Zastosowanie sorpcji i zaawansowanego utleniania do usuwania fenoli i ich pochodnych z roztworów wodnych

• Autorzy: Dąbek L.

Warianty tytułu

EN

Application of Sorption and Advanced Oxidation Processes for Removal of Phenols from Aqueous Solutions

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

EN

The removal of organic contaminants such as aliphatic and aromatic hydrocarbons, phenols and related compounds, halogenated compounds, polycyclic aromatic hydrocarbons, aldehydes, ketones, acids, detergents, fats, dyes etc. from water and sewage is still an interesting and significant problem in environmental engineering. Both household and industrial waste is a source of organic contaminants in the environment. Higher and higher requirements regarding treated waste that is directed to water or the ground require constant development of the waste treatment process. The literature data and implemented solutions indicate that more and more attention is now paid to the use of sorption and advanced oxidation processes for the removal of organic compounds. The highest significance and application among available sorbents has activated carbon. The sorption properties of activated carbon are dependent on its porous structure, produced by the system of interconnected macro-, meso- and micropores as well as the chemical composition of the surface resulting from the presence of oxygen functional groups. Activated carbon is especially useful as sorbents of phenol and chlorophenol. It has been shown that the adsorption ability of activated carbon depends on the specific surface area, porosity and surface chemical composition. High affinity of phenol to the surface of activated carbon is related to the creation of donor-acceptor complexes between alkaline locations on the sorbent’s surface and the aromatic ring. Oxidation of activated carbon’s surface leading to increased acidity lowers the sorption capacity of activated carbon. While the presence of metals increases the sorption capacity of activated carbon in relation to phenol due to the donor-acceptor interaction of metal-electrons of π aromatic ring in the phenol particle. Another method of successful oxidation of phenols is their oxidation especially with the AOP methods (Advanced Oxidation Processe)s. A characteristic feature of these methods is oxidation of generally all organic compounds to CO₂, H₂O and inorganic compounds with the use of the hydroxyl radical OH* (generated in the solution) of extremely high oxidising potential of 2,8 V. Phenols and the related compounds quite easily undergo oxidation, especially with Fenton and photo-Fenton reactions. Both sorption and oxidation of organic compounds (including phenols) with AOP methods have advantages (high output and efficiency) and disadvantages (treatment of used sorbents, significant use of oxidants and increased sewage volume). In order to focus on the advantages of sorption and advanced oxidation while limiting their disadvantageous effect a combination of these two processes is considered. In this case the removal of contaminants is arranged as a two- or one-stage process. In the first one the removal of organic compounds covers sorption and then oxidation of the adsorbed substances with the use of AOP, which leads to a simultaneous regeneration of activated carbon. While in the latter case simultaneous sorption and oxidation of organic compounds is considered. In these both cases activated carbon acts as a sorbent of organic compounds and catalyst in the production of hydroxyl radicals OH* which are responsible for oxidation of organic compounds both in the solution and adsorbed on the activated carbon. It has been proven that in the presence of activated carbon in the environment of hydrogen peroxide, oxidation occurs of such organic compounds that do not undergo oxidation with the same oxidant in the aqueous solution. The applicability of activated carbon for the simultaneous removal of organic compounds is dependent on both their sorption and catalytic properties. Activated carbon should be alkaline, have high specific volume, pores’ volume, iodine number and significant dechlorination ability.The applicability of oxidation of organic compounds with the use of hydroxyl radicals created on the surface of activated carbon for regeneration of the used sorbents has also been proven.

Słowa kluczowe

PL

fenol; chlorofenol; węgiel aktywny; utlenianie; rodnik hydroksylowy

EN

phenol; chlorophenol; activated carbon; oxidation; hydroxyl radicals

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2015
• Tom: Tom 17, cz. 1
• Strony: 616--645
• Opis fizyczny: Bibliogr. 82 poz., rys.

Twórcy

autor

Dąbek L.

