzentrationen ohne Auftreten einer Salzbelastung.
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Unter höheren Konzentrationen werden Gehalte an Phenol bzw.
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Phenolderivaten bis zu max. o,5 und Formaldehydgehalte bis zu max.
5 verstanden, da bei noch höheren Konzentrationen das Verfahren nicht so wirtschaftlich
ist.
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Das Verfahren nach DT-PS .......,.,.. (Patentanmeldung zur Reinigung
phenol-, phenolderivat- und phenol-/formaldehydhaltiger Abwässer mit Wasserstoffperoxid
in Gegenwart von metallischem Eisen oder Kupfer wird bevorzugt bei neutral oder
schwach sauer reagierenden Abwässern angewendet.
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Bei alkalisch reagierenden Abwässern ist es nicht so günstig, da die
Oxidationsrealction im alkalischen Milieu stark verzögert ist. Bis zur vollständigen
Elipinierung von Phenol und Formaldehyd dauert es meist mehrere Stunden, im Unterschied
zur Rea-lction im sauren und neutralen Milieu, in denen der Oxidationsprozess innerhalb
von 30 - 6o Minuten abgeschlossen ist.
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Zwar könnte der Prozess bei alkalischen Abwässern durch Zugabe von
Mineralsäuren beschleunigt werden, jedoch würde hierdurch eine unerwünschte Aufsalzung
des Abwassers die Folge sein.
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Es wurde nun gefunden, dass man auch alkalisch reagierende Abwässer,
die Phenol, Phenolderivate und Phenol + Formaldehyd enthalten, relativ rasch mit
Wasserstoffperoxid entgiften kann, wenn man dem zu behandelnden Abwasser vor Zugabe
des Wasserstoffperoxids o,5 bis 2 g/L Abwasser des Komplexsalzes Natriumeisen (III)-äthylendiamin-tetraacotat-trihydrat
(Summenformel Clo H12 N2 °> Fe Na . 3H20) zugibt.
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Selbstverständlich kann das genannte Komplexsalz auch als wässrige
Lösung dem zu behandelnden Abwasser zugemischt werden.
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Die Menge an Wasserstoffperoxid pro Mol Phenol oder Phenolderivat,
die zur Oxidation von Phenol bezw. Phenolderivat aufzuwenden ist, ist 8 Mol Wasserstoffperoxid.
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Bei gleichzeitiger Anwesenheit von Formaldehyd sind noch zusätzlich
2 Mol Wasserstoffperoxid erforderlich.
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Unabhängig vom Phenol- und Formaldehydgehalt im Abwasser genügen p.
Liter Abwasser 1 bis max. 2 g des Komplexsalzes Natriumeisen (III)-äthylendiamin-tetraacetat-tri
hydrat. Der pH-Wert des Abwassers sollte bei mind. 8 liegen.
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Auch neutrale bezw. saure Abwässer lassen sich im Prinzip nach dem
erfindungsgemässen Verfahren behandeln, wenn sie zuvor auf den pH-Wert von mind.
8 eingestellt werden, z.B.
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mit Alkalilauge, Jedoch nicht höher als pH 12.
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Im allgemeinen wird so vorgegangen, dass dem zu behandelnden alkalisch
reagierenden Abwasser unter Rühren zunächst das erfindungsgemäss zu verwendende
Komplexsalz und anschliessend die erforderl i clie Menge al Wasserstoffperoxidiösung
- entsprechend der Konzentration an Phenol, Phenolderivat und Formaldehyd - zugegeben
werden.
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Wenige Minuten und zwar im allgemeinen nach etwa 5 - 15 Minuten nach
Zugabe des Wasserstoffperoxids beginnt die Oxidationsreaktion, die sich durch Dunkelfärbung
des Abwassers, Temperaturerhöhung, Kohlendioxidentwicklung und Absinken des pH-Wertes
bemerkbar macht.
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Der pH-Wert beträgt am Ende der Reaktion, die etwa 30 Minuten dauert,
höchstens 2.
