DE4407057A1 - Electrochemical degradation of halogenated hydrocarbon(s) in polluted water - Google Patents
Electrochemical degradation of halogenated hydrocarbon(s) in polluted waterInfo
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Abstract
Description
Die Belastung von Wässern aller Art durch halogenierte Kohlenwasserstoffe, die in vielen Bereichen der Technik eingesetzt werden, ist ein weitverbreitetes Problem /1/. Zur Reinigung solcher belasteten Wässer gibt es eine Reihe von Verfahren:The pollution of all types of water by halogenated hydrocarbons used in many areas of technology is a common one Problem / 1 /. There are a number of methods for cleaning such contaminated water Method:
- - Physikalische Verfahren basierend auf Extraktion, Adsorption, Abtrennung durch Strippen und Verdampfen usw.- Physical processes based on extraction, adsorption, separation by stripping and evaporating etc.
- - Thermische Verfahren, die im Prinzip auf einer Aufkonzentrierung z. B. durch Verdampfen mit anschließender Verbrennung der Schadstoffe beruhen.- Thermal processes, which in principle are based on a concentration z. B. by Evaporation with subsequent combustion of the pollutants are based.
- - Chemische Verfahren, die von einer oxidativen oder reduktiven Umsetzung Gebrauch machen.- Chemical processes that involve an oxidative or reductive reaction Make use.
- - Mikrobiologische Prozesse, die den Stoffwechsel spezifischer Mikroorganis men für den Abbau nutzen.- Microbiological processes that regulate the metabolism of specific microorganisms use for dismantling.
Die aufgezählten Verfahren haben einige Charakteristika, die für die Bewertung wichtig sind. Die physikalischen Verfahren trennen die Schadstoffe nur ab, ohne das Problem der Beseitigung zu lösen. Die abgetrennten Produkte müssen entweder recycliert oder in gesonderten Verfahren abgebaut werden /2/. Ther mische Prozesse sind sehr teuer und können z. B. bei der Verbrennung wieder zusätzliche Umweltprobleme verursachen /3/. Der mikrobiologische Abbau ist zum einen durch langsame Reaktionen gekennzeichnet, zum andern fehlt es in der Natur an spezifischen Mikroorganismen, so daß diese erst adaptiert werden müs sen /4/.The methods listed have some characteristics that are necessary for the evaluation are important. The physical processes only separate the pollutants, without solving the problem of elimination. The separated products must either recycled or dismantled in separate processes / 2 /. Ther Mixing processes are very expensive and can e.g. B. in the combustion again cause additional environmental problems / 3 /. Microbiological degradation is one characterized by slow reactions, the other lacking in Nature of specific microorganisms, so that they first have to be adapted sen / 4 /.
Der chemisch-oxidative Abbau durch Sauerstoff (Naßoxidation), Wasserstoffper oxid oder Ozon setzt in der Regel eine aufwendige Verfahrens- und Reak tionstechnik voraus /5, 6/.The chemical-oxidative degradation by oxygen (wet oxidation), hydrogen per Oxide or ozone usually sets a complex process and reac tion technology ahead / 5, 6 /.
Der reduktive Abbau erfordert den Einsatz starker Reduktionsmittel wie Lithium oder Natrium, die wegen ihrer großen Reaktivität nicht in protischen oder wäß rigen Medien eingesetzt werden können /7, 8/. Bei Gasphasendehalogenierungen wird in Gegenwart reduzierender Atmosphären in der Regel bei erhöhten Druck- und Temperaturverhältnissen gearbeitet, die dadurch mit einem hohen Energiebe darf verbunden sind /9, 10/. Reductive degradation requires the use of strong reducing agents such as lithium or sodium, which because of their high reactivity not in protic or aq media can be used / 7, 8 /. With gas phase dehalogenations is usually in the presence of reducing atmospheres at elevated pressure and temperature conditions worked, which thereby with a high energy may be connected / 9, 10 /.