• Politechnika Świętokrzyska

Bibliografia

• 1. Alvarez, P.M., Beltran, F.J., Gomez-Serrano, V., Jaramillo, J. and Rodriguez E.M.: Comparison between thermal and ozone regenerations of spent activated carbon exhausted with phenol, Water Res., 38, 2155– 2165 (2004).
• 2. Bansal R.Ch., Goyal M.: Activated Carbon Adsorption. Taylor & Francis Group. Baca Raton - London - New York - Singapore (2005).
• 3. Barbusiński K.: Intensyfikacja procesu oczyszczania ścieków i stabilizacji osadów nadmiernych z wykorzystaniem odczynnika Fentona, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice (2004).
• 4. Barbusiński K., Majewski J.: Discoloration of azo dye Acid Red 18 by Fenton reagent in the presence of iron powder, Polish J. Environ. Studies, 12, 151–155 (2003).
• 5. Barbusiński K.: Modyfikacje reakcji Fentona z zastosowaniem nadtlenków wapnia i magnezu, Studia – Rozprawy – Monografie, Prace Naukowe Głównego Instytutu Górnictwa, 869, Katowice (2006).
• 6. Barbusiński K.: Oczyszczanie ścieków przemysłowych metodami katalitycznymi z wykorzystaniem nadtlenku wodoru, Chemik, 2, 31–36 (2001).
• 7. Barkiewicz B., Umiejewska K.: Oczyszczanie ścieków przemysłowych, Wydawnictwo Naukowe PWN (2010).
• 8. Bayarri B., Gonzalez O., Maldonado I., Gimenez J., Esplugas S.: Comparative study of 2,4-dichlorophenol degradation with different advanced oxidation processes, J. Sol. Energy Eng., 129, 60–67 (2006).
• 9. Benitez F. J, Beltrán-Heredia J., González T., Real F.: Kinetics of the elimination of vanillin by UV radiation catalyzed with hydrogen peroxide, Fresen. Environ. Bull., 7, 726–733 (1998).
• 10. Benitez F. J., Beltrán-Heredia J., Acero J. L.: Oxidation of vanillic acid as a model of polyphenolic compounds in dive oil waste waters III. Combined UV radiation hydrogen peroxide oxidation, Toxicol. Environ.Chem., 56, 199–210 (1996).
• 11. Bezak-Mazur E., Adamczyk D.: Adsorpcja barwników na świeżym i zregenerowanym węglu WD-extra, Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set The Environment Protection), 13, 951–971 (2011).
• 12. Bilińska L., Ledakowicz S.: Możliwości wykorzystania technik pogłębionego utleniania – AOP do oczyszczania ścieków włókienniczych (barwiarskich) w warunkach przemysłowych, Informator Chemika Kolorysty, 17, 21–35 (2011).
• 13. Biń A.K., Zieliński J.: Chemiczna degradacja zanieczyszczeń w ściekach przemysłowych, Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set The Environment Protection), 2, 383–405 (2000).
• 14. Biniak S., Trykowski G., Pakuła M., Świątkowski A., Malinowska Z., Popiel S.: Effects of ozone dissolved in water on physicochemical properties of activated carbon applied in drinking water treatment, Adsorp. Sci.Technol., 28, 521–531 (2010).
• 15. Boehm H.P.: Chemical identification of surface groups, Adv.Catalysis, 16, 179–274 (1966).
• 16. Buczek B., Czepirski L.: Adsorbenty węglowe – surowce, otrzymywanie, zastosowanie, Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 17, 29–61 (2001).
• 17. Charmisinof P.N.: Carbon adsorption handbook, Ann Arbor Science Publishers Inc., (1978)
• 18. Chemical Abstract System Registry, American Chemical Society (2014).
• 19. Dąbek L., Ozimina E., Picheta-Oleś A.: Applying the combined processes of sorption and oxidation to remove organic compounds from an aqueous environment using the example of p-chlorophenol, Ecol. Chem. Eng. A., 19, 275–286 (2012).
• 20. Dąbek L., Ozimina E., Picheta-Oleś A.: Assessing the influence of the presence of heavy metals adsorbed on activated carbon on the efficiency of degradation of phenol using selected oxidizing agents, Ecol. Chem. Eng. S, 19, 249–257 (2012).
