LT7172B

LT7172B - TWO-STAGE CONSECUTIVE PURIFICATION DEVICE FOR DYE REMOVAL FROM WATER

Info

Publication number: LT7172B
Application number: LT2025004A
Authority: LT
Inventors: Monika LIUGĖ; Dainius PALIULIS
Original assignee: VšĮ Vilniaus Gedimino technikos universitetas
Priority date: 2025-04-04
Filing date: 2025-04-04
Publication date: 2025-11-25
Also published as: LT2025004A

Abstract

Išradimas skirtas tekstilės pramonėje naudojamų dažiklių kongo raudonojo, naftolio žaliojo B, rodamino B ir metileno mėlynojo šalinimui iš vandens. Dviejų nuoseklių pakopų valymo įrenginį sudaro dvi pakopos: pirmoje pakopoje vykdoma elektrocheminė degradacija taikant skirtingos sudėties elektrodus, o antroje pakopoje taikomas adsorbcijos metodas su adsorbentu kaip filtro užpildu. Pirmoje nuotekų valymo įrenginio talpoje (1) į vandeninį dažiklio tirpalą (3) išlaikant ne didesnį nei 0,3–1,0 cm atstumą tarp elektrodų (2) nardinami bei 60 min laikomi boru legiruoti deimantiniai (BDD), mišrūs metalo oksido (MMO), grafito, aliuminio, geležies arba titano elektrodai. Elektrolitiniame elemente palaikomas 13,0 mA/cm2 srovės tankis naudojant elektros maitinimo šaltinį (4). Pirmoje nuotekų valymo įrenginio talpoje esantys dažiklių vandeniniai tirpalai nuolat maišomi su magnetine maišykle (6) palaikant ne didesnį nei 400 aps./min greitį. Po 60 min trukusio elektrocheminio valymo, dalinai išvalytas dažiklio tirpalas išleidžiamas iš pirmosios nuotekų valymo įrenginio talpos į antrąją per pirmoje talpoje įmontuotą kranelį (5). Antroje nuotekų valymo įrenginio talpoje (7) tarp plastikinių tinklelių (9) įstatoma 5,0 % celiuliozės savo masėje nuo bendros masės turinti 0,8 g sverianti aerogelio kapsulė (8), pagaminta iš popieriaus ir kartono atliekų. Dažiklių vandeniniai tirpalai (11), esantys antroje nuotekų valymo įrenginio talpoje laikomi 60 min nuolat juos maišant su magnetine maišykle (10) palaikant ne didesnį nei 400 aps./min greitį. Po 60 min trukusio adsorbcijos valymo dažiklių vandeniniai tirpalai yra išleidžiami per antros nuotekų valymo įrenginio talpos apačioje įrengtą kranelį (12).The invention is intended for the removal of Congo red, naphthol green B, rhodamine B and methylene blue dyes used in the textile industry from water. The two-stage sequential treatment unit consists of two stages: in the first stage, electrochemical degradation is carried out using electrodes of different composition, and in the second stage, an adsorption method is applied with an adsorbent as a filter filler. In the first tank (1) of the wastewater treatment unit, boron-doped diamond (BDD), mixed metal oxide (MMO), graphite, aluminum, iron or titanium electrodes are immersed in an aqueous dye solution (3) in the first tank (1) of the wastewater treatment unit, maintaining a distance of no more than 0.3–1.0 cm between the electrodes (2) and kept for 60 min. A current density of 13.0 mA/cm2 is maintained in the electrolytic cell using an electric power source (4). The aqueous solutions of dyes in the first tank of the wastewater treatment plant are continuously mixed with a magnetic stirrer (6) at a speed not exceeding 400 rpm. After 60 min of electrochemical cleaning, the partially cleaned dye solution is discharged from the first tank of the wastewater treatment plant into the second tank through a tap (5) installed in the first tank. In the second tank of the wastewater treatment plant (7), an aerogel capsule (8) weighing 0.8 g and containing 5.0% cellulose by weight of the total mass, made of paper and cardboard waste, is placed between plastic meshes (9). The aqueous solutions of dyes (11) in the second tank of the wastewater treatment plant are kept for 60 min while continuously mixing them with a magnetic stirrer (10) at a speed not exceeding 400 rpm. After 60 minutes of adsorption cleaning, the aqueous solutions of dyes are discharged through a tap (12) installed at the bottom of the second tank of the wastewater treatment plant.

