+ All Categories
Home > Documents > VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a...

VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a...

Date post: 23-Sep-2020
Category:
Upload: others
View: 2 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
60
VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ KYSELÝCH AROMATICKÝCH HALOGENDERIVÁTŮ Z KONTAMINOVANÝCH VOD Tomáš Weidlich Ústav Environmentálního a chemického inženýrství Tel.: 46 603 8049 tomas.weidlich @upce.cz
Transcript
Page 1: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO

ODSTRAŇOVÁNÍ KYSELÝCH

AROMATICKÝCH HALOGENDERIVÁTŮ

Z KONTAMINOVANÝCH VOD

Tomáš Weidlich

Ústav Environmentálního a chemického inženýrství

Tel.: 46 603 8049

[email protected]

Page 2: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Iontové kapaliny

• Skládají se obvykle z objemného organického kationtu a organického nebo anorganického aniontu

• bod tání často nižší než 100°C

• Nejběžnější BMIM (n=2): cetyl-trimethylamonium-bromid:

NH3C (CH2)15CH3

CH3H3C

Br

N

N

CH3

CH2(CH2)nCH3

anion

Page 3: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Typické vlastnosti ILs:

• iontová vodivost

• elektrochemická stabilita

• nízká tenze par

• nehořlavost

• schopnost výměny aniontu, přičemž výměnou aniontu lze měnit fyzikální a chemické vlastnosti

=> např. možnost ovlivnění polarity IL => ovlivnění rozpustnosti v různých rozpouštědlech

Page 4: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Využití schopnosti výměny aniontu u

iontových kapalin pro srážení kyselin

z vodných roztoků:

• R-SO3-Na+ + R4N

+X- → R-SO3NR4 ↓ + NaCl

+ R4P+X- → R-SO3PR4 ↓ + NaCl

R-COO-Na+ + R4N+X- → R-COONR4 ↓ +NaCl

+ R4P+X- → R-COOPR4 ↓ +NaCl

= iontová výměna s použitím kapalného iontoměniče

Page 5: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Které faktory ovlivňují separaci kyselých

kontaminantů působením iontových kapalin?Byl studován1:

1) Vliv různých druhů kationtových tenzidů

2) Vliv násady kvartérní amoniové nebo fosfoniové soli, tedy optimální molární poměr kationtového tenzidu vůči počtu kyselých funkčních skupin v barvivu

3) Vliv pH na účinnost separace barviva z vodného roztoku

4) Způsob izolace vyloučené iontové kapaliny, iontového páru barvivo-kationtový tenzid z vod

1a Weidlich T. et al.: Sep. Sci. Technol. 47(9), 1310-1315 (2012).1b Weidlich T. et al.: CZ20120359 A3 (2013)

Page 6: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Ad. 1) Vybrané kationty vhodné pro srážení

aromatických kyselin (organická kyselá barviva) z vod:

• Pro akademický

výzkum:

P

Br

• Pro průmyslové aplikace (Aliquat, benzalkonium chlorid):

P

Br

H3C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

N

CH2H2C

CH2H2C

CH2H2C

H3C

H2CH2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH3

CH3

Cl

Ph4PBr, Mr= 419,3: EtPh3PBr, Mr=371,3:

N

H3C (CH2)15CH3

CH3

CH2

Cl

Page 7: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Akademický výzkum srážení aromatických

sulfonových kyselin (kyselých barviv) přídavkem IL:

NH OH

NaO3S SO3Na

NN

N

N

N

Cl

N

NN

CH3CH2

SO3Na

CH3

Reactive Red 45:1, Molecular Weight: 771.5, RR

NH2 OH

NaO3S SO3Na

NN

NN

SO3Na

NaO3S

SO3Na

HN N

NN

Cl

NH2

Reactive Black 39, Molecular Weight: 1025.5; RB39

NH2 OH

NaO3S SO3Na

NN

SOCH2CH2

O

O

NaO3S

NN

S CH2CH2OSO3NaO

O

Reactive Black 5, Molecular Weight: 991.8, RB5

NH OH

NaO3S SO3Na

NN

N

N

N

Cl

Cl

Procion® Red MX-5B, Synonym: Reactive red 2,

Molecular Weight: 615.33; PR

Page 8: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Ad.2) Studium vlivu násady Ph4PBr na