• 21. Dąbek L., Ozimina E., Picheta-Oleś A.: Badania nad usuwaniem barwnych związków organicznych ze ścieków z przemysłu włókienniczego, Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set The Environment Protection), 15, 901–913, 2013.
• 22. Dąbek L., Ozimina E., Picheta-Oleś A.: Sorptive and catalytic properties of activated carbon used for the removal of crystal violet from an aqueous solution in the presence of hydrogen peroxide, Ecol. Chem. Eng. A., 17, 1423–1433 (2010).
• 23. Dąbek L., Świątkowski A., Dziaduszek J.: Regeneracja zużytych katalizatorów pallad-węgiel aktywny, Patent 215431, 25.03.2013r.
• 24. Dąbek L., Świątkowski A., Dziaduszek J.: Usuwanie substancji dezaktywujących z powierzchni zużytego katalizatora węgiel aktywny-Pd, Przem. Chem., 86, 2–4 (2007).
• 25. De Luis A., Lombraña J. I., Varona F., Menéndez A.: Kinetic study and hydrogen peroxide consumption of phenolic compounds oxidation by Fenton’s reagent, Korean J. Chem. Eng., 26, 48–56 (2009).
• 26. Dębowski Z.: Kryteria doboru węgla aktywnego do oczyszczania wody, Prace Naukowe Głównego Instytutu Górnictwa, 792, Katowice (1994).
• 27. Deryło-Marczewska A., Błachnio M., Marczewski A.W., Świątkowski A., Tarasiuk B.: Adsorption of selected herbicides from aqueous solutions on activated carbon, J. Therm. Anal. Calorim., 101, 785–794 (2010).
• 28. Dubinin M.M.: Adsorption properties and microporous structure of carbonaceous adsorbents, Carbon, 25, 593–598 (1987).
• 29. Fung P.C., Poon C.S., Chu C.W., Tsui S.M.: Degradation kinetics of reactive dye by UV/H2O2/US process under continuous mode operation, Water Sci. Technol., 44, 67–72 (2001).
• 30. Georgi A., Kopinke F.D.: Interaction of adsorption and catalytic reactions in water decontamination processes. Part I: Oxidation of organic contaminants with hydrogen peroxide catalyzed by activated carbon,Appl.Catal.B-Environmental, 58, 9–18 (2005).
• 31. Huang H. H., Lu M. C., Chen J. N., Lee C. T.: Catalytic decomposition of hydrogen peroxide and 4-chlorophenol in the presence of modified activated carbons, Chemosphere, 51, 935–943 (2003).
• 32. Huang Y.H., Chou S., Perng M.G., Huang G.H., Cheng S.S.: Case study on the bioeffluent of petrochemical wastewater by electro-Fenton method, Water Res., 39, 145–149 (1999).
• 33. Huling S.G., Jones P.K., Ela W.P., Arnold R.G.: Repeated reductive and oxidative treatments on granular activated carbon, J.Environ.Eng., 131, 287–297 (2005).
• 34. Huling, S.G., Jones, P.K., Ela, W.P., Arnold R.G.: Fenton-driven chemical regeneration of MTBE-spent GAC, Water Res., 39, 2145–2153 (2005).
• 35. Ince N. H., Apikyan I. G.: Combination of activated carbon adsorption with lightenhanced chemical oxidation via hydrogen peroxide, Water Res.,34, 4169–4176 (2000).
• 36. Jankowska H., Świątkowski A., Choma J.: Węgiel aktywny, WNT, Warszawa (1985).
• 37. Jankowska H., Świątkowski A., Sarostin L., Ławrinienko-Omiecynska J.: Adsorpcja jonów na węglu aktywnym, Wydawnictwo PWN, Warszawa (1991)
• 38. Jans U., Hoigne J.: Activated carbon and carbon black catalyzed transformation of aqueous ozone into OH-radicals, Ozone Sci. Eng., 20, 67–90 (1998).
• 39. Karci A., Arslan-Alaton I., Olmez-Hanci T., Bekbolet M.: Transformationof 2,4-dichlorophenol by H2O2/UV-C, Fenton and photo-Fentonprocesses: Oxidation products and toxicity evolution, J. Photochem. Photobiol.,A 230, 65–73 (2012).
• 40. Koziorowski B.: Oczyszczanie ścieków przemysłowych, WNT, Warszawa (1980).
• 41. Krzemińska D., Neczaj E., Parkitna K.: Zastosowanie reakcji Fentona do wspomagania biologicznego oczyszczania ścieków z przemysłu mleczarskiego, Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set The Environment Protection), 15, 2381–2397 (2013).
