The effect of peroxides on the ozonation of reactive dyebath effluent
Peroksitlerin reaktif boya banyo atıksularının ozonlanmasına etkisi
- Tez No: 782497
- Danışmanlar: PROF. DR. İDİL ARSLAN ALATON
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 172
Özet
Dünya nüfusu, sanayi ve kentleşme hızla artıyor ve bu da su tüketimini artırıyor. Ek olarak, antropojenik faaliyetlerden kaynaklanan atık suların doğal su kaynaklarına boşaltılması nedeniyle suyun kalitesi tehlikeye girmektedir. Özellikle akuatik sistemde tekstil boyaları gibi endüstriyel kirleticiler akuatik ortamda ciddi risk oluşturmaktadır. 100.000'den fazla boya maddesinin üretimi, tekstil, tabakhane, boya, pigmentler, kağıt hamuru ve kağıt üretimi dahil olmak üzere çeşitli endüstriyel işlemlerle önemli miktarlarda renkli atık suyun atık suya salınmasına yol açmıştır. Farklı endüstriler tarafından kullanılan toplam boya miktarının yaklaşık %15'i uygun işlem yapılmadan deşarj edilmektedir. Boyalar su ortamlarına bir kez salındığında ışık penetrasyonunu azaltabilir, fotosentetik aktiviteyi değiştirebilir ve anoksik/anaerobik koşullara maruz kaldıktan sonra daha toksik/kanserojen boya metabolitlerine dönüştürülebilir. Sonuç olarak, boyahane atık suyundaki renk sorununu verimli bir şekilde çözmek için acil bir ihtiyaç vardır. Tekstil boyaları arasında elyaf reaktif boyalar pamuk, rejenere selüloz, selüloz asetat ve yün elyaflarını boyamak için kullanılır. Toplam tekstil boyası pazarının %50'sini oluştururlar ve kasıtlı olarak biyobozunmanın yanı sıra fotokimyasal/termal ayrışmaya dayanacak şekilde tasarlanmıştır. Ayrıca reaktif boyalar, boyama işleminden sonra tekrar kullanılamaz ve kullanılmış, hidrolize halde kalır. Bu nedenle, bunların çıkarılması, tekstil boyacısı ve terbiyecisi için büyük bir zorluk haline gelir. Adsorpsiyon, membran operasyonları, mantar tedavisi ve ozonlama dahil olmak üzere çeşitli tedavi seçenekleri zaten araştırılmıştır. Bununla birlikte, bunlar oldukça sınırlı bir başarı göstermiştir veya ekonomik olarak uygulanabilir/maliyetlidir ve bu nedenle daha etkili ve aynı zamanda sürdürülebilir / ekotoksikolojik açıdan güvenli tedavi alternatifleri arayışı, zorlu ve çözülmemiş bir tedavi sorunu olmaya devam etmektedir. Gelişmiş Oksidasyon Prosesleri (AOP), biyolojik olarak dirençli ve/veya toksik kirleticileri yüksek oranda reaktif oksitleyici türlerden bağımsız radikallerin üretilmesi yoluyla uzaklaştırmak için uygulanır. AOP, oksidasyonu iyileştirmek, toksisiteyi azaltmak ve biyolojik olarak parçalanabilirliği artırmak için esas olarak hidroksil radikalleri (HO) üretmek üzere O3 veya H2O2 (HP), UV ışığı, (foto)katalizörler, güçlü ultrason (sonoliz) ve termal enerji gibi geleneksel oksitleyicileri içerir. Daha yakın zamanlarda, sülfat radikalleri (SO4-) bazlı AOP, büyük ilgi görmüştür. İlk olarak 1990'ların sonlarında - 2000'lerin başlarında H2O2'nin (HP) bazı teknik sınırlamalarının üstesinden gelmek için toprak ve yeraltı suyu ıslahı için tanıtılan persülfatlar (PS), SO4- tabanlı AOP'yi