Description

TECHNIKOS SRITISTECHNICAL FIELD

Išradimas priklauso įrenginiams, skirtiems nuotekų valymui.The invention relates to devices for wastewater treatment.

TECHNIKOS LYGISSTATE OF THE ART

Įrenginys, skirtas tekstilės pramonėje naudojamų dažiklių šalinimui iš vandens, užtikrina įrenginio veikimo universalumą ir pritaikomumą esant įvairioms aplinkos ar technologinėms sąlygoms. Kiekvienas elektrodų tipas pasižymi skirtingomis savybėmis, kurios padeda optimizuoti procesą, priklausomai nuo dažiklio savybių. Pavyzdžiui, BDD elektrodai pasižymi aukštu elektrocheminiu stabilumu, o MMO elektrodai gali užtikrinti ilgaamžiškumą ir efektyvumą, todėl įrenginys gali veikti ilgą laiką ir išlaikyti aukštą našumą. Elektrocheminė degradacija leidžia pašalinti dažiklius iš vandens be papildomų cheminių reagentų naudojimo, dėl to sumažėja antrinių atliekų kiekiai ir užtikrinamas proceso tvarumas. Antroje pakopoje naudojamas adsorbcijos metodas su aerogeliu, kuris pasižymi dideliu poringumu. Aerogeliai, kaip aukštos technologijos medžiagos, turi ne tik didelį savitąjį paviršiaus plotą, bet ir unikalią 3D struktūrą, kuri padeda efektyviai adsorbuoti teršalus net esant mažoms dažiklių koncentracijoms. Naudojant perdirbtas medžiagas, ši pakopa taip pat prisideda prie atliekų sumažinimo ir perdirbimo, todėl procesas yra dar tvaresnis. Dviejų pakopų valymo procesas leidžia pasiekti didesnį dažiklių šalinimo efektyvumą, nes kiekviena pakopa atlieka skirtingą, tačiau komplementarią funkciją. Elektrocheminė degradacija sumažina dažiklių koncentraciją, o adsorbcija pašalina likusius teršalus iš vandens.The device, designed for the removal of dyes used in the textile industry from water, ensures the versatility and adaptability of the device's operation under various environmental or technological conditions. Each type of electrode has different properties that help optimize the process, depending on the properties of the dye. For example, BDD electrodes have high electrochemical stability, while MMO electrodes can ensure durability and efficiency, so the device can operate for a long time and maintain high performance. Electrochemical degradation allows the removal of dyes from water without the use of additional chemical reagents, which reduces the amount of secondary waste and ensures the sustainability of the process. The second stage uses an adsorption method with aerogel, which is characterized by high porosity. Aerogels, as high-tech materials, have not only a large specific surface area, but also a unique 3D structure, which helps to effectively adsorb pollutants even at low concentrations of dyes. By using recycled materials, this stage also contributes to waste reduction and recycling, making the process even more sustainable. The two-stage purification process allows for greater dye removal efficiency, as each stage performs a different, yet complementary function. Electrochemical degradation reduces the concentration of dyes, while adsorption removes remaining contaminants from the water.

Šio išradimo prototipu laikytina JAV patentinė paraiška US 2016/0009583 A1, kurioje aprašytas trijų pakopų elektrocheminis įrenginys, skirtas organinių teršalų šalinimui iš nuotekų. Šiame įrenginyje nuotekos iš pradžių apdorojamos elektrokoaguliacijos būdu, naudojant metalinius elektrodus, po to jos patenka į elektrocheminio oksidavimo skyrių, o galiausiai praeina oksidantų šalinimo pakopą. Įrenginys susideda iš atskirų kamerų, kuriose įrengti elektrodai, skysčių cirkuliavimo kanalai, vožtuvai ir valdymo sistema.The prototype of this invention is the US patent application US 2016/0009583 A1, which describes a three-stage electrochemical device for the removal of organic pollutants from wastewater. In this device, wastewater is initially treated by electrocoagulation using metal electrodes, then it enters the electrochemical oxidation section, and finally passes through the oxidant removal stage. The device consists of separate chambers, which are equipped with electrodes, liquid circulation channels, valves and a control system.

