Możliwości modyfikacji procesu Fentona w aspekcie skuteczności utleniania trudno biodegradowalnych zanieczyszczeń organicznych

Janda, Anna; Marcinkowski, Tadeusz

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Możliwości modyfikacji procesu Fentona w aspekcie skuteczności utleniania trudno biodegradowalnych zanieczyszczeń organicznych

Autorzy

Janda Anna , Marcinkowski Tadeusz

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Modification possibilities for oxidation effectiveness of hard degradable organic pollutants

Języki publikacji

Abstrakty

Mechanizm procesu Fentona pozwala na usuwanie trudno biodegradowalnych związków organicznych z wody, ścieków, gleby oraz osadów. Klasyczna reakcja Fentona zachodzi w środowisku kwasowym, które zapewnia skuteczne tworzenie rodników hydroksylowych. Temperatura i pH środowiska reakcji są najważniejszymi parametrami decydującymi o dynamice przebiegu procesu Fentona oraz o chemizmie zachodzących reakcji. Środowisko kwasowe reakcji Fentona pozwala na dysocjację źródła tlenu do rodników, jednak z drugiej strony jest przyczyną zbyt szybkiego rozkładu niestabilnego H2O2 i powoduje wzrost temperatury środowiska reakcji. Takie warunki procesu są obarczone wysokim prawdopodobieństwem utraty potencjału utleniającego w wyniku reakcji konkurencyjnych. Z tego względu możliwe są różne modyfikacje klasycznego procesu Fentona, takie jak stosowanie alternatywnego źródła tlenu (CaO2), innej formy katalizatora reakcji i/lub środków chelatujących oraz wykorzystanie promieniowania nadfioletowego. Modyfikacje te pozwalają na zwiększenie wartości pH reakcji, bez znaczącej utraty rodników hydroksylowych. Doświadczenia badawcze wskazują, że stopień usunięcia zanieczyszczeń organicznych, w zależności od zastosowanych konfiguracji procesu Fentona i dawek reagentów, może sięgać niemal 100%.

The Fenton mechanism allows for removal of difficult-to-degrade organic compounds from water, wastewater, soil, and sediments. The classic Fenton reaction takes place in acidic pH, which ensures effective hydroxyl radicals formation. Temperature and pH of the reaction environment are the key parameters affecting the Fenton process and chemistry of the reactions involved. The acidic conditions allow for dissociation of the oxygen source into radicals. On the other hand, however, they cause rapid decomposition of labile H2O2, leading to an increase in temperature of the reaction environment. Under these circumstances, there is a high likelihood of losing the oxidative potential through competitive reactions. For this reason, various modifications of the classic Fenton reaction are applied, including the use of an alternative source of oxygen (CaO2) or a different form of the reaction catalyst and/or chelating agents as well as UV radiation application. These modifications allow for an increase in pH without a significant loss of hydroxyl radicals. The research experience indicates that the degree of contaminants removal may reach even 100%, depending on the applied Fenton process configurations and reagent doses.

Słowa kluczowe

reakcja Fentona rodniki hydroksylowe nadtlenek wodoru nadtlenek wapnia stabilizacja chemiczna utlenianie zanieczyszczeń organicznych

Fenton reaction hydroxyl radicals hydrogen peroxide calcium peroxide chemical stabilization oxidation of organic contaminants

Wydawca

Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski

Czasopismo

Ochrona Środowiska

Rocznik

2019

Tom

Vol. 41, nr 1

Strony

47--53

Opis fizyczny

Bibliogr. 43 poz., tab.

