Abstrakt

Biotechnologie 2013: Biobasierte Wasseraufbereitungsmaterialien für industrielles Abwasser - Tiina Leiviska

Tiina Leiviska, Anni Keranen, Osmo Hormi und Juha Tanskanen

Die Verwendung von Biomaterialien in der Wasseraufbereitung war in den letzten Jahrzehnten ein Thema von besonderem Interesse. Diese natürlichen Rohstoffe sind attraktiv, da sie aus erneuerbaren und nachhaltigen Ressourcen hergestellt werden können. Als Rohstoffe können lokal verfügbare Materialien, industrielle Nebenprodukte und sogar Abfallstoffe verwendet werden. In den meisten Fällen ist eine chemische Aufbereitung dieser Rohstoffe erforderlich, um ihre Affinität gegenüber anionischen Verunreinigungen zu erhöhen. Daher ist die biologische Abbaubarkeit von Produkten nicht selbstverständlich. Wir untersuchten finnische Holz- und Baumrindenmaterialien sowie Torf als Rohstoffe beim Training von Anionenaustauschern. Die Anionenaustauscher wurden mit Epichlorhydrin, Ethylendiamin und Triethylamin in Gegenwart von N,N-Dimethylformamid synthetisiert, um starke Anionenaustauscher herzustellen, die in einem breiten pH-Bereich funktionieren. Elementaranalysen zeigten einen erheblichen Anstieg des Stickstoffgehalts nach der Aufbereitung: von 0,8–1,6 % auf durchschnittlich 9,1–9,8 %. Dies deutete auf die Anlagerung von Amingruppen an die Biomaterialien hin. Die Leistung der Austauscher wurde zuerst mit synthetischen Nitratlösungen getestet, da die Ansammlung von Nitraten im Grundwasser ein wachsendes globales Problem darstellt. Für NO3 –N wurden maximale Sorptionskapazitäten von 24–30 mg/g erreicht. Die höchste Leistung wurde mit modifiziertem Kiefernsägemehl erreicht. Wichtig ist, dass modifiziertes Kiefernsägemehl seine Ionenaustauschkapazität für fünf Ionenaustauschzyklen sowie einen Desorptionszyklus mit Natriumchlorid gut beibehielt. Die Ergebnisse des Tests legen nahe, dass nordische Lignocellulosematerialien in Anionenaustauscher umgewandelt werden können. Ebenso werden derzeit Tests dieser Materialien mit echtem Industrieabwasser durchgeführt. Die Elektrokoagulation wurde erstmals von Vik et al. 1 vorgeschlagen, die eine 1889 in London gebaute Kläranlage beschreiben, in der eine elektrochemische Behandlung durch Mischen des Haushaltsabwassers mit salzhaltigem (Meer-)Wasser durchgeführt wurde. Im Jahr 1909 erhielt JT Harries in den USA ein Patent für die Abwasserbehandlung mittels Elektrolyse unter Verwendung von Opferanoden aus Aluminium und Eisen 1. Matteson et al. 2 beschrieben den „elektronischen Koagulator“, der Aluminium von der Anode elektrochemisch in die Reaktionslösung auflöste, die mit den an der Kathode erzeugten Hydroxylionen reagierte, um Aluminiumhydroxid zu bilden. Die Hydroxide flockten und koagulierten die Schwebstoffe und reinigten so das verschmutzte Wasser. Eine ähnliche Methode wurde 1956 in Großbritannien angewendet 2, wo Eisenelektroden zur Behandlung von verschmutztem Flusswasser verwendet wurden. Danach folgten zahlreiche Wasser- und Abwassersysteme unter verschiedenen Bedingungen. In frühen Berichten wurde festgestellt, dass dies eine große Anzahl von Wasser- und Abwassersystemen war.Die Elektrokoagulationsmethode wurde angewendet, um Schwebstoffe 2, Schwermetalle 3, Erdölprodukte 4, Farbstoffe aus farbstoffhaltigen Lösungen 5, Wasserhumus 1, Fluor aus Wasser 6 und kommunales Abwasser 7 zu entfernen. In den letzten Jahrzehnten wurde die Anwendung erheblich beschleunigt, und es besteht derzeit großes Interesse an der Verwendung der Elektrokoagulation zur Behandlung einer Reihe von Abwässern, die Metalle, Nährstoffe, Olivenöl, Textilfarbstoffe, Fluor, Polymerabfälle, organische