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Zur Neutralisation des sauren, dunkel gefärbten Abwassers eignen sich
alle bekannten Alkali- bezw. Erdalkalihydroxyde, bevorzugt ist aber Calciumhydroxyd
in Form von Kalkmilch.
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Beim Neutralisieren des nach dem erfindungsgemässen Verfahren anfallenden
Abwassers erfolgt Aufhellung und Absetzen des Erdalkalihydroxydniederschlages, der
geringe Mengen an Eisenhydroxyd enthält.
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Die quantitative Bestimmung auf Phenol und evtl. Phenolderivate erfolgt
gaschromatografisch unter folgenden Bedingungen: Gaschromatograf Perkin-Elmer F
7 mit FID. Temperatur der Säule 180 Einspritzblock 2300cm Strömung ca. 24 ml/Min.p
Säule 1 m Poropak P, Nr. 85, Probemenge 11u 1/Min.; Papiervorschub o,5 cm /Min.
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Die Analyse des Formaldehyds wird kolorimetrisch mit Hilfe der sehr
empfindlichen Kondensationsreaktion zwischen Formaldehyd, Acetylaceton und Ammoniak
bezw. Ammoniumacetat zum gelbgefärbten Diacetyldihydrolutidin (T. Nash, Nature (London)
170 (1952), 976) durchgeführt.
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Die Analysen auf Phenol und Formaldehyd, und zwar sowohl von sauren
wie von neutralisierten Abwasserproben ergaben, dass nach der Anwendung des erfindungsgemässen
Verfahrens weder Phenol, Phenolderivate noch Formaldehyd anwesend waren.
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Ihre Eliminierung war also vollständig.
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Die folgenden Beispiele erläutern die Verfahrensweise: Beispiel 1:
Alkalisch reagierende Abwässer mit pH-Werten zwischen 8 - 9, die Phenolgehalte von
loo, 1.ooo und 5.ooo ppm aufwiesen, wurden mit Natriumeisen (III)-äthylendiamin-tetraacetat-trihydrat
unter Rühren versetzt. Die Mengen des Komplexsalzes lagen - auf das Liter Abwasser
bezogen - zwischen 1 - 2 g.
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Nach Lösen des Komplexsalzes wurden die für den Phenolgehalt erforderlichen
Mengen an 1obiger Wasserstoffperoxidlösung unter Rühren zugegeben. Bei loo ppm Phenol
waren 2,8 ml lo96iger Wasserstoffperoxidlösung p. Liter Abwasser, bei l.ooo ppm
Phenol 27,4 ml 1obiger H202 p. Liter, bei 5.ooo ppm Phenol 137 ml 1obiger H202-Lösung
p. Liter Abwasser aufzuwenden.
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Die'gleiche Versuchsreihe wurde mit 35%iger Wasserstoffperoxid~ lösung
durchgeführt, wobei entsprechend 1,5 ml 35%iger Wasserstoffperoxidlösung für loo
ppm Phenol; 7,2 ml 3596iger Wasserstoffperoxidlösung für 1.ooo ppm Phenol und 36,2
ml 359siger Wasserstoffperoxidlösung für 5.000 ppm Phenol Je Liter Abwasser aufzuwenden
waren.
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Innerhalb weniger Minuten sprang die Reaktion an, erkenntlich am Dunkelwerden
des Abwassers, der Temperaturerhöhung und Absinken des pH-Wertes, sowie C02-Entwicklung.
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Nach 30 Minuten war die Oxidation beendet; die sauer reagierenden
Abwasserproben wurden durch Zugabe von Kalkmilch neutralisiert und das über dem
abgesetzten Niederschlag aufgehellte klare Abwasser analysiert. Die Analyse ergab,
dass die Proben frei von Phenol waren.