Nors šis įrenginys pasižymi pažangia valymo grandine, jo techninė sandara bei paskirtis skiriasi nuo šiame išradime siūlomo įrenginio, kuris apima tik dvi pakopas - elektrocheminę degradaciją ir adsorbciją, atliekamas kompaktiškoje, vientisoje sistemoje. Be to, šio išradimo unikalumas slypi naudotų adsorbentų kilmėje (aerogeliai, pagaminti iš antrinių žaliavų - popieriaus ir kartono atliekų), taip pat plataus spektro elektrodų (BDD, MMO, grafitas, aliuminis, geležis ir titanas) taikyme. Tokia sudėtis leidžia įrenginiui būti tvaresniu, pigesniu bei tinkamu skirtingo tipo dažiklių šalinimui.Although this device features an advanced cleaning circuit, its technical structure and purpose differ from the device proposed in this invention, which includes only two stages - electrochemical degradation and adsorption, performed in a compact, integral system. In addition, the uniqueness of this invention lies in the origin of the adsorbents used (aerogels made from secondary raw materials - paper and cardboard waste), as well as the application of a wide range of electrodes (BDD, MMO, graphite, aluminum, iron and titanium). Such a composition allows the device to be more sustainable, cheaper and suitable for the removal of different types of dyes.

Skirtingai nuo US 2016/0009583 A1 įrenginio, kuris orientuotas į plačius organinių junginių šalinimo sprendimus ir apima papildomą oksidantų neutralizavimo pakopą, šiame išradime pasirinktas efektyvus ir ekologiškas derinys - elektrocheminė degradacija bei adsorbcija - leidžia sumažinti eksploatacines sąnaudas ir pasiekti aukštą valymo efektyvumą (virš 70-90 %) nenaudojant papildomų cheminių reagentų ar membranų. Todėl šis įrenginys sprendžia praktinį poreikį valyti dažikliais užterštas nuotekas mažose ar vidutinėse pramonės įmonėse.Unlike the US 2016/0009583 A1 device, which is focused on broad organic compound removal solutions and includes an additional oxidant neutralization stage, the effective and environmentally friendly combination chosen in this invention - electrochemical degradation and adsorption - allows to reduce operating costs and achieve high cleaning efficiency (over 70-90%) without using additional chemical reagents or membranes. Therefore, this device addresses the practical need for cleaning dye-contaminated wastewater in small or medium-sized industrial enterprises.

IŠRADIMO ESMĖESSENCE OF THE INVENTION

Šio išradimo tikslas - dviejų nuoseklių pakopų valymo įrenginyje didesniu nei 90,0 % efektyvumu galima pašalinti dažiklį kongo raudonąjį, didesniu nei 80,0 % efektyvumu pašalinti dažiklius rodaminą B ir metileno mėlynąjį ir didesniu nei 70,0 % efektyvumu pašalinti dažiklį naftolio žalią B. Įrenginyje yra galimybė taikyti skirtingos sudėties elektrodus elektrocheminėje pakopoje. Kaip adsorbentą siūloma naudoti iš popieriaus ir kartono atliekų susintetintą aerogelį, kuris pasižymi dideliu 96,74-99,18 % poringumu ir 0,0110-0,0209 g/cm³ tankiu.The aim of this invention is to provide a two-stage purification device with an efficiency of more than 90.0% for the removal of Congo red dye, with an efficiency of more than 80.0% for the removal of rhodamine B and methylene blue dyes, and with an efficiency of more than 70.0% for the removal of naphthol green B dye. The device has the possibility of using electrodes of different composition in the electrochemical stage. It is proposed to use an aerogel synthesized from paper and cardboard waste as an adsorbent, which has a high porosity of 96.74-99.18% and a density of 0.0110-0.0209 g/cm ³ .

Dviejų nuoseklių pakopų valymo įrenginį sudaro:The two-stage sequential purification unit consists of:

Dvi identiškos plastikinės talpos: 9,0 cm aukščio, 6,5 cm skersmens. Plastikinių talpų darbinis tūris - 199,09 cm³. Plastikinių talpų apačioje įmontuoti kraneliai, pro kuriuos imami mėginiai bei išleidžiamas dažiklio vandeninio tirpalo tūris iš pirmos talpos į antrą talpą. Angos skersmuo - 2,5 cm. Plastikinės žarnelės, jungiančios talpas, vidinis skersmuo - 1,0 cm, išorinis - 1,5 cm. Ant pirmosios plastikinės talpos dedamas metalinis dangtelis, ant kurio yra pritvirtinta elektrodų pora. Antroje plastikinėje talpoje tarp plastikinių tinklelių įdedama aerogelio kapsulė (0,8 g).Two identical plastic containers: 9.0 cm high, 6.5 cm in diameter. The working volume of the plastic containers is 199.09 cm ³ . At the bottom of the plastic containers, taps are installed, through which samples are taken and the volume of the dye aqueous solution is discharged from the first container to the second container. The diameter of the opening is 2.5 cm. The inner diameter of the plastic hoses connecting the containers is 1.0 cm, the outer diameter is 1.5 cm. A metal lid is placed on the first plastic container, on which a pair of electrodes is attached. An aerogel capsule (0.8 g) is placed between the plastic meshes in the second plastic container.