başlatmak için etkinleştirildi. Bunlar, su/atık su arıtımında daha geleneksel HO bazlı AOP'ye alternatif olarak kabul edilir. PS ile başlatılan AOP'nin HP ile başlatılan AOP'ye göre avantajları, daha yüksek bir serbest radikal oluşum verimi, daha yüksek indirgeme potansiyeli ve doğal seçicilik ve daha düşük depolama ve nakliye maliyetleridir. Ayrıca SO4- - tabanlı AOP, reaksiyon koşullarına (pH, su/atık su özellikleri) karşı daha az hassastır. PS, metaller/metal oksitler, UV-C ışığı, sonoliz (güçlü ultrason) gibi çeşitli doğrudan/dolaylı yöntemlerle ve ozon gibi termal veya güçlü oksitleyicilerle etkinleştirilebilir. Bu sayede arıtımı zor olan endüstriyel kirleticilerin giderim etkinliğinin artması beklenmektedir. Özellikle peroksitler (persülfat, hidrojen peroksit, perasetik asit ve perkarbonat) gibi yeşil oksitleyiciler son zamanlarda su ve atık su arıtımında aktivatörlerle kombinasyon halinde kullanılmaktadır. Bu gerçekler göz önünde bulundurularak, bu çalışmada, ticari olarak önemli ve sıklıkla kullanılan bir reaktif boya olan Reaktif Kırmızı 21, model endüstriyel kirletici olarak kullanılmış ve hidrojen peroksit HP, PS, PAA gibi peroksitlerin etkilerini incelemek için ozonlamaya tabi tutulmuştur. Renk (en yüksek absorbans) ve toplam organik karbon (TOC) giderme oranları ve verimlilikleri açısından ozon işlemine ilişkin PC. O3, O3/PS, O3/PC ve O3/PAA incelemeleri yarı kesikli reaktörlerde gerçekleştirilmiştir. Reaktörlerde 100 mg/L boya çözeltisine farklı miktarlarda peroksitler (0.75, 1.5, 3 ve 6 mM) ilave edildi. Boya renk bozulmasının etkinliği, reaksiyon süresinin bir fonksiyonu olarak ölçüldü. Oksidasyon potansiyellerini araştırmak ve ozon yokluğunda reaktif boya banyosundan renk gidermeye potansiyel katkılarını değerlendirmek için, sadece peroksitlerin varlığında ön kontrol testleri yapıldı. Bu deneyler, doğal, alkalin pH'ta (pH 11 ) 24 saat boyunca 10 mM peroksit ile gerçekleştirilmiştir. HP ve PC için renk giderimi gözlenmezken, PS ve PAA peroksitleri için sırasıyla %75 ve %96 renk giderimi elde edildi. Tüm ozonlama deneyleri sırasında, renk azaltmaları birinci dereceden kinetikleri takip etti ve 144-288 mg'lık bir ozon dozuna karşılık gelen 2-4 dakika içinde renk giderme gerçekleşti. Bu çalışmada, RR21 boya banyosu atık suyunun ozon/peroksit işlemleri sırasında değişen peroksit konsantrasyonları için birinci dereceden renk giderme oranı katsayıları - kd değerleri (min -1 olarak) - hesaplanmıştır. Bu çalışmada ozon/peroksit işlemleriyle elde edilen sonuçlar, tek başına ozonlama (0,00 mM peroksit olmadan) ile karşılaştırıldı. PS'nin eklenmesi, RR21 atığı için kd değerlerini önemli ölçüde artırdı. Sonuçlara göre, O3/PS ile karşılaştırıldığında RR21 atık suyunun O3/PAA arıtımı için biraz farklı bir model elde edildi. 