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Beispiel 2: Abwasserproben mit pH-Werten zwischen 8 - 9, die ausser
Phenol noch Formaldehyd enthielten, und zwar jeweils loo ppm Phenol + loo ppm Formaldehyd,
1.ovo ppm Phenol + 1.ovo ppm Formaldehyd und 5.000 ppm Phenol + 5.000 ppm Formaldehyd,
wurden mit Natriumeisen (III)-äthylendiamin-tetraacetat-trihydrat unter Rühren versetzt,
wobei wiederum p. Liter Abwasser 1 - 2 g Komplexsalz in den Proben gelöst wurden.
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Anschliessend erfolgte der Zusatz an 35 gew.%iger Wasserstoff peroxidlösung,
wobei folgende Mengen aufgewandt wurden: Fiir Abwasser mit loo ppm Phenol + loo
ppm Formaldehyd 2,7 ml 35%ige Wasserstoffperoxidlösung p. Liter Abwasser; für Abwasserproben
mit 1.ooo ppm Phenol + 1.ooo ppm Formaldehyd 13,4 ml 35 gew.£jo'iger Wasserstoffperoxidlösung,
bezogen auf 1 Liter Abwasser; für Abwasserproben mit 5.ooo ppm Phenol + 5.ooo ppm
Formaldehyd 66,4 ml zeiger Wasserstoffperoxidlösung p. Liter Abwasser.
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Nach Zusatz der Wasserstoffperoxidlösung verlief die Oxidationsreaktion
nach der bereits in Beispiel 1 geschilderten Verfahrensweise.
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Innerhalb von 30 Minuten war die Oxidationsreaktion beendet.
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Die sauer reagierenden Abwasserproben, pH-Wert ca. 2, wurden mit Kalkmilch
neutralisiert; nach Absetzen des Niederschlags wurde das aufgehellte klare Abwasser
wiederum analysiert.
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Die Analysen ergaben, dass sämtliche Proben völlig frei von Phenol
waren und in einigen Fällen nur noch Spuren von Formaldehyd von 1o ppm vorlagen.
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Beispiel 3: Die Analyse eines bei der alkalischen Kgndensation von
Phenol und Formaldehyd (Resolharze) anfallenden Betriebsabwassers ergab einen Phenolgehalt
von o,15* und einen Formaldehydgehalt von o,o4%.
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Der Formaldehyd lag in gebundener Form vor. Der pH-Wert des Abwassers
betrug 8,9. Ausserdem waren in diesem Abwasser noch Amine und Ammoniak enthalten.
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Eine grössere Menge von 400 L dieses Betriebsabwassers wurde unter
Rühren mit 400 g einer wässrigen Lösung des Komplexsalzes von Beispiel 1 (Konzentration
1 g/L Abwasser) versetzt, Nach Auflösen des Komplexsalzes wurden dem Abwasser 6,3
L 35 gew.%iger Wasserstoffperoxidlösung in 2 Portionen zugesetzt, Die 1. Portion
umfasste zwei Drittel der insgesamt aufzuwendenden Menge, die 2. Portion die restliche
Menge.
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Nach Zugabe der 1. Portion stieg die Temperatur an. Nach etwa 15 -
2o Minuten war die Oxidationsreaktion deutlich sichtbar, erkenntlich am Absinken
des pH-Wertes und zunächst schwacher CO2-Entwicklung, die sich zunehmend verstärkte.
Die Temperatur stieg bis auf 35°C an. Nach Zugabe der restlichen Menge an Wasserstoffperoxidlösung
stieg die Temperatur noch etwas an, der pH-Wert fiel auf ca. 3 ab.
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Nach ungefähr 1 Stunde war die Oxidationsreaktion beendet, wobei das
Abwasser braun gefärbt war.
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Anschliessend wurde durch Zusatz von Kalkmilch neutralisiert, wobei
Aufhellung des Abwassers beobachtet wurde. Nach Absetzen des Kalkniederschlags,
der geringe Mengen an Eisenhydroxyd enthielt, konnte das klare Abwasser analysiert
werden.
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Die Analyse ergab, dass es völlig frei von Phenol war und an Formaldehyd
nur noch Spuren in der Grössenordnung von lo ppx vorhanden waren.