PL207790B1 - Sposób degradacji barwników azowych w procesie oczyszczania ścieków przemysłowych - Google Patents

Abstract

Wynalazek dotyczy sposobu degradacji barwników azowych w procesie oczyszczania ścieków przemysłowych i nadaje się również do utylizacji ścieków powstających w laboratoriach. Metoda wykorzystuje pole mikrofalowe, nadtlenek wodoru oraz tlenek glinu do degradacji związków zawierających wiązanie azowe, stosowanych jako barwniki w przemyśle. Może być korzystnie łączona z tradycyjnym naświetlaniem światłem ultrafioletowym oraz przepływowym ogrzewaniem mikrofalowym.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób degradacji barwników azowych do redukcji ścieków przemysłowych lub do utylizacji ścieków powstających w laboratoriach.

Przemysł tekstylny produkuje znaczne ilości toksycznych dla środowiska ścieków. Związki azowe szeroko stosowane do barwienia tkanin stanowią główny składnik ścieków przemysłu włókienniczego. Ponadto zastosowanie tych substancji wymaga użycia dużych ilości wody oraz dodatkowych substancji jako utrwalaczy lub wywoływaczy. Redukcja tych zanieczyszczeń jest bardzo istotnym zagadnieniem w ekologicznym projektowaniu procesu przemysłowego. Proces tradycyjnego oczyszczania ścieków przemysłowych zazwyczaj polega na kaskadowym usuwaniu zanieczyszczeń metodami mechanicznymi, następnie biologiczne lub chemiczne metody usuwania zanieczyszczeń, usuwaniu związków biogennych oraz w końcowym etapie na tzw. odnowie wody. W etapie pierwszym - mechanicznym usuwane są zawiesiny na sitach, w osadnikach i piaskownikach. Etap drugi oczyszczania ścieków polega na usunięciu substancji organicznych przez zespół mikroorganizmów tworzących osad czynny. Po rozkładzie wszystkich zanieczyszczeń organicznych na dwutlenek węgla i wodę bakterie i grzyby są usuwane ze ścieków przez pierwotniaki. W trzecim etapie następuje usuwanie fosforanów i azotanów ze ścieków. Używa się do tego celu bakterii denitryfikacyjnych oraz metod chemicznych. Ostatecznie przeprowadza się procesy fizykochemiczne takie jak: koagulacja, flokulacja oraz adsorpcja. Usunąć można w ten sposób zanieczyszczenia mechaniczne takie jak zawiesiny, zanieczyszczenia biologiczne a nawet chemiczne takie jak biogedradowalne związki bądź rozpuszczone gazy takie jak amoniak czy siarkowodór. Związki organiczne dobrze rozpuszczalne w wodzie, do których należą również barwniki azowe przechodzą te etapy w postaci niezmienionej. Barwniki zazwyczaj stosowane w przemyśle trudno rozkładają się w środowisku naturalnym i ze względu na zawartość pierścieni aromatycznych w strukturze oraz różnych grup funkcyjnych są bardzo szkodliwe dla środowisk, do których są spuszczane ścieki. Dobra rozpuszczalność w wodzie powoduje ich toksyczność względem organizmów wodnych. Znacznie zwiększają zapotrzebowanie na tlen (COD) oraz zmniejszają przejrzystość wody, co prowadzić może do rozwoju bakterii beztlenowych i w konsekwencji wymierania organizmów żywych. Często mogą one również powodować zmniejszenie aktywności złóż biologicznych stosowanych w procesie oczyszczania.

Przeprowadzano rozmaite próby zmniejszenia szkodliwości tychże ścieków, głownie poprzez usunięcie lub zredukowanie ilości barwnika. W szczególności metody fizykochemiczne takie jak koagulacja, adsorpcja na węglu aktywnym oraz odwrócona osmoza tak jak opisano w monografiach: Eilbeck W.J., Mattock G. Chemical processes in wastewater treatment Ellis Horwood Ltd, 1987; Tchobanoglous G, Burton F.L., Wastewater engineering. McGraw-Hill Inc. 1991. Niestety metody te nie przyniosły znaczących rozwiązań, zwłaszcza dostępnych i opłacalnych w przemyśle. Nowym, alternatywnym sposobem degradacji ścieków przemysłowych może być utlenianie ich za pomocą nadtlenku wodoru i naświetlania promieniami UV (Muruganandham M., Swamintan M., Dyes and pigments 62, 2004, 269-75). Wadą tej metody jest konieczność stosowania drogich i niebezpiecznych w obsłudze lamp wytwarzających promieniowanie nadfioletowe. Według polskiego opisu patentowego nr 190 544 przedstawiono metodę, która eliminuje konieczność stosowania generatorów światła ultrafioletowego jednakże wymaga długotrwałego ogrzewania i dalszej obróbki. Prowadzone były również próby rozkładu wskaźnika rodaminy-B, polegające na jednoczesnym naświetlaniu światłem nadfioletowym oraz ogrzewaniu polem mikrofalowym w obecności zdyspergowanego dwutlenku tytanu TiO2 tak jak opisano w „Environmental Remediation by an Integrated Microwave/UV-Illumination Method. 1. Microwave-Assisted Degradation of Rhodamine-B Dye in Aqueous TiO2 Dispersions” Horikoshi, S.; Hidaka, H.; Serpone, N.; Environ. Sci. Technol; 2002; 36(6); 1357-1366 jednakże metoda ta jest kosztowna i trudna do zastosowania w przemysłowym procesie oczyszczania ścieków. Wprowadzenie i następnie usuwanie zdyspergowanego dwutlenku tytanu może być skomplikowane i długotrwałe. Brak jest doniesie ń o zastosowaniu promieniowania mikrofalowego do degradacji barwników azowych.