Verunreinigungen aus Deponiesickerwasser, Trübung, chemische und mechanische Polierabfälle, wässrige Suspensionen von ultrafeinen Abfällen, Nitrat, phenolische Abfälle und Arsen 8–15 sowie kommunales Abwasser 16 enthalten. In der vorliegenden Übersicht wurde bestätigt, dass die Elektrokoagulation erfolgreich zur Entfernung bestimmter komplexer Elemente (einschließlich Farbstoffe, Widerstandskraft und Toxizität) eingesetzt werden konnte, die mit herkömmlichen Behandlungsmethoden nicht erfolgreich entfernt werden können. Bisher wurde die Elektrokoagulation bei einer Vielzahl industrieller Abwässer angewendet. Dies zeigt, dass sich frühere Studien auf die Anwendung der Elektrokoagulation bei bestimmten Bedingungen und Fallstudien (Abwasseraufbereitungsanlagen und Abfallströme) konzentrierten. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass die fallbezogene Optimierung der Systeme vor Ort nur begrenzt erfolgreich war und ein besser definierter Ansatz erforderlich ist, um die Reaktionsleistung insgesamt vorherzusagen. Es wird erwartet, dass sich die Mechanismen im Laufe des Prozesses ändern, aber die vorherrschenden Mechanismen und ihre Rolle müssen noch diagnostiziert werden. Das Fehlen eines kritischen, methodischen Ansatzes auf mechanistischer Ebene wird durch den Mangel an Ähnlichkeiten in Reaktordesign und -anwendung vermittelt. Bislang wurden keine geeigneten Scale-up-Parameter definiert und die Skalen der Betriebsparameter variieren um mehrere Werte. Ein logischer, systematischer Ansatz für eine kritische Erfahrung der Elektrokoagulation fehlt augenscheinlich und erfordert daher ebenso engagierte Anstrengungen. Nur dann kann die ideale Designphase, die auf solidem klinischem und technischem Wissen basiert, auf sicherem Terrain fortgesetzt werden. Es ist offensichtlich, dass eine große Anzahl von Schlüsselmechanismen von nur wenigen Betriebsparametern abhängt. Es gibt zwar Dutzende von Studien zur Charakteroptimierung, beispielsweise für den pH-Wert, die in der heutigen Zeit durchgeführt wurden, um die Eliminierungseffizienz zu maximieren, aber diese experimentellen Fallstudien stehen häufig im Widerspruch zu anderen lokal optimierten Bedingungen. Dementsprechend muss ein Kompromiss zwischen verschiedenen konkurrierenden Faktoren bewertet werden, um eine wissenschaftliche Grundlage für weltweit verbesserte Betriebsbedingungen zu schaffen. Aus den obigen Aufzeichnungen geht auch hervor, dass die Gesamtleistung des Elektrokoagulationsverfahrens als neue Abwasserbehandlungsmöglichkeit noch nicht vollständig ermittelt wurde. Bis jetzt,Der Prozess wurde bisher nur empirisch optimiert und erfordert daher mehr grundlegendes Wissen für eine fortgeschrittene technische Konstruktion und eine umfassende Anwendung. Darüber hinaus beinhaltet der Prozess einen noch nicht vollständig untersuchten, komplexen Reaktionsmechanismus, der mit einer Vielzahl von Oberflächen- und Grenzflächenphänomenen verbunden ist, die den technischen und gestalterischen Aspekt der Elektrokoagulation einschränken. Für eine optimale Leistung und zukünftige Entwicklung bei der Anwendung dieser neuen und fortschrittlichen Technologie müssen ein besseres Reaktordesign sowie bessere Kenntnisse und eine bessere Systemkontrolle bereitgestellt werden. In dieser Überprüfung wurde besonderer Wert auf die Diskussion wichtiger Prozessparameter, Grundlagen und Reaktionsmechanismen gelegt. Es ist offensichtlich, dass diese rätselhafte Technologie aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile und des sich ändernden strategischen weltweiten Wasserbedarfs weiterhin Fortschritte im Bereich der Abwasserbehandlung erzielen wird.