účinnost odstranění barviva v roztoku:

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5 6

Ph4PBr to dye molar ratio

DE

(%

)

Reactive Red

Reactive Red 39

Reactive Black 5

Procion Red

Závislost účinnosti odstranění barviva (DE) na použitém molárním

poměru Ph4PBr vůči sráženému barvivu

Počet vázaných SO3- v

barvivu:

Reactive Red 45:1 = 3xSO3-

Reactive Red 39 = 4xSO3-

Reactive Black 5 = 5xSO3-

Procion Red MX-5B= 2xSO3-

P

Br

Page 9: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Tvorba nových iontových kapalin za současného

srážení kyselých barviv:

NH OH

R4P+ -

O3S SO3-PR4

+

NN

N

N

N

Cl

Cl

NH OH

NaO3S SO3Na

NN

N

N

N

Cl

Cl

+ 2 R4P+Br

-- 2 NaBr

Byl studován:

a) Vliv násady kvartérní amoniové nebo fosfoniové soli, tedy optimální molární

poměr kationtového tenzidu vůči počtu kyselých funkčních skupin v barvivu

b) Vliv pH na účinnost separace barviva z vodného roztoku

Srážení barviva Procion® Red MX-5B, PR s vybranými fosfoniovými solemi:

Page 10: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Ad. 3) Vliv pH na účinnost srážení barviv při

molárním poměru R4PBr : SO3- = 1 : 1

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12 14

pH

DE

(%

)

Ph4PBr : RR = 3 : 1

Ph4PBr : RB39 = 5 : 1

Ph4PBr : RB5 = 4 : 1

Ph4PBr : PR = 2 : 1

Ph4PBr, Mr= 419,3

P

Br

Page 11: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Využití ILs pro srážení RSO3-

v průmyslovém měřítku:

Využití velkotonážně vyráběných

amoniových solí:

Page 12: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Testování srážení na žluti Acid Yellow 17:

Cl

Cl

SO3Na

NN

OH

CH3NN

NaO3S

NR

2R

4

R3R

1

X

R3

Cl

Cl

SO3- N

+

NN

OH

CH3NN

+N

-O3S

R1

R4

R3

R1

R4

R2

R2

+ 2- 2 NaX

Acid Yellow 17 + kvartérní amoniová sůl

Použitá IL: Po smíchání:

Cetyl-trimethylamonium Br- (C16H33N(CH3)3Br Nedochází ke srážení

Benzyl-dimethyl-stearylamonium Cl-

benzalkonium chlorid

Tvoří emulzi

Dilauryl-dimethylamonium Br- Tvoří emulzi

Methyl-trioktylamonium Cl- (Aliquat 336) Tvoří sraženinu

Na základě zkušeností s R4PBr a barvivy použito pro srážení AY17 mol. poměru

R4NCl : RSO3Na = 1:1

Page 13: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Na základě zkušeností s R4PBr a barvivy použito pro srážení

AY17 mol. poměru R4NCl : RSO3Na = 1:1

Účinnost extrakce barviva AY17 s použitím Aliquatu 336

(zředěný n-oktylalkoholem) v závislosti na intenzitě

míchání:

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 50 100 150 200 250

Doba míchání (min.)

Ab

orb

an

ce v

od

néh

o r

ozto

ku

AY

17

480 otáček/min.

660 otáček/min.

360 otáček/min.