• 42. Ksycińska-Rębiś E., Lach J, Okoniewska E.: Wpływ modyfikacji węgla aktywnego na jego zdolności sorpcyjne w stosunku do fenolu, V Konferencja Naukowo-Technicza Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle, Politechnika Częstochowska, 160–168, Białowieża (2006).
• 43. Kucharska M., Naumczyk J.: Degradation of selected chlorophenols by advanced oxidation processes, Environment Protection Engineering, 35, 47–55 (2009).
• 44. Kuśmierek K., Sankowska M., Świątkowski A.: Kinetic and equilibrium studies of simultaneous adsorption of monochlorophenols and chlorophenoxy herbicides on activated carbon, Desalin. Water Treat., 52, 178–183(2014).
• 45. Kuśmierek K., Świątkowski A., Syga P., Dąbek L.: Influence of chlorineatom number in chlorophenols molecules on their adsorption on activatedcarbon, Fresenius Environ. Bull., 23, 947–951 (2014).
• 46. Kuśmierek K., Świątkowski A.: Usuwanie 4-chlorofenolu z wody metodami pogłębionego utleniania opartymi na nadtlenku wodoru, Przem. Chem., 91, 2422–2424 (2012).
• 47. Lach J., Okoniewska E., Stepnia L., Ociepa-Kubicka A.: The influence of modification of activated carbon on adsorption of Ni(II) and Cd(II), Desalin. Water Treat., 52, 3979–3986 (2014).
• 48. Lach J.: Wpływ sposobu modyfikacji węgli aktywnych na adsorpcję metali ciężkich, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, (2011).
• 49. Ledakowicz S., Olejnik D., Perkowski j., Segota H.: Wykorzystanie procesów pogłębionego utleniania do rozkładu niejonowego środka powierzchniowo czynnego Tryton X-114. Przem. Chem., 80, 453–459 (2001).
• 50. Lorenc-Grabowska E., Gryglewicz G., Diez M.A.: Kinetics and equilibrium studies of phenol adsorption on nitrogen-enriched activated carbons, Fuel, 114, 235–243 (2013).
• 51. Lorenc-Grabowska E., Gryglewicz G., Machnikowski J.: p-chlorophenol adsorption on activated carbons with basic surface properties, Appl. Surf. Scie., 256, 4480–4487 (2010).
• 52. Madeła M., Dębowski Z.: Sorpcja fenolu ze ścieków koksowniczych na granulowanych węglach aktywnych, V Konferencja Naukowo-Technicza Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle, Politechnika Częstochowska, 145–151, Białowieża (2006).
• 53. Madeła M., Okoniewska E.: Badania bioregeneracji węgla aktywnego nasyconego fenolem, V Konferencja Naukowo-Technicza Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle, Politechnika Częstochowska, 152–159, Białowieża (2006).
• 54. Magee V.: The Application o f Granular Active Carbon f or Dechlorination of Water Supplies, Proc. Soc. Water Treat. Exam., 5, 17–40 (1956).
• 55. Magne P., Walker P.L. Jr.: Phenol adsorption on activated carbons:Application to the regeneration of activated carbons polluted with phenol,Carbon, 24, 101–107 (1986).
• 56. Methatham T., Lu M.C., Ratanatamskul C.: Removal of 2,4-dichlorophenol as herbicide's by-product by Fenton's reagent combined with an electrochemical system, Desalin. Water Treat., 32, 42–48 (2011).
• 57. Mikułka M.: (pod red.), Charakterystyka technologiczna przemysłu włókienniczego w Unii Europejskiej, Ministerstwo Środowiska, dostępne na stronie www.ippc.mos.gov.pl, Warszawa (2003).
• 58. Moreno-Castilla C.: Adsorption of organic molecules from aqueous solutions on carbon materials, Carbon, 42, 83–94 (2004).
• 59. Nawrocki J., Bitozor S.: red., Uzdatnianie wody. Procesy chemiczne i biologiczne, PWN, Warszawa-Poznań (2000).
• 60. Oller I., Malato S., Sánchez-Pérez J. A.: Combination of Advanced Oxidation Processes and biological treatments for wastewater decontamination - A review, Sci. Total Environ., 409, 4141–66 (2011).
• 61. Paillard H.: Process for the oxidation of organic micropollutants in water using the O3 /H2O2 combination, US 5364537 A (1994).
• 62. Pera-Titus M., Garcia-Molina V., Banos M., Jimenez J., Esplugas S.: Degradation of chlorophenols by means of advanced oxidation processes: a general review, Appl. Catal. B: Environ., 47, 219–256 (2004).
