Anvendelse af en ny generation af kompleksdannende midler til fjernelse af tungmetalioner fra forskellige affald | Jiotower

introduktion

Aminopolykulksylater (APCA) er blevet brugt siden slutningen af 1940 ‘ erne som effektive kompleksdannende midler i forskellige brancher. For eksempel kan EDTA (ethylendiamintetraeddikesyre), Nta (nitrilotrieddikesyre) og DTPA (diethylen-triaminpentaeddikesyre) blandt andet anvendes til industriel rengøring, husholdningsvaskemidler og kosmetik, i papirmasse og papir, nukleare, fotografiske, farmaceutiske, tekstil -, læder-og gummiindustrien.

ved at danne stabile komplekser med metalioner kan de mobilisere kontaminerende metalioner adsorberet i sedimenter, solubilisere radioaktive metalioner og øge deres miljømæssige mobilitet, bidrage til vand–eutrofiering, da de indeholder nitrogen, der kan være tilgængeligt for akvatiske mikrobiota og genopløse calcium-og jernphosphater, frigive fosfor og som ligand-metalkomplekser kan øge biotilgængeligheden af ekstremt farlige tungmetaller betydeligt, for eksempel cu(II) – EDTA og Cd(II) – EDTA-komplekserne er mere giftige end de respektive frie metaller. Et andet vigtigt argument for at opgive traditionelle kompleksoner er manglen på deres bionedbrydelighed. Det er blevet rapporteret, at bionedbrydeligheden af aminosyregruppekompleksdannende midler afhænger af karakteren såvel som antallet af substituenter og nitrogenatomer i molekylet. Således er tetra-(EDTA) eller penta – (DTPA) substituerede derivater med to eller flere tertiære nitrogenatomer og carboksymethylgrupper meget stabile og rapporteres kun at være fotodegraderbare som deres Fe (III) komplekser.

nye kompleksdannere, der blev introduceret i slutningen af det tyvende århundrede, er imidlertid et vigtigt alternativ til de sparsomt bionedbrydelige chelater, der hidtil hovedsageligt anvendes inden for områder som vaskemidler, moderne flydende mikroelementgødning og landbrugskemikalier. I denne gruppe bør følgende kompleksdannende midler nævnes: IDS(N-(1,2-dicarboksyethyl)-D,L-asparaginsyre (iminodisuccinsyre), DS (polyaspartic acid), EDDS (N,n’-ethylendiamindisuccinsyre), GLDA(N,N-bis (carboksylmethyl)-L-glutaminsyre) og mgda (methylglycineddikesyre). Alle disse er let bionedbrydelige, selvom bionedbrydeligheden i tilfælde af IDS eller EDD ‘ er afhænger væsentligt af den isomere form af forbindelsen (Knepper 2003; Nuack 2007).

i 1997/1998 blev iminodisuccinsyre (IDS) introduceret af Bayer AG som Baypure CKS 100 (Brochure af Baypure CKS 100; Ko Krotody Kropska 2011). Dens produktion er baseret på reaktionen af maleinsyreanhydrid med ammoniak og natriumhydroksid. Den isomere blanding af IDS består af 25%, 25% og 50% former (Cokesa et al. 2004a; Vasilev et al. 1996, 1998). Efter 7 dage blev det konstateret, at 80% af ID ‘ erne gennemgik bionedbrydning. IDS er også kendetegnet ved fremragende calciumbindende egenskaber, stabilitet over et bredt pH-område, god kompleksdannelse af tungmetalioner og lav miljøpåvirkning på grund af lav toksicitet og god bionedbrydelighed (Cokesa et al. 2004a, b).

i 2005 udviklede det polske firma ADOB i samarbejde med Bayer AG en proces til fremstilling af let bionedbrydelige chelater (IDHA-brand), der anvendes som bladspray i landbrug og havebrug, i jordanvendelser samt hydroponics og fertigation (Brochure of ADOB 2012).