Celem niniejszego wynalazku jest wyeliminowanie wad znanych metod utylizacji barwników stosowanych w przemyśle oraz laboratoriach. Osiągnięto to przez opracowanie sposobu umożliwiającego szybką i skuteczną, a jednocześnie tanią metodę degradacji barwników azowych. Cechą a zarazem zaletą wynalazku jest jednoczesna degradacja i adsorpcja produktów rozkładu barwników na tlenku glinu. Proponowana metoda stanowi tanie i proste rozwiązanie do oczyszczania ścieków przemysłowych.

PL 207 790 B1

Istota sposobu degradacji barwników azowych w procesie oczyszczania ścieków przemysłowych polega na tym, że do mieszaniny lub roztworu wodnego, barwnika w ilościach od 0,01 mmol/l do 5 mmol/l korzystnie w zakresie od 0,2 mmol/l do 0,4 mmol/l o pH z zakresu 1-7 korzystnie pH=3, dodaje się nadtlenek wodoru w ilościach od 1 do 50 gramów na 1 I korzystnie 10 g/l oraz dodaje się tlenku glinu (70-230 mesh) w ilości 1 g/l mieszaniny lub roztworu i ogrzewa się w polu mikrofalowym pulsacyjnie przez okres potrzebny do przereagowania nadtlenku wodoru.

Ponadto sposób degradacji barwników azowych można prowadzić jednocześnie ogrzewając mieszaninę lub roztwór wodny barwnika w polu mikrofalowym pulsacyjnie oraz naświetlając jednocześnie światłem ultrafioletowym przez okres potrzebny do przereagowania nadtlenku wodoru. Ewentualnie ogrzewanie mikrofalowe można prowadzić w przepływowym reaktorze mikrofalowym, przy takim natężeniu przepływu i doborze mocy pola mikrofalowego, aby możliwe było całkowite odbarwienie ogrzewanej objętości.

Sposób degradacji barwników azowych przy pomocy proponowanej metody obrazują przykłady opisane poniżej.

P r z y k ł a d 1. Degradacja barwnika „Congo Red': do wodnego roztworu barwnika o stężeniu 0,43 mmol/l w ilości 100 ml zakwaszony do pH 3-4 dodaje się nadtlenek wodoru w ilości 1 g/l oraz tlenku glinu (70-230 mesh) w ilości 0,15 g i ogrzewa w polu mikrofalowym o mocy 1000 W pulsacyjnie przez 30 minut (stosując ogrzewanie pulsacyjne po każdych 25 sekundach ogrzewania 2 minuty przerwy).

P r z y k ł a d 2. Degradacja oranżu metylowego: do 150 ml wodnego roztworu barwnika o stężeniu 0,25 mmola/l zakwaszonego kwasem solnym dodaje się nadtlenku wodoru w ilości 1 g oraz 0,14 g tlenku glinu (70-230 mesh). Tak przygotowaną mieszaninę ogrzewa się w polu mikrofalowym o mocy 1000 W pulsacyjnie stosując po każdych 30 sekundach ogrzewania 2 minuty przerwy. Ogrzewanie prowadzi się do momentu całkowitego odbarwienia roztworu.

Produkty rozpadu barwnika powstałe w tej metodzie i obecne w mieszaninie reakcyjnej zazwyczaj w formie osadu usuwa się znanymi sposobami, korzystnie przez adsorpcję na nośniku porowatym. Metoda opisana przykładami korzystnie nadaje się do oczyszczania ścieków przemysłowych powstałych przy barwieniu tkanin oraz do utylizacji ścieków powstających w laboratoriach analitycznych. Jako metodę kontroli rozkładu barwników można stosować korzystnie pomiar absorpcji światła ultrafioletowego przez mieszaninę jak zostało to opisane w publikacji: D. Georgiu, P. Melidis, A. Aivasidis, K. Gimouhpoulus. Dyes and Pigments 52, 2002, 69-78. Tak zastosowana metoda rozkładu barwników może być skutecznym i tanim sposobem oczyszczania wielu ścieków przemysłowych.

Claims (3)

1. Sposób degradacji barwników azowych w procesie oczyszczania ścieków przemysłowych, znamienny tym, że do mieszaniny lub roztworu wodnego barwnika w ilościach od 0,01 mmol/l do 5 mmol/l, korzystnie w zakresie od 0,2 mmol/l do 0,4 mmol/l o pH z zakresu 1-7, korzystnie pH=3, dodaje się nadtlenek wodoru w ilościach od 1 do 50 gramów na 1 I, korzystnie 10 g/l oraz dodaje się tlenku glinu (70-230 mesh) w ilości 0,15 g na każde 100 ml mieszaniny lub roztworu i ogrzewa się w polu mikrofalowym o mocy od 500 W do 2000 W, korzystnie 1000 W pulsacyjnie przez okres potrzebny do przereagowania nadtlenku wodoru.

2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że mieszaninę jednocześnie z ogrzewaniem w polu mikrofalowym naś wietla się ś wiatł em ultrafioletowym o mocy od 50 W do 500 W, korzystnie 200 W przez okres potrzebny do przereagowania nadtlenku wodoru.

3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że mieszaninę ogrzewa się w przepływowym reaktorze mikrofalowym o mocy od 500 W do 5 kW korzystnie 2 kW, przy takim natężeniu przepływu i doborze mocy pola mikrofalowego, aby moż liwe był o cał kowite odbarwienie ogrzewanej obję toś ci.