Die Nutzung elektrochemischer Verfahren ist trotz vielversprechender Ansätze bislang im technischen Maßstab nicht erfolgreich gewesen. Sie beruhen auf Re duktionsprozessen an der Kathode, wobei vielfältige Elektrodenmaterialien und Elektrodenkonstruktionen zum Einsatz kamen /11-13/. Die Nachteile elektroche mischer Verfahren und damit das Fehlen eines Durchbruchs mit dieser Technik lassen sich auf folgende Ursachen zurückführen:The use of electrochemical processes is despite promising approaches have not been successful on a technical scale so far. They are based on Re Production processes on the cathode, using a variety of electrode materials and Electrode constructions were used / 11-13 /. The disadvantages of electroche mixing process and thus the lack of a breakthrough with this technique can be attributed to the following causes:
- - Die Reaktions- und Verfahrenstechnik elektrochemischer Verfahren ist kom pliziert und scheitert oft an der mangelnden Akzeptanz in den Betrieben.- The reaction and process engineering of electrochemical processes is com often complicates and fails due to the lack of acceptance in companies.
- - Die Reduktion an der Kathode vermeidet zwar den Zusatz von Chemikalien, ist aber in wäßrigen oder protischen Lösungen immer mit der Entwicklung von Wasserstoff verbunden, so daß unerwünschte Strippeffekte auftreten. Insbeson dere leichtflüchtige Halogenkohlenwasserstoffe gelangen somit in das Katho dengas und müssen erneut abgetrennt werden.- The reduction on the cathode avoids the addition of chemicals but in aqueous or protic solutions always with the development of Hydrogen connected, so that undesirable stripping effects occur. In particular their volatile halogenated hydrocarbons thus get into the Katho dengas and must be separated again.
- - Der Kathodenprozeß ist zwangsläufig mit Anodenvorgängen gekoppelt. Enthält der Elektrolyt Chloride, dann kann anodisch Chlor entstehen, das wiederum zu Chlorierungsreaktionen mit neuen, unerwünschten Produkten Anlaß gibt. Dies hat zur Folge, daß mit geteilten Zellen operiert werden muß, die wiederum zu einer komplizierteren Verfahrenstechnik führen.- The cathode process is inevitably coupled with anode processes. Contains the electrolyte chloride, then anodic chlorine can form, which in turn gives rise to chlorination reactions with new, undesirable products. The result of this is that divided cells have to be operated on in turn lead to more complicated process engineering.
- - Die Stromausbeuten sind in der Regel sehr gering, da unerwünschte Parallelreaktionen dominieren, z. B. die schon erwähnte Wasserstoffent wicklung.- The current yields are usually very low because they are undesirable Parallel reactions dominate, e.g. B. the already mentioned hydrogen ent winding.
- - Die erzielbaren Endkonzentrationen an Halogenkohlenwasserstoffen sind re lativ hoch und erfüllen in der Regel nicht die Anforderungen an die ge setzlichen Grenzwerte.- The achievable final concentrations of halogenated hydrocarbons are right relatively high and usually do not meet the requirements for ge legal limits.
Das hier vorgestellte neue Verfahren beruht im Prinzip ebenfalls auf elektrochemischen Vorgängen, es arbeitet jedoch im Gegensatz zur Elektrolyse ohne Außenstrom. Treibende Kraft ist ein Korrosionsprozeß, der bei einer Reihe von Metallen in wäßrigen Lösungen in Gang kommen kann.In principle, the new method presented here is also based on electrochemical processes, but it works in contrast to electrolysis without external electricity. Driving force is a corrosion process that occurs in a number of metals in aqueous solutions can get going.
Folgende Voraussetzungen müssen beim Einsatz des außenstromlosen Abbauverfah rens von Halogenkohlenwasserstoffen erfüllt sein:The following requirements must be met when using the de-energized dismantling process halogen hydrocarbons:
- - Das Reduktionsmittel (korrodierendes Metall) muß ausreichende Reduktions kraft besitzen.- The reducing agent (corrosive metal) must have sufficient reduction possess strength.
- - Das Reduktionsmittel sollte beim Korrosionsprozeß keinen gasförmigen Wasser stoff entwickeln (Vermeidung eines Strippeffektes). - The reducing agent should not contain gaseous water during the corrosion process Develop fabric (avoid stripping).