EDD’er (N,N’ -ethylendiamindisuccinsyre) er en strukturel isomer af EDTA (Schovanek et al. 1997; Ko Lolitody Lolitska 2011). EDD ‘ er findes i form af fire isomerer: S,S- (25 %), R,R- (25 %) og S,R- (50 %). S, S-isomer af EDD ‘ er produceret af nogle bakterier og svampe (Nishikiori et al. 1984; Takahashi et al. 1999) er let bionedbrydeligt i modsætning til R,R – og S,R-isomerer (Takahashi et al. 1997; Luo et al. 2011). Bionedbrydning af EDDS-komplekser afhænger stærkt af typen af metal og er ikke relateret til stabilitetskonstanten af chelat-komplekset (Vandevivere et al. 2001a, b).

fra slutningen af 1990 ‘erne har mange undersøgelser undersøgt egnetheden af EDD’ er som erstatning for EDTA til mange formål, ikke kun i vaskemidler, hvor det anvendes på et lavt niveau (<1%), men også i kosmetik, papirmasse og papir, fotografiske industrier samt til rensning af forurenet jord og fytoremediering (Jones og Vilhelm 2002; Brochure af Enviomet 2009; vu et al. 2004).

GLDA (tetrasodium af n, n-bis(carboksymethyl) glutaminsyre), også kendt som Dissolvine GL-38, blev introduceret i kommerciel skala af Acsonobel Functional Chemicals (Ko Karrody Karrska 2011). Dens produktion er baseret på smagsforstærkeren mononatriumglutamat (MSG) fra fermentering af let tilgængelige majssukker (2007; 2008). GLDA er kendetegnet ved god opløselighed over en bred vifte af pH. over 60% af L-GLDA nedbrydes inden for 28 dage. Det skal nævnes, at Dissolvine GL-38 kun består af L-formen, fordi D-formen ikke er bionedbrydelig. På grund af sin termiske stabilitet anvendes GLDA i kedler vandbehandlingssystemer for at reducere effekten af hårdt vand (Brochure of Dissolvine GL-38, 2007). Siegert (2008) fandt, at den nye generation kompleksdannende midler såsom GLDA, IDS eller EDDS kan øge effekten af konserveringsmidler såsom phenoksyethanol/ethylheksylglycerin (Euksyl PE 9010). GLDA har også yderligere potentielle anvendelser i produktionen af mikronæringsstoffer gødning (Boroviec og Hoffmann 2005; Boroviec et al. 2007). De strukturelle formler af de ovennævnte kompleksdannende midler såvel som nogle traditionelle er præsenteret i Fig. 1.

The great progress observed in the field of complexing agents (Fig. 2) is the result, among others, of legislative changes. I September 2002 vedtog Europa-Kommissionen et forslag til forordning om vaskemidler og deres ingredienser såsom EDTA, ikke-bionedbrydelige overfladeaktive stoffer, alkylphenoletoksylater (APEO) eller klorbaseret blegemiddel. Derfor blev der fremsat følgende forslag til substitution: polyacrylat bør erstattes af polyaspartater (såsom Baypure DS 100), citrat med iminodisuccinat (Baypure 100) og phosphonat med iminodisuccinat (Baypure 100; miljørisikovurdering af kompleksdannere 2001).

for at fjerne tungmetalioner kan mange fysiske og kemiske metoder, herunder sådanne almindelige som kemisk udfældning, koagulation, filtrering, ionbytning, membranprocesser og adsorption, anvendes. Adsorptionsmetoder baseret på kompleksdannende midler sammen med ionbyttere giver nye udsigter til fjernelse af tungmetalioner.

for at forstå metalionfjernelsen er det vigtigt at kende metalion–ligandinteraktionerne. Kompleksationen kan betragtes som ligevægtsreaktionen mellem liganden og metalionerne:

hvor M er metalionen (e− pair acceptor), m er ladningen af M, L er liganden (e-pair donor) og n er ladningen af ligand.

i henhold til masseaktionsprincippet er aktiviteterne i M, L og ML som følger:

hvor KML er ligevægtskonstanten (også betegnet som stabilitetskonstanten). I det tilfælde, hvor pH skal tages i betragtning, kan den betingede stabilitetskonstant Kcond defineres som:

kcond er den betingede stabilitetskonstant, K er stabilitetskonstanten (lig med KML), aHL er ligandprotonationskoefficienten og aM er koefficienten for sidereaktioner, der konkurrerer med liganden for metalionerne (dannelse af metalhydroksider, effekter af buffere og dannelse af MLH-eller MLOH-arter).