Page 14: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Srážení AY17 s Aliquatem 336:

NN

NN

+Na

-O3S

HO

SO3-Na

+

Cl

Cl

AY17: C16H10Cl2N4Na2O7S2

Mol. Wt.: 551,29

C66H118Cl2N6O7S2

Mol. Wt.: 1242,72

NN

NN

+N

-O3S

HO

SO3-N

+

Cl

ClAY17.2Okt3NCH3

+ 2 Aliquat 336

- 2 NaCl

Ad.4) Nutnost řešit problém jednoduché separace

vznikající sraženiny iontové kapaliny z vod => využití

koagulace a flokulace s Fe3+ nebo Al3+

Page 15: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Provedené laboratorní

experimenty využívající

kombinaci působení iontové

kapaliny a anorganického

koagulantu

Dle: Weidlich T. et al.:

CZ20120359 A3 (2013)

Page 16: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Technologické vody z výrobny z SBU BaP:

Page 17: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Ukázka srážení barviv z technologických vod:

500 ml technol. vody z výroby pigmentů (pH~11), k ní za míchání dávkováno:

15 ml roztoku 0,4M Al2(SO4)3 s obsahem 0,05 M vybrané kvartérní amoniové soli => pokles pH na pH ~ 5, optimální pro srážení Al(OH)3:

=>

Page 18: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Po 30 min. míchání necháno sedimentovat:

N N

Cl-

v 0,4M Al2(SO4)3

Vodný roztok: 0,05 M

…následně zfiltrováno:

N

Cl-

Vodný roztok: 0,05 M

v 0,4M Al2(SO4)3

Page 19: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Možnosti praktické aplikace

iontových kapalin:

Weidlich T. et al.: CZ20120359 A3

(2013)

Page 20: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Využití halogenovaných aromatických sloučenin pro

výrobu pigmentů:• halogenované aniliny a sulfonové kyseliny

Ca2+

ŽLUŤ 2GS

Cl

-O3S

NO2

N N CH

COCH3

C

O

NH

2

N

N

OH CONHPh

Cl

Cl

ČERVEŇ F2RA

N

N

H

Cl

NO2

Ac

C N

NH

NH

OO

H

ORANŽ HLD

NH2Xn

R

X=Cl; n=1-3R=CH3, NO2, CF3,...

SO3H

NH2

Cln

n=1-3;

R

R=H, CH3

Page 21: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Intermediáty s vázaným Cl používané pro výrobu

organických pigmentů v podniku Synthesia, a.s. (emise AOX

do odpadních vod):

NH2

HO3S

CH3

Cl

NH2

HO3S

Cl

ClNH2

Cl

Cl

Spotřeba 200t/rok

3,4-DCA-6-SK

Page 22: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Čištění vod na provoze AZO II (alkalické vody, tradiční

postup = adsorpce na aktivní uhlí):

Nátok

Odtok na

BČOV

Předúprava

okyselením a

přídavkem PAC

Čištění na GAC

Místo adsorpce na práškové aktivní uhlí použití roztoku

benzalkonium chloridu v Fe(SO4)3 :

Page 23: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Nátok

Odtok na

BČOV

Předúprava

dávkováním

roztoku

BzCl/Fe2(SO4)3

Čištění na GAC

Místo adsorpce na práškové aktivní uhlí použití

roztoku benzalkonium chloridu v Fe(SO4)3 :

VÝSLEDEK:

Úspora cca. ½

nákladů na

použitá činidla při

prakticky stejné

účinnosti

odstranění AOX

Page 24: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

SO3NaN

N

O

NNHCl

Cl

SO3Na

CH2

N+

CH3

CH3

(CH2)11CH3

Cl-+

2- 2 NaCl

SO3-

N

N

O

NNHCl

Cl

SO3-

CH3

N+

CH3

CH2

(CH2)11CH3

CH3

N+

CH3

CH2

(CH2)11CH3

Chemismus procesu srážení halogenovaných

aromatických sulfonových kyselin z odpadních

vod:

Page 25: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní
Page 26: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Poděkování:Studentům a kolegům z FCHT:

• Bc. Šárce Martinkové

• Ing. Janě Martinkové-Václavíkové

• Ing. Lence Krchové

• Ing. Lucii Joskové

• Ing. Tereze Fulínové

• Ing. Lence Bandžuchové, Ph.D. (měření AOX)

Kolegům ze Synthesie:

Ing. Janu Vyňuchalovi, Ph.D.

