Nagyhatékonyságú oxidációs eljárások a szennyvíztisztításban

Átírás

1 Nagyhatékonyságú oxidációs eljárások a szennyvíztisztításban Zsirkáné Fónagy Orsolya Témavezető: Szabóné dr. Bárdos Erzsébet MaSzeSz Ipari Szennyvíztisztítás Szakmai Nap Budapest, 217. november 3.

2 Aktualitás Gyógyszer hatóanyagok Éterek Aromások (alkil, aril csop.) Etilén klór-hidrid Benzolszulfonát Ftalátok Metil-vinil keton Naftolok Peszticidek 2/17

3 AOP s Reaktív gyökök O 3 +UV VUV foto-fenton Heterogén fotokatalízis H 2 O 2 +UV Impulzus radiolízis O - 3, H OH O - 2, HO 2, O 2 ( 1 g ) 3/17

4 Heterogén fotokatalízis hν TiO 2 TiO 2 (e cb- + h vb+ ) Rekombináció: TiO 2 (e cb- + h vb+ ) TiO 2 Töltés átviteli folyamatok: Energia (ev) TiO 2 (e cb- ) + A ads TiO 2 + A ads -,1 +1 E F vezetési sáv (cb) e - e - adszorpció redukció A + e - A - UV TiO 2 (e cb- ) + O 2 ads O - 2 ads TiO 2 (h vb+ ) + D ads TiO 2 + D + ads +2 +3,1 vegyértéksáv (vb) h + e - oxidáció D + h + D + adszorpció TiO 2 (h vb+ ) + H 2 O ads TiO 2 + OH ads + H + TiO 2 (h vb+ ) + - OH ads TiO 2 + OH ads Redoxipotenciál (V) TiO 2 részecske A elektron akceptor D elektrondonor 4/17

5 Alapkutatás Vizsgált modellvegyületek (néhány példa): oxálsav, különböző funkciós csoportot tartalmazó karbonsavak és aminokarbonsavak (alanin, aszparaginsav, fenilalanin), benzolszulfonsav, naftalinszulfonátok stb. Degradáció nyomonkövetése, köztitermékek azonosítása: egymást kiegészítő analitikai módszerek Keletkező aktív gyökök meghatározására alkalmas módszerek fejlesztése: HPLC, IC ph GC, MS TOC, KOI Színképek kezelendő oldat összetételét ismerve segíti az optimális kezelési típus kiválasztását Műveleti paraméterek optimálása: ph, O 3 koncentráció, hőmérséklet, katalizátor típus és koncentráció Hatékonyságnövelési lehetőségek: 1. más módszerekkel való kombinálás (pl. ózonizáció) 2. katalizátor fejlesztés (pl. módosítás ezüsttel) 5/17

6 Hatékonyság növelése Modellvegyület TOC 1, használat c 4-HBS / mm,75,5,25 4-szer gyorsabb! TOC / mg dm TiO 2 +levegő+uv 2. használat 3. használat TiO 2 +O 3 +UV Ag-TiO 2 +levegő+uv TOC / mg dm ször gyorsabb!, Ag-TiO 2 +O 3 +UV Bevilágítási idő / perc Bevilágítási idő / perc Bevilágítási idő / perc BOI TOC KOI Nem mindegy mit mérünk és mi alapján hasonlítunk össze módszereket! 6/17

7 Alkalmazott kutatás Laboratóriumi kis reaktor 3 dm 3 térfogat, 1 db 4W-os fénycső Reaktor Félüzemi reaktor 1. a reaktor 2. folyamatirányító 3. saválló hőcserélő 4. keringető szivattyú 5. reagens-adagoló szivattyú Szivattyú Puffertartály Mágneses keverő Fénycső dm 3 térfogat, 13 fénycső 7/17

8 Alkalmazott kutatás Laboratóriumi kis reaktor Félüzemi reaktor Előkezelt festékgyári szennyvíz (KOI=33 mg dm -3 ) uv(x1,) TOC (mg/l) Bevilágítási idő (óra) 5.5 TOC ph óra 8 óra óra 322 óra 28 óra óra 39 óra ph min uv(x1,) TOC (mg/l) 1 TOC ph Bevilágítási idő (óra) óra ph 5 óra min 22 óra 27 óra 34 óra 8/17