Twórcy

autor

Janda Anna

autor

Marcinkowski Tadeusz

Bibliografia

1. K. BARBUSIŃSKI: Intensyfi kacja procesu oczyszczania ścieków i stabilizacji osadów nadmiernych z wykorzystaniem odczynnika Fentona. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej 2004, nr 1603.
2. J. NAWROCKI: Zaawansowane procesy utleniania w oczyszczaniu wody (Advanced oxidation processes in water treatment). Ochrona Środowiska 1999, vol. 21, nr 3, ss. 31–36.
3. Y. ZHANG, M. ZHOU: A critical review of the application of chelating agents to enable Fenton and Fenton-like reactions at high pH values. Journal of Hazardous Materials 2019, Vol. 362, pp. 436–450.
4. A. NORTHUP, D. CASSIDY: Calcium peroxide (CaO2) for use in modified Fenton chemistry. Journal of Hazardous Materials 2008, Vol. 152, No. 3, pp. 1164–1170.
5. K. BARBUSIŃSKI: Toxicity of industrial wastewater treated by Fenton’s reagent. Polish Journal of Environmental Studies 2005, Vol. 14, No.1, pp. 11–16.
6. Y. XUE, X. GU, S. LU, Z. MIAO, M. L. BRUSSEAU, M. XU, X. FU, X. ZHANG, Z. QIU, Q. SUI: The destruction of benzene by calcium peroxide activated with Fe(II) in water. Chemical Engineering Journal 2016, Vol. 302, pp. 187–193.
7. S. LU, X. ZHANG, Y. XUE: Application of calcium peroxide in water and soil treatment: A review. Journal of Hazardous Materials 2017, Vol. 337, pp. 163–177.
8. K. NAM, W. RODRIGUEZ, J. J. KUKOR: Enhanced degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons by biodegradation combined with a modified Fenton reaction. Chemosphere 2001, Vol. 45, pp. 11–20.
9. K. BARBUSIŃSKI: Zaawansowane utlenianie w procesach oczyszczania wybranych ścieków przemysłowych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2013.
10. H. WANG, Y. ZHAO, T. LI, Z. CHEN, Y. WANG, C. QIN: Properties of calcium peroxide for release of hydrogen peroxide and oxygen: A kinetics study. Chemical Engineering Journal 2016, Vol. 303, pp. 450–457.
11. K. IWAMATSU, S. SUNDIN, J.A. LaVERNE: Hydrogen peroxide kinetics in water radiolysis. Radiation Physics and Chemistry 2018, Vol. 145, pp. 207–212.
12. M. CHENG, G. ZENG, D. HUANG, C. LAI, P. XU, C. ZHANG, Y. LIU: Hydroxyl radicals based advanced oxidation processes (AOPs) for remediation of soils contaminated with organic compounds: A review. Chemical Engineering Journal 2016, Vol. 284, pp. 582–598.
13. M. USMAN, K. HANNA, S. HADERLEIN: Fenton oxidation to remediate PAHs in contaminated soils: A critical review of major limitations and counter-strategies. Science of The Total Environment 2016, Vol. 569–570, pp. 179–190.
14. Y. WANG, Y. SUN, W. LI, W. TIAN, A. IRINI: High performance of nanoscaled Fe2O3 catalyzing UV-Fenton under neutral condition with a low stoichiometry of H2O2: Kinetic study and mechanism. Chemical Engineering Journal 2015, Vol. 267, pp. 1–8.
15. S. LEDAKOWICZ, D. OLEJNIK, J. PERKOWSKI, H. ŻEGOTA: Wykorzystanie procesów pogłębionego utleniania do rozkładu niejonowego środka powierzchniowo czynnego Triton X-114. Przemysł Chemiczny 2001, vol. 80, nr 10, ss. 453–459.
16. Y. PAN, H. SU , Y. ZHU, H. V . MOLAM AHMOOD, M. LONG: CaO2 based Fenton-like reaction at neutral pH: Accelerated reduction of ferric species and production of superoxide radicals. Water Research 2018, Vol. 145, pp. 731–740.
17. N. WANG, T. ZH ENG, G. ZHANG, P. WANG: A review on Fenton-like processes for organic wastewater treatment. Journal of Environmental Chemical Engineering 2016, Vol. 4, pp. 762–787.
18. Y. HU, Y. LI, J. HE, T. LIU, K. ZHANG, X. HUANG, L. KONG, J. LIU: EDTA-Fe(III) Fenton-like oxidation for the degradation of malachite green. Journal of Environmental Management 2018, Vol. 226, pp. 256–263.
19. M. USMAN, P. FAURE, C. RUBY, K. HANNA: Remediation of PAH-contaminated soils by magnetite catalyzed Fenton-like oxidation. Applied Catalysis B: Environmental 2012, Vol. 117–118, pp. 10–17.
20. Y. FENG, D. L. WU, D. DUAN, L. M. MA: Fenton-like oxidation of refractory chemical wastewater using pyrite. Advanced Materials Research 2012, Vol. 518–523, pp. 2518–2525.
21. E. ROTT, R. MINKE, U. BALI, H. STEINMETZ: Removal of phosphonates from industrial wastewater with UV/FeII, Fenton and UV/Fenton treatment. Water Research 2017, Vol. 122, pp. 345–354.
22. S. WADLEY, T.D. WAITE: Fenton Processes in Water and Wastewater Treatment. IWA Publishing, London 2004.
23. A. NYKANEN, H. KONTIO, O. KLUTAS, O. P. PENTTINEN, S. KOSTIA, J. MIKOLA, M. ROMANTSCHUK: Increasing lake water and sediment oxygen levels using slow release peroxide. Science of The Total Environment 2012, Vol. 429, pp. 317–324.