BRĖŽINIŲ PAVEIKSLŲ APRAŠYMAS pav. pateiktas dviejų nuoseklių pakopų valymo įrenginio schematinis vaizdas išilginiame pjūvyje.DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 shows a schematic view of a two-stage sequential purification device in longitudinal section.

IŠRADIMO REALIZAVIMASIMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Dviejų nuoseklių pakopų valymo įrenginį sudaro dvi talpos, skirtos elektrocheminės degradacijos ir adsorbcijos tyrimams vykdyti. Pirmoje valymo įrenginio talpoje (1) panardinami skirtingos sudėties elektrodai (2) išdėstomi 0,3-1,0 cm atstumu vienas nuo kito. Elektros energija tiekiama per elektros maitinimo šaltinį (4). Dažiklių vandeniniai tirpalai (3), esantys pirmoje valymo įrenginio talpoje nuolat maišomi su magnetine maišykle (6) palaikant ne didesnį nei 400 aps./min greitį. Pasibaigus 60 min trukusiam ektrocheminės degradacijos tyrimui dažiklių vandeniniai tirpalai perpilami į antrąją valymo įrenginio talpą (7) per pirmoje talpoje įmontuotą kranelį (5). Antroje valymo įrenginio talpoje panardinama aerogelio kapsulė (8) yra prilaikoma plastikiniais tinkleliais (9). Antroje valymo įrenginio talpoje dažiklių vandeniniai tirpalai (11) vykdant adsorbcijos procesą 60 min nuolat maišomi su magnetine maišykle (10) palaikant ne didesnį nei 400 aps./min greitį. Pasibaigus adsorbcijos tyrimui dažiklių vandeniniai tirpalai iš antrosios valymo įrenginio talpos išleidžiami per talpos apačioje įrengtą kranelį (12).The two-stage purification device consists of two tanks for conducting electrochemical degradation and adsorption studies. In the first tank of the purification device (1), electrodes of different composition (2) are immersed and arranged at a distance of 0.3-1.0 cm from each other. Electrical energy is supplied via a power supply (4). The aqueous solutions of dyes (3) in the first tank of the purification device are continuously stirred with a magnetic stirrer (6) at a speed not exceeding 400 rpm. After the 60-minute electrochemical degradation study, the aqueous solutions of dyes are transferred to the second tank of the purification device (7) through a tap (5) installed in the first tank. The aerogel capsule (8) immersed in the second tank of the purification device is supported by plastic meshes (9). In the second tank of the purification device, the aqueous solutions of dyes (11) are continuously stirred with a magnetic stirrer (10) for 60 min during the adsorption process, maintaining a speed of no more than 400 rpm. After the adsorption test is completed, the aqueous solutions of dyes are discharged from the second tank of the purification device through a tap (12) installed at the bottom of the tank.

IŠRADIMO įGYVENDINIMO APRAŠYMASDESCRIPTION OF THE IMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Išradimas yra skirtas naudoti tekstilės pramonės įmonėse, pritaikant jį pagal įmonėje sugeneruojamą nuotekų kiekį. įrenginys turi būti montuojamas gerai vėdinamoje patalpoje. Dviejų nuoseklių pakopų valymo įrenginys įrengiamas patalpoje, kurioje yra įdiegta elektros instaliacija.The invention is intended for use in textile industry enterprises, adapting it to the amount of wastewater generated in the enterprise. The device must be installed in a well-ventilated room. The two-stage sequential treatment device is installed in a room where the electrical installation is installed.