Ing. Milanu Koplíkovi, Ph.D.

Ing. Luďkovi Kupczakovi

Ing. Dacerovi (řediteli SBU Barviva a pigmenty)

za zpřístupnění informací k některým technologiím a za možnost praktického ověřování postupů na reálných vodách

Page 27: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Děkuji Vám za

pozornost

Page 28: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Kdy dochází při iontové výměně k

vylučování sraženiny?

• když přídavkem vhodné amoniové nebo fosfoniové soli k roztoku kyseliny (její soli) vzniká ve vodě nerozpustná iontová kapalina

Rozpustnost je závislá jak na velikosti a polaritě kationtu, tak i na velikosti a polaritě aniontu

Př.: Ve vodě rozpustné:

Ve vodě nerozpustné:

N

N

CH3

CH2(CH2)nCH3

anion

n = 2; anion = PF6-; (CF3SO2)2N

-; CH3(CH2)7SO3

-

n = 2; anion = Cl-; Br

-; HSO4

-, BF4

-, p-CH3C6H4SO3

-

Ve vodě rozpustné:

n = 6; anion = Cl-; Br

-; HSO4

-

Ve vodě nerozpustné:

n = 6; anion = BF4-, p-CH3C6H4SO3

-, CH3(CH2)7SO3

-, ClC6H4COO

-

PF6-; (CF3SO2)2N

-;

Page 29: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní
Page 30: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Pohled na retenční nádrž, v pozadí odstavená spalovna

NO, za ní BČOV, kam voda z retence natéká (Autor

fotografií: Ludvík Hradilek)

Page 31: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

BČOV Pardubice-Rybitví, provozovatel Veolia, a.s.:

Page 32: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Výpusť vod z BČOV do Labe, …voda připomíná malinovou

limonádu, do Labe to má sto metrů… (Autor: Ludvík Hradilek) :

Page 33: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Struktura soli kyselého barviva s kvartérním

fosfoniovým kationtem:

Příklad tzv. Chrysofeninu:

Page 34: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Struktura 2 BzMIM . Chrysofenin:

Page 35: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Výsledkem procesu čištění v

pardubické BČOV je vyčištěná

voda splňující většinu legislativou

požadovaných parametrů

…problémem bývá parametr AOX

Page 36: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Trocha statistiky, aneb pardubické emise AOX dle IRZ:

Synthesia, a.s. vypouštěla (dle Integrovaného registru znečištění (IRZ, dostupný na www.ippc.cz)

do nátoku na BČOV provozované firmou VEOLIA VODA ČESKÁ REPUBLIKA:

• 4710 kg AOX/r.2011

• 3420 kg AOX/r.2012

• VEOLIA VODA ČESKÁ REPUBLIKA, a.s. (Provozovna BČOV Pardubice vypouštěla:

• 4493,6 kg AOX/r.2011,

• 3887,2 kg AOX/r.2012

Co je zdrojem emisí AOX v odpadních vodách z Pardubic?

Page 37: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Trocha statistiky, aneb emise AOX dle IRZ:

• Dle nařízení vlády č. 61/2003 Sb., (Příloha 3) je mezní hodnota AOX pro povrchové vody 0,025 mg.l-1.