det skal bemærkes, at mængden af fri Ln− stiger med den stigende pH-værdi. De enkelte trin i protonation er beskrevet af ligevægtskonstanterne K1, K2,.. , Kn og aHL kan defineres som:

mens aM kan udtrykkes som:

hvor s er den faktor, der bestemmer, om arter n eksisterer (s = 1) eller ej (s = 0), og KI og KII er ligevægtskonstanterne for dannelse af uopløselige metalhydroksider.

den betingede stabilitetskonstant giver et forhold mellem koncentrationerne af det dannede solvaterede kompleks (ML), koncentrationen af det uomsatte metal (M) og koncentrationen af det uomsatte rengøringsmiddel (L). Figur 3 viser sammenligningen af de betingede stabilitetskonstantværdier for nogle komplekser af metaller med EDTA og EDDS, IDS og GLDA. Det blev også fundet, at disse konstanter passerer for alle metalkomplekser gennem et maksimum som en funktion af pH-værdien (Treichel et al. 2011).

kun få eksempler på anvendelse af ionbytning til fjernelse af tungmetalioner og/eller chelaterende ligander og anionbyttere er blevet offentliggjort. En af de første papirer af Nelson et al. (1960) beskæftigede sig med adskillelsen af jordalkali og MN(II), Co(II), Ni(II) og nn(II) ioner i nærværelse af EDTA på Anionbytterknappen 1-tir 4 i EDTA-formen. I nogle år blev kompleksoner også brugt til bestemmelse af blandt andet Cu(II), NN(II), Cd(II), Ni(II) og Co(II) i opløsning og metallurgisk affald samt i undersøgelser af kompleksationsreaktioner og bestemmelse af stabilitetskonstanter for kompleksoner (Hering og Morel 1990).

pionerpapirerne fra Dyctsy Larski beskæftigede sig med anvendelsen af EDTA og DCTA på adskillelsen af mikromængder af sjældne jordarter (Dybtsy Larski 1964; Dybtsy og Dybtsy Larski 1968). Ikke-monotone affinitetsserier blev brugt af Hubicka og Hubicki (1992) til adskillelse af valgte par af sjældne jordarters elementkomplekser med NTA, HEDTA og IMDA i makro-mikrokomponent system. Undersøgelserne af anvendelsen af sådanne kompleksdannende midler som EDTA, Nta og citronsyre i fjernelse af tungmetalioner blev påbegyndt af Bolto, Dudsi Karska, Clifford eller Juang (Dudsinska og Clifford 1991/1992; Juang og Shiau 1998). Forfatterne viste overlegenheden af polyacrylatanionbytterne over polystyren. Desuden beviser værkerne fra Juang og kolleger, at fjernelse af Cu(II) er mulig i nærvær af EDTA og formaldehyd (Juang et al. 2005). Derudover i et papir (Juang et al. 2003) om fjernelse af co(II), Ni(II), Mn(II) og SR(II) ioner fra opløsningerne indeholdende EDTA, NTA og citronsyre blev det vist, at processen ikke kun påvirkes af pH–opløsninger, men også af typen af kompleksdannende middel og det molære kompleksdannende middel-metalionforhold. Derfor blev polyacrylanionbytterne også brugt til fjernelse af Cu (II) med IDA, NTA og EDTA (Hubicki og Jakovic 2003; Juang et al. 2006).

i dette papir præsenteres optimeringen af fjernelsen af Cu(II), CN(II), Cd(II) og Pb(II) fra vand og spildevand ved hjælp af ionbytningsmetoden og muligheden for at anvende en ny generation af biologisk nedbrydelige kompleksdannere. Til denne undersøgelse blev kompleksdannelsesmidlerne IDS, EDDS og GLDA valgt. Som anionbyttere blev Luvatit MonoPlus m 800 og Ionac SR7 valgt. Det skal også nævnes, at disse forbindelser ikke er velkendte, og at den eksisterende litteratur om emnet ikke er systematisk og normalt er forbundet med specifikke behov. Derfor er sådanne undersøgelser af stor betydning.