įrenginio veikimo principasoperating principle of the device

Dviejų nuoseklių pakopų valymo įrenginio veikimo principas paremtas elektrocheminio ir adsorbcijos metodų veikimo kombinacija. Taikant skirtingos sudėties elektrodus (2) išdėstytus monopoline seka 0,3-1,0 cm atstumu vienas nuo kito pirmoje įrenginio talpoje (1) vykdoma elektrocheminė degradacija. Elektros energija reikalinga elektrocheminiam valymui tiekiama per elektros maitinimo šaltinį (4). Taikant aliuminio, geležies arba titano elektrodus vyksta elektrocheminė koaguliacija, kurios metu į dažiklių vandeninį tirpalą (3) išsiskyrę metalo katijonai formuoja hidroksidus. Susidarę metalo hidroksidai sudaro flokus su dažiklių dalelėmis, kurios nusėda tirpalo dugne. Nufiltravus tirpalą atskiriamos nusėdusios dažiklių dalelės nuo likusio tirpalo. Taikant BDD, MMO ir grafito elektrodus vyksta elektrocheminė oksidacija, kurios metu organiniai dažikliai skaidomi iki neorganinių junginių. Pirmoje talpoje esantis dažiklio vandeninis tirpalas yra nuolat maišomas su magnetine maišykle (6), kuri palaiko 400 aps./min greitį. Po 60 min trukusio elektrocheminio valymo, dalinai išvalytas dažiklio tirpalas išleidžiamas iš pirmosios plastikinės talpos į antrąją per pirmoje talpoje įmontuotą kranelį (5). Antroje įrenginio talpoje (7) panardinama 5,0 % celiuliozės savo masėje nuo bendros masės turinti aerogelio kapsulė (8), kuri įtvirtinama tarp plastikinių tinklelių (9). Tinkleliai neleidžia lengvai aerogelio kapsulei iškilti į paviršių arba būti pažeistai dažiklio tirpalo maišymo metu besisukančios konstrukcijos dalimis. Žemiau antrosios įrenginio talpos esanti dar viena magnetinė maišyklė (10) palaiko 400 aps./min greitį. Antroje talpoje esantis vandeninis dažiklio tirpalas (11) po 60 min trukusios adsorbcijos yra išleidžiamas per talpos apačioje įrengtą kranelį (12).The operating principle of the two-stage purification device is based on a combination of electrochemical and adsorption methods. Electrochemical degradation is carried out using electrodes (2) of different composition arranged in a monopole sequence at a distance of 0.3-1.0 cm from each other in the first tank of the device (1). The electrical energy required for electrochemical purification is supplied via a power supply (4). When using aluminum, iron or titanium electrodes, electrochemical coagulation occurs, during which metal cations released into the aqueous solution of dyes (3) form hydroxides. The formed metal hydroxides form flocs with dye particles, which settle at the bottom of the solution. After filtering the solution, the settled dye particles are separated from the remaining solution. When using BDD, MMO and graphite electrodes, electrochemical oxidation occurs, during which organic dyes are decomposed to inorganic compounds. The aqueous dye solution in the first tank is continuously stirred with a magnetic stirrer (6) that maintains a speed of 400 rpm. After 60 min of electrochemical cleaning, the partially cleaned dye solution is discharged from the first plastic tank into the second through a tap (5) installed in the first tank. An aerogel capsule (8) containing 5.0% cellulose by weight of the total mass is immersed in the second tank of the device (7), which is secured between plastic meshes (9). The meshes prevent the aerogel capsule from easily rising to the surface or being damaged by rotating parts of the structure during mixing of the dye solution. Another magnetic stirrer (10) located below the second tank of the device maintains a speed of 400 rpm. The aqueous dye solution (11) in the second tank, after 60 min of adsorption, is discharged through a tap (12) installed at the bottom of the tank.

Claims

DEFINITION OF THE INVENTION

1. A two-stage sequential purification device for the removal of synthetic dyes from aqueous solutions, characterized in that it consists of two stages connected in series, the first of which is an electrochemical stage with built-in electrodes in a plastic container, connected to an electric power source, and the second is an adsorption stage filled with an environmentally friendly adsorbent made from paper and cardboard waste, aerogel, differing in that it has a simpler, two-stage design without an additional oxidant removal zone, adapted for the purification of specific dyes, rather than for the general reduction of organic substances.

2. A two-stage sequential treatment plant according to claim 1, characterized in that the electrodes in the first tank of the wastewater treatment plant are arranged in a monopole sequence.

3. A two-stage sequential treatment plant according to claim 1, characterized in that the adsorbent aerogel immersed in the second tank of the wastewater treatment plant contains 5.0% cellulose during production.