• Ohlašovací práh pro emise a přenosy AOX do vody a půdy je 1000 kg AOX za rok

Dle IRZ v roce 2012 byli největšími emitenty AOX (přenosy do vod) firmy vyrábějící papír a celulosu:

Mondi Štětí a.s. (15085 kg AOX/rok);

Biocel Paskov a.s. (12551 kg AOX/rok)

Dle IRZ v roce 2012 byly největším emitentem AOX (přenosy do vod) firmy:

Spolek pro chemickou a hutní výrobu, a.s. (8400 kg AOX/rok)

Synthesia, a.s. (3420 kg AOX/rok)

Page 38: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

AOX = adsorbovatelné organické halogenderiváty,

souhrnný parametr stanovovaný dle ČSN EN ISO 9562 (75

7531) „Jakost vod – Stanovení adsorbovatelných organicky

vázaných halogenů“

Zpoplatněné ukazatele znečištění dle zákona č. 254/2001 Sb.

v platném znění vč. Novely 150/2010 Sb.:

• org. látky charakterizované ukazatelem CHSKCr (angl. COD)

• Rozpuštěné anorg. soli (RAS)

• Nerozpuštěné látky (NL)

• Fosfor celkový PC

• Dusík anorganický celkový Nanorg (angl. TIN = total inorganic

nitrogen)

• Adsorbovatelné organicky vázané halogeny AOX

• Rtuť Hg

• Kadmium Cd

Page 39: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Alternativní metody snižování

emisí AOX z výroby barviv

využívající znalosti obecné

struktury halogenovaných

sloučenin v odpadních vodách

Jaké halogenované deriváty

používá chemický průmysl v

Pardubicích?

Page 40: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Využití halogenovaných aromatických a

heterocyklických sloučenin pro výrobu barviv:• Kyanurchlorid pro výrobu některých tzv. reaktivních barviv:

NH2OH

SO3NaNaO3S

NNN

SO3Na

NaO3S N

NaO3S

NH

N

N

N

Cl

NH2

Ostazinová modř H5G

N

N

N

Cl

GNHbarvivo

N

N

N

O

NHbarvivo

G

celulosa

G = OR, OH, NH2, NHR, NR2

- Cl-

T, celulosa OH

G = Cl, NH2, NHR, NR2

N

N

N

Cl

NHbarvivo

G

Page 41: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

2. Alternativní postup

odstraňování AOX = využití

kyselých funkčních skupin

Srážení kyselých barviv s vázaným

halogenem s použitím iontových kapalin:

R-SO3-Na+ + R4N

+Cl- → R-SO3NR4 ↓ + NaCl

Page 42: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

= P

NH2OH

SO3-P+(C6H13)3

(C6H13)+P-O3S

NNN

(C6H13)3+P

-O3S N NH

N

N

N

Cl

NH2

C14H29

SO3-P+(C6H3)3 (C6H13)3

+P-O3S

C14H29 C14H29

C14H29

C14H29

NH2OH

SO3NaNaO3S

NNN

SO3Na

NaO3S N

NaO3S

NH

N

N

N

Cl

NH2

+ 5 (C6H13)3P+ Br

-

C14H29

- 5 NaBr

Ostazinová modř H5G, C25H14ClN10Na5O16S5, Mr= 1021,14 g/mol

ve vodě nerozpustná iontová kapalina sumárního vzorce C186H356ClN10O16P5S5, Mr= 3339,55 g/mol

Br(C6H13)3P+ Br

-

C14H29

Pozn.:

Page 43: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Ad.3) Vliv struktury kationtového

tenzidu na účinnost separace

Page 44: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Reakce s iontovými kapalinami => tvorba tzv.

iontových párů málo rozpustných ve vodě:

Ad. 4) Účinnost procesu srážení iontových párů je

závislá na struktuře barviva a délce řetězce R v

iontové kapalině R4NX, čím objemnější R, tím

lepší účinnost odbarvení vodného roztoku

Ad. 5) vyloučený dehtovitý produkt je nejlépe

separovatelný použitím koagulace a flokulace

Page 45: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Srážení kyselých barviv iontovými kapalinami,

výhody:

• Metoda je velmi účinná při použití kvartérních amoniových solí s dlouhým řetězcem

• Spotřeba iontové kapaliny je malá, obvykle stačí méně než 1 mol IL na 1 mol SO3

-

• Pro odstranění přebytků IL lze využít anorganické koagulanty (Al3+ nebo Fe3+ soli), které usnadňují izolaci sraženiny sedimentací a/nebo filtrací

• Účinnost odstranění halogenovaného barviva (i parametru AOX) obvykle větší než 90%

Univerzita Pardubice:

Weidlich T., Martinková J.: Způsob srážení barviv z vodných roztoků. CZ20120359 (A3) 2013-07-03.

