Wpływ właściwości węgli aktywnych na szybkość usuwania wybranych barwników z roztworów w obecności nadtlenku wodoru

• Autorzy: Dąbek L. , Ozimina E. , Picheta-Oleś A.

Warianty tytułu

EN

Impact of properties of activated carbons on the speed of removal of selected dyes from solutions in the presence of hydrogen peroxide

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Postępujący rozwój przemysłu nierozerwalnie wiąże się z powstawaniem ścieków o złożonym składzie chemicznym, często charakteryzujących się obecnością substancji niebezpiecznych. Oczyszczanie tych ścieków, pomimo dostępności szeregu metod licznych, chemicznych i biologicznych, stanowi wciąż istotny problem. Szczególnie w przypadku gdy w ściekach obecne są substancje oporne na degradację i toksyczne w stosunku do mikroorganizmów. Przykładem ścieków, których oczyszczanie nastręcza wiele problemów, są ścieki barwne pochodzące z przemysłu farbiarskiego, włókienniczego, poligraficznego. Występujące w tych ściekach barwniki to złożone cząsteczki organiczne i metaloorganiczne zawierające pierścienie aromatyczne i zawierające ugrupowania azowe, nitrowe, nitrozowe, chinoidowe, iminochinoidowe, polienowe lub disiarczkowe [1, 8, 9]. Z uwagi na ogromną ilość związków stosowanych jako barwniki, różniących się grupami chromoforowymi oraz podstawnikami nadającymi im specyficzne właściwości jak rozpuszczalność, polarność do ich usuwania ze ścieków konieczne jest stosowanie, a często nawet łączenie wielu metod takich jak biodegradacja, koagulacja, sorpcja, utlenianie i filtracja [1÷3, 7÷11]. Dane literaturowe [7, 9, 11], jak i wdrożone rozwiązania [10] wskazują, że coraz częściej do oczyszczania ścieków zawierających barwniki stosuje się metody pogłębionego utleniania (AOP Advanced Oxidation Process), wykorzystujące wysoki potencjał utleniający (2,8 mV) powstających w środowisku reakcji rodników hydroksylowych OH [14]. Rodniki te powstają w efekcie działania promieniowania UV na ozon lub nadtlenek wodoru oraz w reakcji Fentona w obecności lub bez promieniowania ultrafioletowego. Wysoko reaktywne rodniki hydroksylowe reagują praktycznie ze wszystkimi związkami organicznymi powodując ich rozkład na prostsze cząsteczki lub prowadząc do całkowitego utlenienia. To sprawia, że utlenianie chemiczne metodą AOP jest coraz częściej rozważane nie tylko jako uzupełnienie ale również jako alternatywa dla metod konwencjonalnych. Niestety poważną wadą metod AOP jest stosowanie znacznych ilości utleniaczy, z uwagi na rozcieńczenie zanieczyszczeń organicznych jak i możliwość powstawania produktów pośrednich utlenienia, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia ilości ścieków oraz kosztów. Z tego też względu istotnego znaczenia nabiera połączenie pogłębionego utleniania z sorpcją. Wprowadzony do układu reakcyjnego sorbent pozwala zarówno na zatężenie zanieczyszczeń jak i wiąże produkty pośrednie degradacji. Najkorzystniejszym sorbentem wydaje się być węgiel aktywny. Jak wskazują dane literaturowe [2, 9, 11, 13] katalizuje on rozkład utleniaczy takich jak ozon lub nadtlenek wodoru z utworzeniem reaktywnych rodników hydroksylowych. Połączenie w jednym procesie sorpcji i utlenienia katalizowanego węglem aktywnym zapewnia wzrost skuteczności usuwania barwników. Celem prezentowanej pracy była ocena skuteczności usuwania z roztworu wodnego wybranych barwników takich jak fiolet krystaliczny i czerwień fenolowa, poprzez ich utlenianie nadtlenkiem wodoru w obecności różnych węgli aktywnych i podjęcie próby znalezienia zależności pomiędzy właściwościami fizykochemicznymi węgli oraz budową barwników i ilością utleniacza, a efektywnością procesu.