6,00 mM PAA, renk çıkarma oranları üzerinde güçlü bir olumsuz etkiye sahipti ve bu PAA konsantrasyonu için kd değeri, 1,5 min-1'e düşerek, bir serbest radikal süpürücü (rekabetçi inhibitör) etki ile sonuçlanan aşırı PAA dozunu gösterir. TOK giderimleri, ozonlama ve peroksit destekli ozonlama için 40 dakika boyunca 72 mg/dk ozon besleme hızında 1,5 mM peroksit varlığında takip edildi; bu tedavi koşulları, en yüksek renk giderme sonuçlarına yol açtığı ve bir perokside karşılık geldiği için seçildi. : 0,2'lik (mM peroksit/mM O3) ozon stokiyometrisi (molar oran), peroksit: ozon arıtma prosesleri için teorik optimum aralık olarak belirtilir. Sonuçlar, yukarıda belirtilen reaksiyon koşulları için spesifik ozon dozu (mg O3/mg TOC0 cinsinden) için elde edilen % TOC giderimini gösterir. O3/PAA deneylerinin başlangıç TOK önemli ölçüde daha yüksek olduğu için, spesifik ozon dozu sadece ozonlama ve diğer ozon/peroksit tedavilerinden dört kat daha düşüktür. Genel TOC giderimleri, ozonlama (peroksit yokluğunda; %36), O3/PS (%38) ve O3/PC (%31) için %30-40 aralığında elde edilirken, toplam nispi TOC yüzdesi başlangıçtaki daha yüksek organik karbon içeriği nedeniyle O3/PAA için giderim %18'e düşmüştür. Farklı arıtma prosesleri için ölçülen ozon absorpsiyon oranları, PS ve PAA varlığında ozon absorpsiyonunun sırasıyla %49'dan (yalnızca ozonlama) %55 ve %59'a yükseldiğini göstermiştir. Öte yandan O3/PC için, spekülatif olarak diğer iki ozon kombinasyonundan farklı bir oksidasyon yolu nedeniyle, ozon absorpsiyon oranlarında bir artış değil, %41'e kadar bir düşüş belirgindi. Ozon absorpsiyonu, PS ve PAA destekli ozonlama için beklendiği gibi, ozon ayrışmasının daha az kararlı, serbest radikallere arttığını gösterir. Sonuçlara göre, ozon emilim oranları (ozon ayrışması) ile çözünmüş, moleküler ozon konsantrasyonları arasında ters bir ilişki vardır. Orijinal ve ozonlanmış numunelerin biyobozunurluğu, yerel bir tekstil atık su arıtma tesisinden alınan BOİ7 (Biyokimyasal Oksijen İhtiyacı) testleri ve iklimlendirilmiş, aktif çamur kullanılarak da ölçülmüştür. Orijinal ve işlenmiş RR21 boya banyosu çıkış suyu numunelerinin BOİ7 değerleri orijinal, ozonlanmış, O3/PS, O3/PAA ve O3/PC ile işlenmiş RR21 için 2,5, 4,6, 3,9, 5,8 ve 2,1 mg O2/L olarak belirlenmiştir. boya banyosu atıksu örnekleri. Bu değerler çok düşüktür ve yorumlama için çok anlamlı değildir, ancak reaksiyon çözeltisinin biyolojik olarak parçalanabilirlik değişikliklerinin küçük olduğu ve bozunma ürünlerinin orijinal RR21 boya banyosu atık örneğinden daha fazla biyolojik olarak parçalanabilir olmadığı açıktır. İncelenen ozonlama işlemlerinin uygulanması sırasında akut toksisitedeki değişiklikleri değerlendirmek için test organizması olarak Vibrio fischeri (V. fischeri) deniz fotobakterisi kullanıldı. Orijinal ve işlenmiş için yüzde bağıl inhibisyon oranları (ozon besleme hızı = 72 mg/dak; ozonlama süresi = tam renk giderme süresi ve 40 dakika; peroksit konsantrasyonları = 0,00 ve 1,5 mM pH = 11,0) RR21 boya banyosu atık numuneleri incelenir. Vibrio fischeri ile gerçekleştirilen akut toksisite deneyleri, t=15 dk ve t=30 dk temas süreleri için gerçekleştirilmiştir. Tüm O3/HP, O3/PS, O3/PAA ve O3/PC işlemleri için 60. dakikalık tedavinin sonunda pratik olarak hiçbir inhibisyon gözlenmedi.