Page 46: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Použití adsorpce

• AOX zachyceno z OV na velký specifický povrch vhodného adsorbentu

• Ale co s použitým, s AOX nasyceným sorbentem?

Procesy adsorpce se dělí na:

• míchání, obvykle pro šaržové čištění

• perkolace (prokapávání), použitelná při kontinuálním čištění

Page 47: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Decentralizované čištění technologických vod s

obsahem AOX v praxi, využití adsorpce na práškové

aktivní uhlí dle BREF:

Adsorpční jednotka pro zpracování kapalné fáze

Page 48: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Adsorpce AOX na PAC

(200 ml OV s AOX=17,5 mg/l, pH = 12,37)

48

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

AO

X (

mg/

l)

0,1 g / 1 h 0,1 g / 12 h 0,1 g 24 h 0,3 g / 1 h 0,3 g / 12 h 0,3 g / 24 h 0,5 g / 1 h 0,5 g / 12 h 0,5 g / 24 h

Obsah AOX v odpadních vodách z výroby A po použití aktivního uhlí

Silcarbon CW 20 Karbopal GNA II. Norit CA 1 PA

původní hodnota 17,5 mg/l

Kapacita sorbentu PAC: 5,2 mg AOX/g

Page 49: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Univerzální metoda odstraňování biologicky

neodbouratelného organického znečištění z vod (i

AOX) = adsorpce na vhodný sorbent:Obvyklým sorbentem je aktivní uhlí (podobně jako u stanovování

AOX dle platné ČSN), ALE: účinnost závisí na polaritě sorbované látky:

Na aktivní uhlí

adsorbovaná

látka:

odstranění

[%]

kapacita

[mg/g]

benzen 95 80

fenol 81 161

ethylacetát 51 100

aceton 22 43

isopropylalkohol 22 24

formaldehyd 9 18

methylalkohol 4 7

Další používané sorbenty: alumina (γ-Al2O3), adsorpční pryskyřice

Page 50: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Aplikace

granulovaného

aktivního uhlí

v adsorpčních

kolonách:

Page 51: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Při perkolaci se používá granulované aktivní uhlí:

Page 52: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Dostupné na:

http://www.donau-

carbon.com/

Page 53: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Příklad provedení bilance emisí a odstraňování AOX ve

vodných odpadních proudech

(dle BREF Organické chem. speciality):

Page 54: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

1FIM~4,60Kč

1BEF ~0,65Kč

Page 55: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

ADSORPCE: limity / omezení

TNL <20 mg/l pro adsorbéry s fixním ložem

koncentrace znečišťujících

látek

<100 g/l (bez rekuperace adsorbentu)

<500 g/l (s rekuperací adsorbentu)

molekulová hmotnost při klesající molekulové hmotnosti se snižuje

účinnost

délka uhlíkového řetězu s delším řetězcem se snižuje účinnost

větvení uhlíkového řetězce s větším větvením se snižuje účinnost

polarita s růstem polarity se snižuje účinnost

rozpustnost ve vodě s růstem rozpustnosti se snižuje účinnost

stupeň disociace s růstem rozpadu se snižuje účinnost

makromolekuly s makromolekulární strukturou se snižuje účinnost

Page 56: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Centrální biologická ČOV je schopna odstranit dva

druhy znečišťujících látek:

• nerozpuštěné látky

• biodegradabilní sloučeniny

Odpadní voda s nadměrným obsahem znečišťujících látek,

které jsou:

• těžko biologicky rozložitelné nebo

• působí inhibičně na biologický stupeň čištění

vyžaduje buď předchozí předčištění nebo zvláštní čištění.

