Озонирование сточных вод предприятий деревообрабатывающей промышленности с применением гетерогенного катализатора с наносвойствами
Автор: Мазитова А.К., Сухарева И.А., Аминова А.Ф., Ягафарова Г.Г., Савичева Ю.Н.
Журнал: Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал @nanobuild
Рубрика: Решение экологических проблем
Статья в выпуске: 4 т. 11, 2019 года.
Бесплатный доступ
Несмотря на многообразие существующих способов очистки сточных вод эту проблему нельзя считать решенной для предприятий деревообрабатывающей промышленности. Учитывая, что в состав сточных вод фанерно-плитных комбинатов входят фенолы, формальдегид и многие другие токсичные вещества, разработка способа их очистки является крайне важной и актуальной задачей. В связи с этим нами проведено исследование эффективности очистки сточных вод уфимского фанерно-плитного комбината (УФПК) озонированием в присутствии доступных и наиболее изученных гетерогенных катализаторов: Fe2O3, нанесенного в виде наноплёнки на 0,5–1,0 мм частицы γ-Al2O3; Al2O3, нанесенного в виде наноплёнки на 2,5–3,0 мм частицы TiO2, MnO2, нанесенного в виде наноплёнки на 2,5–3,0 мм частицы TiO2. Оптимальные условия очистки определяли по кинетическим кривым разложения фенола. Результаты проведённых экспериментов по каталитическому озонированию сточных вод показали высокий эффект очистки. ХПК снизилось в 1,7 (Al2O3, MnO2) и в 3 раза (Fe2O3) по сравнению с озонированием без катализатора. Полученные результаты позволяют уверенно утверждать, что для повышения эффективности очистки сточных вод УФПК необходимо озонирование проводить в присутствии гетерогенного нанокатализатора Fe2O3, который используется в небольшом количестве, поэтому отсутствует необходимость очищения воды от ионов железа (III) в гомогенном катализе. Концентрация иона железа (III) не превышала предельно-допустимую концентрацию в питьевой воде (0,3 мг/дм3). Эффект очистки по ХПК достигает 96%. В работе приведены физико-химические показатели качества исходной сточной воды и после озонирования в присутствии катализатора Fe2O3. Исследованный способ очистки позволяет снизить содержание фенола до нормативного показателя качества (0,01 мг/дм3). Предварительное озонирование сточных вод повышает эффективность дальнейшей биологической очистки.
Окислительный метод, каталитическое озонирование, гетерогенный нанокатализатор, сточные воды деревообрабатывающей промышленности
Короткий адрес: https://sciup.org/142221462
IDR: 142221462 | DOI: 10.15828/2075-8545-2019-11-4-394-404
Текст научной статьи Озонирование сточных вод предприятий деревообрабатывающей промышленности с применением гетерогенного катализатора с наносвойствами
T he complex physical and chemical composition of wastewater pollution in the production of fibreboard causes significant costs for the operation of treatment facilities that use almost all treatment methods. Despite the variety of existing methods of wastewater treatment, this problem can not be considered solved for plywood-plate plants. One should note that the wastewater of the Ufa plywood-board plant (UPBF) includes phenols, formaldehyde and many other toxic substances, therefore the development of a method for their treatment is an extremely important and urgent task. It is known that the oxidative method of ozone purification is effective for the destruction of such substances [1–8]. Ozone has a high standard redox potential (2.07 V) and therefore practically decomposes many organic compounds. During the chemical transformation of ozone under the action of hydrogen peroxide, catalysts, activated carbon, ultrasound, hydroxyl radicals with stronger oxidizing properties (2,70 V) are formed in the solution [9]. It is known from the literature that the use of catalysts in the ozonation process can improve the efficiency of wastewater treatment [10–22]. In this regard, we conducted a study of the effectiveness of the mentioned above wastewater treatment by ozonation in the presence of available and most studied heterogeneous nanocatalysts (Fe2O3, Al2O3, MnO2).
MAIN PART
The procedure of the experiments on ozonation of wastewater in the presence of heterogeneous nanocatalyst
The composition of the initial investigated water is given in table.
For the production of ozone the generator OGVK-02К was used, to provide input of ozone-oxygen mixture in
water and contact with impurities used – a reactor with volume 1 dm3; the control device of ozone concentration in the water – photometer «Expert-003». The catalyst with weight 1 g was loaded into the ozonator tank in the form of spherical particles. As the catalyst Fe2O3 applied in the form of nanofilms on 0.5–1.0 mm particles γ-Al2O3; Al2O3, applied in the form of nanofilms on 2.5–3.0 mm particles of TiO2; MnO2, applied in the form of nanofilms on 2.5–3.0 mm particles of TiO2 were used. Ozone was fed into the treated water with the use of a porous ceramic disperser. Oxidation was carried out in a non-flowing mode with intensive mixing of the catalyst on a magnetic stirrer in the draught cupboard. Ozone concentration in the air of the working area was controlled by indicator tubes TI-[O3–0.003], it should not exceed 0.0001 mg/dm3. After 5–40 minutes of mixing in the presence of ozone, wastewater was separated from the catalyst and the COD index was determined by titrimetric method (ERD F 14.1:2:3. 100-97). pH was measured at the pH-meter ANION 4100. The concentration of iron (III) ions in wastewater was controlled by the spectrophotometer RV2201.