- - Die Kinetik sollte schnell für den Halogenkohlenwasserstoffabbau und lang sam für die Korrosionsreaktion sein. Dies läßt sich durch gezieltes Steuern des Aufbaus von Oxid- und Deckschichten erreichen.- The rate should be fast and long for halocarbon breakdown sam for the corrosion reaction. This can be done through targeted control of oxide and cover layers.
Der grundsätzliche Vorteil des hier vorgeschlagenen Verfahrens gegenüber den bisherigen elektrochemischen Verfahren ist der, daß die elektrochemische Zelle im Mikrobereich wirksam wird und auf den Bau makroskopischer Elektrolysezellen verzichtet werden kann. Dadurch läßt sich der Prozeß mit Hilfe eines einfachen Festbett- oder Wirbelbettreaktors mit Metallpartikeln entsprechender Größe (Granalien, Metallschrot usw.) realisieren.The basic advantage of the method proposed here over the previous electrochemical process is that of the electrochemical cell is effective in the micro range and on the construction of macroscopic electrolysis cells can be dispensed with. This makes the process simple Fixed bed or fluidized bed reactor with metal particles of appropriate size (Granules, metal shot, etc.).
Wie die folgenden Beispiele zeigen, ist aus der Palette der reduktiv wirksamen Metalle wie z. B. Eisen, Zink, Aluminium, Magnesium, das Zink besonders geeig net. Das Verfahren ist für den Abbau von chlorierten Kohlenwasserstoffen, deren Chlorsubstituenten an gesättigte Kohlenstoffatome gebunden sind, (z. B. Hexa chlorcyclohexan, Trichlorethan, Dichlormethan usw.) sehr wirksam. Im Gegensatz zu kürzlich durchgeführten Untersuchungen, ist eine Aktivierung der Metalle mit Kupfer nicht notwendig /14/. As the following examples show, is from the range of reductive effects Metals such as B. iron, zinc, aluminum, magnesium, the zinc particularly suitable net. The process is for the degradation of chlorinated hydrocarbons, their Chlorine substituents are attached to saturated carbon atoms (e.g. hexa chlorcyclohexane, trichloroethane, dichloromethane, etc.) very effective. In contrast to recent investigations, is an activation of the metals with copper not necessary / 14 /.
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DECHEMA Monographies, Volume 124 (1991), 221.
Im Vorratsgefäß der Mikropilotapparatur nach Abb. 1 werden 2 l einer wäßrigen Lindanlösung (pH = 5) vorgelegt und vor Abbaubeginn 1 h mit einem gelinden Stickstoffstrom gespült. Das Festbett wird mit 200 g Zinkpartikeln im Parti kelgrößenbereich von 0,2 - 0,4 mm gefüllt und die Lösung mit einer Durchfluß geschwindigkeit von 0,8 l/h durch das Festbett geleitet. Die den Reaktor ver lassende Lösung wird mit Festphasenextraktion aufgearbeitet und mit einer kombinierten Gaschromatographie/Massenspektrometrie sowie einer ionenselekti ven Chloridelektrode analysiert.In the reservoir of the micro-pilot apparatus according to Fig. 1, 2 l of an aqueous Linda solution (pH = 5) were charged and rinsed h with a gentle stream of nitrogen against degradation beginning 1. The fixed bed is filled with 200 g of zinc particles in the particle size range of 0.2-0.4 mm and the solution is passed through the fixed bed at a flow rate of 0.8 l / h. The solution leaving the reactor is worked up with solid phase extraction and analyzed with a combined gas chromatography / mass spectrometry and an ion-selective chloride electrode.