• 63. Pérez M., Torrades F., Domènech X., Peral J.: Fenton and photo-Fenton oxidation of textile effluents, Water Research, 36, 2703–2710 (2002).
• 64. Picheta-Oleś A.: Usuwanie wybranych związków organicznych ze ścieków przemysłowych przy symultanicznym prowadzeniu sorpcji i pogłębionego utleniania, Politechnika Świętokrzyska (2014).
• 65. Rastogi, A., Al-Abed, S.R., Dionysiou, D.D.: Effect of inorganic, synthetic and naturally occurring chelating agents on Fe(II) mediated advanced oxidation of chlorophenols, Water Res., 43, 684–694 (2009).
• 66. Rocznik Statystyczny Rzeczpospolitej Polskiej 2014 , Zakład Wydawnictw Statystycznych Warszawa, ISSN 1506-0632
• 67. Roskill Reports Expanding the World`s Knowledge of Metals and Minerals Markets, 2013
• 68. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 18 listopada 2014r. r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego, Dz.U.2014 nr 0 poz. 1800 2014.12.31
• 69. Rüffer H., Rosenwinkel K.-H.: Oczyszczanie ścieków przemysłowych, Poradnik Wyd. Pierwsze, Ofic. Wyd. Projprzem-EKO Bydgoszcz (1998).
• 70. Sanchis S., Polo A.M., Tobajas M., Rodriguez J.J., Mohedano A.F.: Degradation of chlorophenoxy herbicides by coupled Fenton and biological oxidation, Chemosphere, 93, 115–122 (2013).
• 71. Sankowska M., Świątkowski A.: Kinetic and equilibrium studies of simultaneous adsorption of monochlorophenols and chlorophenoxy herbicides on activated carbon, Desalin.Water Treat., 2013 (DOI: 10.1080/19443994.2013.780984).
• 72. Santos V.P., Pereira M.F.R., Faria P.C.C., Órfão J.J.M.: Decolourisation of dye solutions by oxidation with H2O2 in the presence of modified activated carbons, J.Hazard.Mater., 162, 736–742 (2009).
• 73. Shende, R.V., Mahajani, V.V.: Wet oxidative regeneration of activated carbon loaded with reactive dye, Waste Manage., 22, 73–83 (2002).
• 74. Stoeckli H.F.: Microporous carbons and their characterization: The present state of the art, Carbon, 28, 1–6 (1990).
• 75. Świderska R., Czerwińska M., Kutz R.: Utlenianie zanieczyszczeń organicznych za pomocą odczynnika Fentona. Zesz. Nauk. Politechniki Koszalińskiej, 22, 1–12, Koszalin (2005).
• 76. Tao Zhou, Teik-Thye Lim, Xiaohua Lu, Yaozhong Li, Fook-Sin Wong: Simultaneous degradation of 4CP and EDTA in a heterogene-ous Ultrasound/ Fenton like system at ambient circumstance, Sep. Purif. Technol., 68, 367–374 (2009).
• 77. Terzyk A.P., Rychlicki G., Gauden P.A., Kowalczyk P.: The effect of carbon surface chemical composition on the mechanism of phenol adsorption from aqueous solutions, (in:) Water Encyclopedia,Volume Oceanography; Meteorology; Physics and Chemistry; Water Law; and Water History Art and Culture, Willey 404–408 (2005).
• 78. Terzyk A.P., Rychlicki G.: Mechanizmy adsorpcji fenoli roztworów wodnych na węglach aktywnych, VII Krajowa Konferencja Naukowa „Węgiel Aktywny w Ochronie Środowiska i Przemyśle”, Politechnika Częstochowska, 120–127, Białowieża (2006).
• 79. Terzyk AP, Wiśniewski M, Gauden PA, Rychlicki G, Furmaniak S.: Carbon surface chemical composition in para-nitrophenol adsorption determined under real oxic and anoxic conditions, J. Colloid Interface Sci., 320, 40–51 (2008).
• 80. Toledo L.C., Silva A.C.B., Augusti R., Lago R.M.: Application of Fenton’s reagent to regenerate activated carbon saturated with organochloro compounds, Chemosphere, 50, 1049–1054 (2003).
• 81. Wąsowski J., Piotrowska A.: Rozkład organicznych zanieczyszczeń wody w procesach pogłębionego utleniania, Ochrona Środowiska, 85, 27–32 (2002).
• 82. Zarzycki R. (red.): Zaawansowane techniki utleniania w ochronie środowiska. Polska Akademia Nauk, Łódź (2002).