Results of experiments on the study of wastewater ozonation in the presence of heterogeneous nanocatalyst
Tentatively we have chosen the optimum pH of the wastewater for carrying out catalytic ozonation. The best results were obtained at pH = 9.9–10.4 (Fig. 1). Therefore, before oxidation, wastewater was mechanically purified and alkalized to pH = 9.9–10.4. The influence of wastewater temperature (Fig. 2) and ozone doses (Fig. 3) on the residual concentration of phenol has also been investigated. The lowest residual phenol concentration was achieved at 22–24оC and the optimal ozone dose was 5 g/dm3.
The results of the experiments on catalytic ozonation of wastewater showed high efficiency of this method,
SOLUTION FOR ECOLOGICAL PROBLEMS • РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Table
Wastewater description
|
№ |
Water quality indicators |
Analysis result |
Regulatory document on the procedure (method) of measurements |
|
|
Initial wastewater |
Wastewater after treatment О3 and Fe2O3 |
|||
|
1 |
Hydrogen index (units pH) |
4,4±0,2 |
10,0±0,2 |
ERD F 14.1:2:3:4. 121-97 |
|
2 |
COD, mgО2/dm3 |
7600±1140 |
304±46 |
ERD F 14.1:2:3. 100-97 |
|
3 |
BOD5, mgО2/dm3 |
3297±396 |
560±67 |
ERD F 14.1:2:3:4. 123-97 |
|
4 |
Suspended solids, mg/dm3 |
3127±165 |
45±3 |
ERD F 14.1:2:4. 254-09 |
|
5 |
Phenols (volatile with steam), mg/dm3 |
0,263±0,042 |
0,008±0,002 |
ERD F 14.1:2. 105-97 |
|
6 |
Oil products, mg/dm3 |
26±2 |
0,07±0,01 |
ERD F 14.1:2:4. 5-95 |
|
7 |
Cl–, mg/dm3 |
30±2 |
25±2 |
ERD F 14.1:2:4. 111-97 |
|
8 |
SO43–, mg/dm3 |
136±16 |
111±12 |
ERD F 14.1:2:3:4.240-2007 |
|
9 |
NH4+, mg/dm3 |
31±7 |
48±12 |
ERD F 14.1:2. 1-95 |
|
10 |
NO2–, mg/dm3 |
<0,02 |
<0,04 |
ERD F 14.1:2:4.3-95 |
|
11 |
PO43– (Р), mg/dm3 |
2,5±0,2 |
0,30±0,02 |
ERD F 14.1:2:4. 112-97 |
|
12 |
АSSAS*, mg/dm3 |
1,10±0,09 |
0,24±0,03 |
ERD F 14.1:2:4. 15-95 |
Note: АSSAS* – anionic synthetic surface-active substances
Fig. 1. Effect of pH on the residual concentration of phenol in wastewater during catalytic (Fe2O3) ozonation (duration – 35 min, temperature 22–24оC, ozone dose – 5 g/dm3)
SOLUTION FOR ECOLOGICAL PROBLEMS • РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Fig. 2. Effect of wastewater temperature on the residual concentration of phenol in catalytic (Fe2O3) ozonation (duration – 35 min, pH = 9.9–10.4, ozone dose – 5 g/dm3)
Fig. 3. Effect of ozone dose on the residual concentration of phenol in catalytic (Fe2O3) ozonation (duration – 35 min, pH = 9.9–10.4, temperature – 22–24оC)
Fig. 4. Curves of COD change in wastewater during ozonation: without catalyst (curve 1), in the presence of Al2O3 catalyst (curve 2), in the presence of MnO2 catalyst (curve 3), in the presence of Fe2O3 catalyst (curve 4)
which makes it possible to reduce COD in 1,7 (Al2O3, MnO2) and 3 times (Fe2O3) compared with conventional ozonation (Fig. 4).
After ozonation in the presence of the Fe2O3 catalyst, the concentration of iron (III) ions in wastewater was controlled by spectrophotometric method (ERD F 14.1:2:4.50-96). Concentration of ion did not exceed MPC in drinking water (0.3 mg/dm3). The physico-chemical characteristics of the treated wastewater are given in table 1.
Список литературы Озонирование сточных вод предприятий деревообрабатывающей промышленности с применением гетерогенного катализатора с наносвойствами
- Pisarenko A.N., Stanford B.D., Yan D., Gerrity D., Snyder S.A. Effects of ozone and ozone/peroxide on trace organic contaminants and NDMA in drinking water and water reuse applications // Water Research. − 2012. − V. 46. − P. 316–326.
- Ущенко В.П., Попов Ю.В., Воронович Н.В., Узаков Э.Ю., Павлова С.В. Озонирование как способ очистки сточных вод от ароматических соединений // Известия ВолгГТУ. − 2008. − Т. 5, № 1 (39). − С. 79–81.