24. D. N. HANH, B. K. RAJBHANDARI, A. P. ANNACHHATRE: Bioremediation of sediments from intensive aquaculture shrimp farms by using calcium peroxide as slow oxygen release agent. Environmental Technology 2005, Vol. 26, No. 5, pp. 581–590.
25. B. WALAWSKA, J. GLUZIŃSKA: Nadtlenek wapnia jako źródło tlenu aktywnego. Przemysł Chemiczny 2006, vol. 85, nr 8–9, ss. 877–879.
26. L. CHI-WEN, W. CHIH-HUNG, T. CHEN-TING, C. SHIHSHIEN: Novel oxygen-releasing immobilized cell beads for bioremediation of BTEX-contaminated water. Bioresource Technology 2012, Vol. 124, pp. 45–51.
27. A. GOI, M. VIISIMAA, M. TRAPIDO, R. MUNTER: Polychlorinated biphenyls-containing electrical insulating oil contaminated soil treatment with calcium and magnesium peroxides. Chemosphere 2011, Vol. 82, pp. 1196–1201.
28. J. GRYZENIA, D. CASSIDY, D. HAMPTON: Production and accumulation of surfactants during the chemical oxidation of PAH in soil. Chemosphere 2009, Vol. 77, pp. 540–545.
29. B. W. BOGAN, V. TRBOVIC, J. R. PATEREK: Inclusion of vegetable oils in Fenton’s chemistry for remediation of PAHcontaminated soils. Chemosphere 2003, Vol. 50, pp. 15–21.
30. X. ZHANG, X. GU, S. LU, Z. MIAO, M. XU, X. FU, Z. QIU, Q. SUI: Degradation of trichloroethylene in aqueous solution by calcium peroxide activated with ferrous ion. Journal of Hazardous Materials 2015, Vol. 284, pp. 253–260.
31. A.-C. NDJOU’OU, D. CASSIDY: Surfactant production accompanying the modified Fenton oxidation of hydrocarbons in soil. Chemosphere 2006, Vol. 65, No. 9, pp. 1610–1615.
32. L. XIA, J. BAI, J. LI, L. LI, S. CHEN, Q. XU, B. ZHOU: High-efficient energy recovery from organics degradation for neutral wastewater treatment based on radicals catalytic reaction of Fe2+/Fe3+-EDTA complexes. Chemosphere 2018, Vol. 201, pp. 59–65.
33. M. ARIENZO: Oxidizing 2,4,6-trinitrotoluene with pyrite-H2O2 suspensions. Chemosphere 1999, Vol. 39, No. 10, pp. 1629–1638.
34. F. P. DWYER, D. P. MELLOR [Eds.]: Chelating Agents and Metal Chelates. Academic Press, New York 1964.
35. S. MIRALLES-CUEVAS, I. OLLER, A. RUIZ-DELGADO, A. CABRERA-REIN, L. CORNEJO-PONCE, S. MALATO: EDDS as complexing agent for enhancing solar advanced oxidation processes in natural water: Effect of iron species and different oxidants. Journal of Hazardous Materials 2018, in press (https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2018.03.018).
36. W. HUANG, M. BRIGANTE, F. WU, K. HA NNA, G. MAILHOT: Development of a new homogenous photo-Fenton process using Fe(III)-EDDS complexes. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 2012, Vol. 239, pp. 17–23.
37. W. HUANG, M. BRIGANTE, F. WU, C. MOUSTY, K. HANNA, G. MAILHOT: Assessment of the Fe(III)-EDDS complex in Fenton-like processes: From the radical formation to the degradation of Bisphenol A. Environmental Science and Technology 2013, Vol. 47, No. 4, pp. 1952–1959.
38. F. VICENTE, J. M. ROSAS, A. SANTOS, A. ROMERO: Improvement soil remediation by using stabilizers and chelating agents in a Fenton-like process. Chemical Engineering Journal 2011, Vol. 172, pp. 689–697.
39. S. JONSSON, Y. PERSSON, S. FRANKKI, B. van BAVEL, S. LUNDSTEDT, P. HAGLUND, M. TYSKLIND: Degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in contaminated soils by Fenton’s reagent: A multivariate evaluation of the importance of soil characteristics and PAH properties. Journal of Hazardous Materials 2007, Vol. 149, pp. 86–96.
40. R. MATTA, K. HANNA, T. KONE: Oxidation of 2,4,6-trinitrotoluene in the presence of different iron-bearing minerals at neutral pH. Chemical Engineering Journal 2008, Vol. 144, pp. 453–458.
41. M. I. PARIENTE, F. MARTINEZ, J. A. MALERO, J. Á. BOTAS, T. VELEGRAKI, N.P. XEKOUKOULOTAKIS, D. MANTZAVINOS: Heterogeneous photo-Fenton oxidation of benzoic acid in water: Effect of operating conditions, reaction by-products and coupling with biological treatment. Applied Catalysis B: Environmental 2008, Vol. 85, No. 1–2, pp. 24–32.
42. W. LI, Y. WANG, A. IRINI: Effect of pH and H2O2 dosage on catechol oxidation in nano-Fe3O4 catalyzing UV-Fenton and identification of reactive oxygen species. Chemical Engineering Journal 2014, Vol. 244, pp. 1–8.
43. E. EVGENIDOU, I. KONSTANTINOU, K. FYTIANOS, I. POULIOS: Oxidation of two organophosphorous insecticides by the photo-assisted Fenton reaction. Water Research 2007, Vol. 41, No. 9, pp. 2015–2027.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-c8d1d1b7-13f4-4e3c-ad30-28275112744b