Özet (Çeviri)
The world's population, industry, and urbanization are all expanding at a rapid rate, which is leading to increased water consumption. Additionally, the quality of water is endangered by the effluent discharge from anthropogenic activities into natural water sources. Particularly in the aquatic system, industrial pollutants such as textile dyes pose a serious risk in the aquatic environment. The production of more than 100,000 dyestuffs has led to the release of significant volumes of colored effluent into wastewater by a variety of industrial processes, including textile, tannery, paint, pigments, pulp, and paper manufacturing. Around 15% of the total amount of dyes being used by different industries is discharged without proper treatment. Dyes are once released into aquatic environments, they might reduce light penetration, alter photosynthetic activity, and, once subjected to anoxic/anaerobic conditions, may be converted into more toxic/carcinogenic dye metabolites. Consequently, there is an urgent need to efficiently tackle the problem of color in dyehouse effluent. Among the textile dyes, fiber reactive dyes are used to dye cotton, regenerated cellulose, cellulose acetate, and wool fibers. They constitute up to 50 % of the total textile dye market and are intentionally designed to resist biodegradation as well as photochemical/thermal decomposition. Further, reactive dyes cannot be reused after the dyeing process and remain in their spent, hydrolyzed form. Hence, their removal becomes a major challenge for the textile dyer and finisher. Several treatment options, including adsorption, membrane operations, fungal treatment, and ozonation have already been investigated. However, these have shown rather limited success or are economically not feasible/costly and hence the search for more effective and, at the same time, sustainable / ecotoxicologically safe treatment alternatives remains a challenge and unsolved treatment problem. So-called Advanced Oxidation Processes (AOP) are applied to remove biologically resistant and/or toxic pollutants through the generation of highly reactive oxidizing species-free radicals. AOP involve conventional oxidants such as O3 or H2O2 (HP), UV light, (photo)catalysts, power ultrasound (sonolysis) and thermal energy to produce mainly hydroxyl radicals (HO) to improve oxidation, reduce toxicity and increase biodegradability. More recently, sulfate radicals (SO4- )-based AOP have attracted considerable attention. Originally introduced for soil and groundwater remediation in the late 1990s - early 2000s to overcome some technical limitations of H2O2 (HP), persulfates (PS) has been activated to initiate SO4- - based AOP. These are regarded as alternatives to the more traditional HO - based AOP in water/wastewater treatment. The advantages of PS-initiated AOP over HP-initiated AOP are a higher free radical formation yield, higher reduction potential but also inherent selectivity, and reduced storage and transportation costs. Moreover, SO4- - based AOP are less sensitive towards reaction conditions (pH, water/wastewater properties). PS can be activated by several direct/indirect methods such as coupling with metals/metal oxides, UV-C light, sonolysis (power ultrasound), thermally, or with strong oxidants such as ozone. In this way, it is expected to increase the removal efficiency of difficult-to-treat industrial pollutants. In particular, green oxidants such as peroxides (persulfate, hydrogen peroxide, peracetic acid, and percarbonate) have recently been used in combination with activators for the treatment of water and wastewater. Considering these facts, in the present study a commercially important and frequently used reactive dye, namely Reactive Red 21, was used as the model industrial pollutant and subjected to ozonation to study the effects of the peroxides like hydrogen peroxide HP, PS, PAA, and PC on ozone treatment in terms of color (peak absorbance) and total organic carbon (TOC) removal rates and efficiencies. The investigations on O3, O3/PS, O3/PC, and O3/PAA were carried out in the semi-batch reactors. Different amounts of peroxides (0.75, 1.5, 3, and 6 mM) were added to 100 mg/L dye solution in the reactors. The efficiency of dye discoloration was measured as a function of reaction time. In order to explore their oxidation potential and assess their potential contribution to color removal from the reactive dyebath in the absence of ozone, preliminary control tests were carried out just in the presence of peroxides. These experiments were conducted with 10 mM peroxide for 24 h exposure at the natural, alkaline pH of 11. No color removal was observed for HP and PC, while 75 % and 96 % color removals were obtained for the peroxides PS and PAA, respectively. During all ozonation experiments, color abatements followed first-order