• Relevantními parametry pro biologickou odbouratelnost OV

jsou v tomto kontextu těžké kovy, halogenované organické

sloučeniny (AOX) a toxicita.

Page 57: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Aerobní čištění limity / omezení

Živiny poměr BSK : N : P by měl být 100 : 5 : 1;

kritické poměry, které by neměly být překročeny, aby se zajistil dobrý

provoz, jsou BSK:N 32 : 1 a BSK : P 150 : 1

Koncentrace je nutno zabránit vysoké koncentraci látek (dokonce i netoxických látek)

Inhibitory viz. Předch. tabulka, těžké kovy, kyanidy, sulfidy, fenoly,

Teplota teploty odpadních vod >35 °C mohou být pro mikroorganismy kritické

Zatížení solemi vysoké zátěže solemi (>30 g/l) mohou způsobovat poruchy biologického

procesu tím, že ničí mikroorganismy

spotřebovávaný materiál/energie úplně promísený aktivovaný kal

kyslík (vzduch nebo čistý plyn)

neutralizační

chemikálie

Flokulanty (síran železnatý) 300-500 kg/t

COD

Nutrienty (kyselina fosforečná) 23-42 kg/t

COD

Energie [kWh/m3] 9,5

Page 58: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Čištění vod v pardubické BČOV:

• Průmyslové OV z retenční nádrže natékají do neutralizační stanice, kde dochází k neutralizaci vápenným mlékem doprovázené srážením sádrovce, případně hydroxidů těžkých kovů

• Následuje oddělení nerozpuštěných látek v sedimentačních nádržích a aerobní proces biologického čištění

• Takto vyčištěná voda je vypouštěna do recipientu

Page 59: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

LIMIT ZPOPLATNĚNÍ

UKAZATEL ZNEČIŠTĚNÍ SAZBA

Kč/kg hmotnostní

kg/rok

koncentrační

mg/l

1.

a) CHSK nečištěné odpadní vody

do 31. 12. 2004

od 1. 1. 2005

b) CHSK čištěné odpadní vody

c) CHSK odpadní vody čištěné z výroby buničiny a

ze zušlechťování bavlnářských a lnářských textilií

16

16

8

3

20 000

8 000

10 000

10 000

40

40

40

40

2. RAS 0,5 20 000 1 200

3. nerozpuštěné látky47)

2 10 000 30

4. fosfor celkový

do 31. 12. 2004

od 1. 1. 2005

70

70

13 000

3 000

3

3

5. dusík amoniakální

do 31. 12. 2001

40

15 000

15

6. dusík Nanorg

od 1. 1. 2002

30

20 000

20

7. AOX

od 1. 1. 2002

300

15

0,2

8. rtuť 20 000 0,4 0,002

9. kadmium 4000 2 0,01

47)

Poplatek za tento ukazatel platí pouze znečišťovatelé, kteří

a) neplatí poplatek za CHSK, ale znečištění přesahuje limit pro zpoplatnění NL, nebo

b) vypouštějí v odpadních vodách více NL, než činí trojnásobek množství zpoplatněné CHSK.

Poplatek za tento ukazatel platí pouze znečišťovatelé, kteří

a) neplatí poplatek za CHSK, ale znečištění přesahuje limit pro zpoplatnění NL, nebo

b) vypouštějí v odpadních vodách více NL, než činí trojnásobek množství zpoplatněné CHSK.

Page 60: VYUŽITÍ IONTOVÝCH KAPALIN PRO ODSTRAŇOVÁNÍ …-PR 4 + N N N N N Cl Cl N H O H N aO 3S S O 3N a N N N N N Cl Cl + 2 R 4P +Br-- 2 N aBr Byl studován: a) Vliv násady kvartérní

Pro srovnání vliv pH na adsorpci barviv na aktivní uhlí

(Malik P.K.: Dyes and Pigments 56 (2003) 239–249):

způsobeno disociací: RSO3H ↔ RSO3- + H+


Recommended