EN

The paper discusses the efficiency of activated carbon used for removal of two dyes - crystal violet and phenol red - in aqueous solution by oxidation with hydrogen peroxide. The tests were conducted using four different activated carbons: two fresh carbons (WDex and WG-12), one used carbon (F-200S) and one subjected to regeneration with Fenton reagent (F-200R). The first stage of the analysis involved assessing the removal efficiency of the two dyes using sorption or oxidation with hydrogen peroxide at different concentrations of the oxidant. Commercially available fresh activated carbon, WDex, showed the highest sorptive capacity, which was 34 mg/g and 63 mg/g for crystal violet and phenol red, respectively. Under similar conditions, the dye sorption on the WG-12 carbon was 12 mg/g for crystal violet and 40 mg/g for phenol red. The sorptive capacities of F-200R and F-200S carbons were definitely lower; they were less than 10 mg/g for both dyes. Attempts to remove the dyes from solution by oxidation with hydrogen peroxide at concentrations of 375÷7500 mg H2O2/L were unsuccessful. However, the addition of activated carbon to the dye-H2O2 system led to an increase in the rate of solution decolourization. The experiments were conducted at a fixed concentration of crystal violet of approximately 19 mg/L and of phenol red of 21 mg/L, a constant amount of activated carbon in solution (0.5 g) and concentrations of hydrogen peroxide ranging from 1500 to 7500 mg/L. The fastest change in concentration of crystal violet solution, i.e. as early as within 20 minutes of reaction, was observed for the WDex carbon. It decreased by 40% at dose of oxidant 1500 mg H2O2/L, and by 70% at dose of oxidant 3750 mg H2O2/L. Increasing the time of reaction to 80 minutes resulted in total decolourization. Similarly, a higher rate of decolourization of crystal violet solution was observed when the reactive system contained the WG-12 carbon. Within 20 minutes of reaction, the concentration decreased by 30% at dose of oxidant 1500 mg H2O2/L. The concentration was approximately 40% lower when dose of oxidant increased to 3750 mg H2O2/L. The total decolourization was achieved within 160 minutes of reaction at a decrease in the concentration by approximately 90%. When used carbon (F-200S) was added to the crystal violethydrogen peroxide system, the rate of the dye decomposition was higher than during sorption. When the regenerated carbon (F-200R) was used, the total decolourization of the solution was observed as early as within 120 minutes at a concentration of hydrogen peroxide of 3750 mg H2O2/L. Similar experiments conducted for phenol red show that the presence of activated carbon in the dye-H2O2 system caused an increase in the dye removal rate. However, even under the most favourable conditions, in the presence of the fresh carbon (WDex), the decolourization was only slightly higher than 80%, within 160 minutes of reaction. The decomposition efficiency of the phenol red solution in the presence of the WG-12, F-200R and F-200S carbons was much lower, although in each case the use of the phenol redactivated carbon-oxidant reactive system was more favourable than sorption or oxidation only. The increase in the dye removal rate was attributable to the generation of hydroxyl radicals in the reactive system, as they were responsible for the oxidation of organic compounds. The rate at which the selected dyes are removed from solution in the dye-hydrogen peroxide-activated carbon system is well described by the kinetic equation of the second-order reaction (II). Carbons with higher dechlorination efficiency are more effective catalysts for generating hydroxyl radicals in hydrogen peroxide solution.

Słowa kluczowe

PL

węgiel aktywny; nadtlenek wodoru; barwniki

EN

activated carbon; hydrogen peroxide; dyes

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2011
• Tom: Tom 13
• Strony: 1023--1042
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Dąbek L.

autor

Ozimina E.

autor

Picheta-Oleś A.

• Politechnika Świętokrzyska, Kielce

Bibliografia

• 1. Al-Ghouti, M.A., Khraisheh, M.A.M., Allen, S.J., Ahmad, M.N., The removal of dyes from textile wastewater: a study of the physical characteristics and adsorption mechanisms of diatomaceous earth, J. Environ. Manage. 69, 229÷238. 2003.
• 2. Alvarez, P.M., Beltran, F.J., Gomez-Serrano, V., Jaramillo, J., Rodriguez E.M., Comparison between thermal and ozone regenerations of spent activated carbon exhausted with phenol, Water Research, 38, 2155÷2165. 2004.
• 3. Bansal R. Ch., Goyal M., Activated Carbon Adsorption, CRC Press, 2005.
• 4. Dyrektywa 67/548/EWG w sprawie klasyfikacji niebezpiecznych substancji chemicznych z 27 czerwca 1967 roku (z póź. zm.).
• 5. Dąbek L., Ozimina E., Utlenianie zanieczyszczeń organicznych zaadsorbowanych na węglach aktywnych, Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 41, 427÷436. 2009.
• 6. Faria P.C.C., Órfão J.J.M.,Pereira M.F.R., Adsorption of anionic and cationic dyes on activated carbons with different surface chemistries, Water Res., 38, 2043÷2052. 2004.
• 7. Fung PC, Poon CS, Chu CW, Tsui SM., Degradation kinetics of reactive dye by UV/H2O2/US process under continuous mode operation, Water Sci. Technol., 44, 67÷72. 2001.
• 8. Gupta V.K., Suhas V., Application of low-cost adsorbents for dye removal – A review, J.Environ.Manage., 90, 2313÷2342. 2009.
• 9. 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.
• 10. Mikułka M., (pod red.), Charakterystyka technologiczna przemysłu włókienniczego w Unii Europejskiej, Ministerstwo Środowiska. Warszawa wrzesień 2003.
• 11. 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.
• 12. Sharma, D.K., Saini, H.S., Singh, M., Chimni, S.S., Chadha, B.S., Isoloation and characterization of microorganisms capable of decolorizig various triphenylmethane dyes. J. Basic Microbiol., 44, 59÷65. 2004.
• 13. 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.
• 14. Zarzycki R. pod red., Zaawansowane techniki utleniania w ochronie środowiska, pod red., Wyd. Polska Akademia Nauk, Oddział w Łodzi, Komisja Ochrony Środowiska, Łódź 2002