9 Alkalmazott kutatás Kisüzemi berendezés Levegőbefúvatás és/vagy H 2 O 2 adagolása a három reaktoros rendszerben Mikroprocesszoros folyamatirányítás Feladatra specializált fénycsövek A katalizátor ülepítése + újrahasznosítás 4 15 dm db fénycső 9/17

10 Alkalmazott kutatás Mosószeripari szennyvíz tisztítása kisüzemi reaktorral TOC, KOI (mg dm -3 ) Reaktor 2.Reaktor 3.Reaktor KOI TOC c(ana) (mg/l) ANA TOC c(toc) (mg/l) Bevilágítási idő (óra) Bevilágítási idő (óra) A detergens fotokémiai kezelése több fokozatú rendszerben valósítható meg: 1. folyadék-keringetéses reaktor: A habzási határ alá csökken a vegyület koncentrációja 2.,3. levegő-kevertetéses reaktor: KOI, TOC értékek tovább csökkenek. E. Szabó-Bárdos, Z. Zsilák and O. Horváth: Photocatalytic degradation of anionic surfactant in titanium dioxide suspension, Colloids for nano-and biotechnology, Book Series: progress in colloid and polymer science 135, 21-28, 28 1/17

11 Alkalmazott kutatás Szennyvíz: olajos emulzió (KOI=6-7 mg dm -3 ) Korábbi kezelés: 1. fokozat: kémiai tisztítás emulzió bontás koagulálás, flokkulálás KOI 28 mg dm fokozat: biológiai tisztítás KOI 2 mg dm -3 (1-15 nap után) KOI határérték = 15 mg dm -3 Kezelés tervezett: 1. fokozat: kémiai tisztítás korábbi módon (KOI 28 mg dm -3 ) 2. és 3. fokozat: fotokatalitikus vagy biológiai tisztítás Mi az ideális sorrend? Hogyan növelhető a fotokatalitikus eljárás hatékonysága? 11/17

12 Alkalmazott kutatás Kémiailag előkezelt szennyvíz fotokatalitikus tisztítása Levegő + TiO 2 + UV O 3 + TiO 2 + UV 1. uv(x1,) uv(x1,) óra 1 óra 17 óra 23 óra 26 óra 41 óra óra 2 óra 3 óra 5 óra 7 óra 1 óra 23 óra min min A szennyező komponens heterogén fotokatalitikus eljárással eltávolítható. 12/17

13 Alkalmazott kutatás Kémiailag előkezelt szennyvíz fotokatalitikus tisztítása Int. (szennyező komponens) 3.5E+4 2.8E+4 2.1E+4 1.4E+4 7.E+3 Szennyező komponens TOC (mg dm -3 ) TOC.E Bevilágítási idő (óra) Bevilágítási idő (óra) Kezdeti bomlási sebességek: levegő + TiO 2 + UV: 1591 INT h -1 3,8 mg dm 3 h -1 O 3 + TiO 2 + UV: 7631 INT h -1 8,5 mg dm 3 h -1 O 3 + TiO 2 + UV együttes alkalmazásával a módszer hatékonysága növelhető: a szennyező komponens 9 óra alatt elbomlik. 13/17

14 Tisztítási mód Alkalmazott kutatás Kezelések összehasonlítása Kiindulási szennyvíz KOI (mg dm -3 ) Kezelési idő Tisztított víz KOI (mg dm -3 ) 1/a Fotokatalízis + O óra 156 1/b Biológia nap 42 2/a Biológia nap 2 2/b Fotokatalízis + O óra 96 14/17

15 Összefoglalás Ahány féle szennyvíz, annyiféle megoldás szükséges. Figyelembe kell venni: Szennyvíz összetételét és (KOI, TOC) koncentrációját Kezelendő víz mennyiségét, térfogatáramát Tisztítási követelményeket Szükséges reakcióidőt Beruházási költségeket Más kezelési eljárások (fizikai-kémiai kezelések, biológiai bontás) jó kiegészítése lehet egy fotokatalitikus kezelés. 15/17

16 Köszönetnyilvánítás Szabóné dr. Bárdos Erzsébet Általános és Szervetlen Kémia Intézeti Tanszék munkatársainak Fotokémiai Kutatócsoport tagjainak A bemutatott kutatási projekteket támogató ösztöndíjaknak és projekteknek. 16/17

17 Köszönöm a figyelmet! 17/17