In den Reaktor eingeleitet wird eine wäßrige Lindanlösung der Konzentration 4,06 mg/l. nach etwa 7 min. sind stationäre Endbedingungen erreicht. Die ge messene Lindankonzentration am Reaktorausgang beträgt dann 50 µg/l, ent sprechend einem Umsatz von ca. 98,8% an Lindan (Abb. 2). Neben Chlorid werden bei der Reaktion Benzol als Haupt- und in geringen Mengen Chlorbenzol im Verhältnis 20 : 1 gebildet, die anschließend zurückgewonnen oder einem Abbau verfahren zugeführt werden können.An aqueous lindane solution with a concentration of 4.06 mg / l is introduced into the reactor. after about 7 min. stationary end conditions have been reached. The measured lindane concentration at the reactor outlet is then 50 µg / l, corresponding to a conversion of approx. 98.8% of lindane ( Fig. 2). In addition to chloride, benzene is formed in the reaction as the main and in small amounts of chlorobenzene in a ratio of 20: 1, which can then be recovered or sent to a degradation process.
Im anodischen Teilschritt der Reaktion geht Zink zweiwertig in LösungIn the anodic sub-step of the reaction, zinc digests in solution
- (1) Zn → Zn2+ + 2e⁻ Im kathodischen Teilschritt der Reaktion wird Lindan gemäß(1) Zn → Zn 2+ + 2e⁻ In the cathodic sub-step of the reaction, lindane is treated in
- (2) C₆H₆Cl₆ + 6e⁻ → C₆H₆ + 6 Cl⁻ oder (3) C₆H₆Cl₆ + 4e⁻ → C₆H₅Cl⁻ + 5 Cl⁻ + H⁺reduktiv dechloriert.(2) C₆H₆Cl₆ + 6e⁻ → C₆H₆ + 6 Cl⁻ or (3) C₆H₆Cl₆ + 4e⁻ → C₆H₅Cl⁻ + 5 Cl⁻ + H⁺reductively dechlorinated.
Wird anstelle von Zink entsprechend Beispiel 1 Eisen, Aluminium oder Magnesium als Reduktionsmittel eingesetzt, dann nimmt die Geschwindigkeit der Abbau reaktion beträchtlich ab. Rechnet man die Reaktionsgeschwindigkeiten in Raum- Zeit-Ausbeuten (RZA) um, dann erhält man die in Abb. 3 wiedergegebenen Werte. Dabei ist zu beachten, daß die RZA logarithmisch aufgetragen sind und Zink den mit Abstand höchsten Wert ergibt.If instead of zinc according to Example 1 iron, aluminum or magnesium is used as the reducing agent, the rate of the degradation reaction decreases considerably. If the reaction rates are converted into space-time yields (STA), the values shown in Fig. 3 are obtained. It should be noted that the RZA are logarithmic and that zinc is by far the highest value.
Der Abbau von 1,1,1-Trichlorethan ergibt ein dem Beispiel 1 fast entsprechen des Ergebnis: Abb. 4. Als Reduktionsprodukte werden hauptsächlich Ethan, geringe Menge Ethen und Chlorid nachgewiesen. Der Abbau erfolgt nach den Gleichungen:The breakdown of 1,1,1-trichloroethane gives a result which almost corresponds to Example 1: Fig. 4. The main reduction products detected are ethane, small amounts of ethene and chloride. The breakdown takes place according to the equations:
anodisch Zn → Zn2+ + 2e⁻
kathodisch C₂H₃Cl₃ + 3 H⁺ + 6e⁻ → C₂H₆ + 3 Cl⁻anodic Zn → Zn 2+ + 2e⁻
cathodic C₂H₃Cl₃ + 3 H⁺ + 6e⁻ → C₂H₆ + 3 Cl⁻
Andere Chlorkohlenwasserstoffe mit Chlorsubstitutenten an gesättigten Koh lenstoffatomen wie z. B. Dichlormethan, Chloroform und Trichlorpropan können in gleicher Weise abgebaut werden.Other chlorinated hydrocarbons with chlorine substitutes on saturated carbon lenstoffatomen such as. B. dichloromethane, chloroform and trichloropropane be degraded in the same way.
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DE19944407057 DE4407057A1 (en) | 1994-03-03 | 1994-03-03 | Electrochemical degradation of halogenated hydrocarbon(s) in polluted water |
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DE (1) | DE4407057A1 (en) |
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