kinetics and color removal occurred within 2-4 min corresponding to an ozone dose of 144-288 mg. In this study, first-order color removal rate coefficients - kd values (in min -1) – were calculated for varying peroxide concentrations during ozone/peroxide treatments of the RR21 dyebath effluent. In this section results obtained with ozone/peroxide treatments were compared with ozonation alone (with no-0.00 mM peroxide). The addition of PS appreciably increased the kd values for RR21 effluent. According to the results, a slightly different pattern was obtained for O3/PAA treatment of RR21 effluent compared with O3/PS. 6.00 mM PAA had a strong negative effect on color removal rates and the kd value decreased to 1.5 min -1 for this PAA concentration indicating an overdose of PAA that resulted in a free radical scavenging (competitive inhibitory) effect. TOC removals were followed for ozonation and peroxide-assisted ozonation for 40 min at an ozone feed rate of 72 mg/min in the presence of 1.5 mM peroxide which treatment conditions were selected because they resulted in the highest color removal results and corresponded to a peroxide: ozone stoichiometry (molar ratio) of 0.2 (mM peroxide/mM O3), that is indicated as the theoretical optimum range for peroxide: ozone treatment processes. Results displays % TOC removals obtained for specific ozone dose (in mg O3/mg TOC0) for the above-mentioned reaction conditions. Because the initial TOC of the O3/PAA experiments is appreciably higher, the specific ozone dose is more than four times lower than for mere ozonation and the other ozone/peroxide treatments. The overall TOC removals were obtained in the range of 30-40% for ozonation (in the absence of peroxide; 36%), O3/PS (38%), and O3/PC (31%), whereas the overall percent relative TOC removal decreased to 18% for O3/PAA due to its higher initial organic carbon content. Ozone absorption rates measured for different treatment processes indicated that in the presence of PS and PAA, ozone absorption increased from 49% (ozonation only) to 55% and 59%, respectively. For O3/PC on the other hand, no increase but a decrease in ozone absorption rates to 41% was evident, speculatively due to a different oxidation pathway than the other two ozone combinations. Ozone absorption indicates enhanced ozone decomposition to less stable, free radicals as was expected for PS-and PAA-assisted ozonation. . According to the results, there is an inverse relationship between ozone absorption rates (ozone decomposition) and dissolved, molecular ozone concentrations. The biodegradability of the original and ozonated samples was also measured by using BOD7 tests and acclimated, activated sludge from a local textile wastewater treatment plant. The BOD7 values of the original and treated RR21 dyebath effluent samples were determined as 2.5, 4.6, 3.9, 5.8, and 2.1 mg O2/L for the original, ozonated, O3/PS, O3/PAA, and O3/PC-treated RR21 dyebath effluent samples. These values are very low and not very meaningful for interpretation, however, it is evident that biodegradability changes of the reaction solution are minor and the degradation products are not more biodegradable than the original RR21 dyebath effluent sample. Vibrio fischeri (V. fischeri) marine photobacterium was employed as the test organism to assess changes in acute toxicity during the application of the studied ozonation processes. Percent relative inhibition rates for the original and treated (ozone feed rate = 72 mg/min; ozonation time = time of complete color removal and 40 min; peroxide concentrations = 0.00 and 1.5 mM pH = 11.0) RR21 dyebath effluent samples are studied. Acute toxicity experiments conducted with Vibrio fischeri were performed for contact times of t=15 min and t=30 min. Practically no inhibition was observed at the end of the 60th min-treatment for all O3/HP, O3/PS, O3/PAA and O3/PC processes.
Benzer Tezler
- Degradability of synthetic dyestuff by acoustic cavitation: Impacts of system conditions and physical/chemical agents
Sentetik boyar maddelerin akustik kavitasyonla indirgenmesi
GÖKÇE TEZCANLI GÜYER
Doktora
İngilizce
2003
Çevre MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiÇevre Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLSUN İNCE
- Tekstil boyar maddelerinin ileri oksidasyon yöntemleri (UV, UV/H2O2, UV/ozon,UV/H2H2-ozon) ile muamele edilmesi
Treatment of textile dyes by advanced oxidation processes (UV,UV/H2O2,UV/ozone,UV/H2O2-ozone)
SERPİL AKTÜRK ÇAKIR
- Bir oktilfenol polietoksilatın persülfat ile aktive edilmiş sıfır değerlikli demir nanopartikülleri ile ileri oksidasyonu ve toksik etkisindeki değişim
Advanced oxidation of an octylphenol polyethoxylate with persulfate activated zero valent iron nanoparticles and changes in its toxic effect
KÜBRA TEMİZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İDİL ARSLAN ALATON