- Katsoyiannis I.A., Canonisa S., von Gunten U. Efficiency and energy requirements for the transformation of organic micropollutants by ozone, O3/H2O2 and UV/H2O2 // Water Research. − 2011. − V. 45. − P. 3811–3822.
- Драгинский В.Л., Алексеева В.А., Усольцев В.А. Повышение эффективности очистки воды с использованием технологии озонирования и сорбции на активных углях // Водоснабжение и санитарная техника. − 1995. − Вып. 5. − C. 8–10.
- Селюков А.В, Бурсова С.Н., Тринко А.И. Применение экологически чистых окислителей для очистки сточных вод: Обзор // Информ. М.: ВНИИНТПИ, 1990. − C. 37–41.
- Gottschal Ch., Libra J. A., Saupe A. Application of Ozone in Combined Processes. Ozonation of Water and Waste Water: A Practical Guide to Understanding Ozone and its Applications // Second Edition. − 2010. − P. 267–343.
- Rakovsky S., Anachkov M., Zaikov G. Fields of ozone applications // Chemistry & Chemical Technology. − 2009. − V. 3. − No. 2. − P. 139–160.
- Sanchez-Polo M., von Gunten U., Rivera-Utrilla. Efficiency of activated carbon to transform Ozone OH radicals: Influence of operational parameters // Water Research. − 2005. − V. 39. − P. 3189–3198.
- Кофман В.Я. Новые окислительные технологии очистки воды и сточных вод. Часть 1 // Водоснабжение и санитарная техника. − 2013. − № 10. − С. 68–78.
- Бельков В.М., Чой Санг Уон. Методы глубокой очистки сточных вод от нефтепродуктов // Химическая промышленность. − 1998. − № 5. − С. 126–128.
- Oppenlander T. Photochemical Purification of Water and Air. − Weincheim: WILEY VCH Verlag, 2003. − 368 p.
- Yogeswary P., Yusof M., Rashid M., Amin S., Aishah N. J. Degradation of phenol by catalytic ozonation. // Chemical and Natural Resources Engineering. − 2007. − V. 2. − P. 31–46.
- Chang C.C., Chiu C.Y., Chang C.Y., Ji D.R. et al. Pt-catalyzed Ozonation of Aqueous Phenol Solution Using Highgravity Rotating Packed Bed. // Hazardous Materials. − 2009. − V. 26. − № 3. − P. 247–255.
- Liotta L.F., Gruttadauriab M., Carloc G.D., Perrini G., Librandod V. J. Heterogeneous catalytic degradation of phenolic substrates: Catalysts activity. // Hazardous Materials. − 2009. − V. 26. − № 162. − P. 588–606.
- Liou R.M., Chen S.H., Hung M.Y., Hsu C.S., Lai J.Y. Fe (III) supported on resin as effective catalyst for the heterogeneous oxidation of phenol in aqueous solution // Chemosphere. − 2005. − № 59. − P. 117–125.
- Sukmilin A., Boonchom B., Jarusutthirak C. Catalytic Ozonation using Iron-Doped Water Treatment Sludge as a Catalyst for Treatment of Phenol in Synthetic Wastewater // Environ. Nat. Resour. − 2019. − V. 17. − № 2. − P. 87–95.
- Farzadkia M., Shahamat Y.D, Nasseri S., Mahvi A.H, Gholami M., Shahryari A. Catalytic ozonation of phenolic wastewater: Identification and toxicity of intermediates. // Hindawi Publishing Corporation Journal of Engineering. − 2014. − P. 1–10. DOI: 10.1155/2014/520929.
- Shahamat Y.D, Farzadkia M., Nasseri S, Mahvi A.H, Gholami M., Shahryari A. Magnetic heterogeneous catalytic ozonation: a new removal method for phenol in industrial wastewater. // Journal of Environmental Health Science and Engineering. − 2014. − V. 12(50). − P. 1–12.
- Kasprzyk-Hordern B, Ziółek M, Nawrocki J. Environmental Catalytic ozonation and methods of enhancing molecular ozone reactions in water treatment. − Appl Catal Environ. − 2003. −V. 46. − P. 639–669. DOI: 10.1016/S0926-3373(03)00326-6.
- Tizaoui Ch., Mohammad-Salim H., Suhartono J. Multiwalled Carbon Nanotubes for Heterogeneous Nanocatalytic Ozonation // Ozone: Science & Engineering. May–June – 2015. − № 37. –P. 269–278.
- Centurião A. P. S. L., Baldissarelli V. Z., Scaratti G., de Amorim S. M. Enhanced ozonation degradation of petroleum refinery wastewater in the presence of oxide nanocatalysts // Environmental Technology. − 2019. − V. 40. − P. 1239–1249.
- Khataee A.R., Kasiri M.B. Artificialneural networks modeling of contaminated water treatment processes by homogeneous and heterogeneous nanocatalysis // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical.− 2010. – V. 331. P. 86–100.
