Toepassing van een nieuwe generatie complexvormers bij de verwijdering van zware metaalionen uit verschillende afvalstoffen | Jiotower

introductie

Aminopolycarboxylaten (APCA) worden sinds het einde van de jaren veertig gebruikt als effectieve complexvormers in verschillende bedrijfstakken. Bijvoorbeeld EDTA( ethyleendiaminetetraazijnzuur), NTA (nitrilotriazijnzuur) en DTPA (diethyleentriaminepentaazijnzuur), onder andere, kunnen worden gebruikt in industriële reiniging, huishoudelijke wasmiddelen en cosmetica, in pulp en papier, nucleaire, fotografische, farmaceutische, textiel -, leer-en rubberindustrie.

stabiele complexen vormen met metaalionen, kunnen zij in sedimenten geadsorbeerde metaalionen mobiliseren, radioactieve metaalionen oplossen en hun mobiliteit in het milieu vergroten, bijdragen tot eutrofiëring in water omdat zij stikstof bevatten die beschikbaar zou kunnen zijn voor aquatische microbiota en calcium–en ijzerfosfaten redissolve, waardoor fosfor vrijkomt en omdat ligandmetaalcomplexen de biologische beschikbaarheid van extreem gevaarlijke zware metalen aanzienlijk kunnen verhogen, bijvoorbeeld de Cu(II)-EDTA-en Cd(II) – EDTA-complexen toxischer zijn dan de respectieve vrije metalen. Een ander belangrijk argument voor het loslaten van traditionele complexonen is het gebrek aan biologische afbreekbaarheid. Er is gemeld dat de biologische afbreekbaarheid van aminopolycarbonylgroep complexvormers afhankelijk is van het karakter en het aantal substituenten en stikstofatomen in het molecuul. Tetra-(EDTA) of penta – (DTPA) gesubstitueerde derivaten met twee of meer tertiaire stikstofatomen en carboxymethylgroepen zijn dus zeer stabiel en zijn naar verluidt alleen fotodegradeerbaar als hun Fe (III) – complexen.

nieuwe complexvormers die aan het eind van de twintigste eeuw werden geïntroduceerd, vormen echter een belangrijk alternatief voor de tot nu toe met mate biologisch afbreekbare chelaten die voornamelijk worden gebruikt op gebieden als detergentia, moderne vloeibare meststoffen voor micro-elementen en landbouwchemicaliën. In deze groep moeten de volgende complexvormers worden vermeld: IDS (n – (1,2-dicarboxyethyl)-D,L-asparaginezuur (iminodisbarninezuur), DS (polyaspartinezuur), EDDS (N,N’-ethyleendiaminedisbarninezuur), GLDA (N,n-bis(carboxylmethyl)-L-glutaminezuur) en MGDA (methylglycinediazijnzuur). Al deze zijn gemakkelijk biologisch afbreekbaar, hoewel in het geval van IDS of EDDS de biologische afbreekbaarheid sterk afhankelijk is van de isomere vorm van de verbinding (Knepper 2003; Nowack 2007).In 1997/1998 werd iminodisuccinaat (IDS) geïntroduceerd door Bayer AG (nu Lanxess) als Baypure CX 100 (Brochure van Baypure CX 100; Kołodyńska 2011). De productie is gebaseerd op de reactie van maleïnezuuranhydride met ammoniak en natriumhydroxide. Het isomere mengsel van IDS bestaat uit 25 % , 25% en 50% vormen (Cokesa et al. 2004a; Vasilev et al. 1996, 1998). Na 7 dagen bleek dat 80 % van de IDS biologisch werd afgebroken. IDS wordt ook gekenmerkt door uitstekende calciumbindende eigenschappen, stabiliteit over een breed pH-bereik, goede complexatie van zware metaalionen en lage milieu-impact door lage toxiciteit en goede biologische afbreekbaarheid (Cokesa et al. 2004a, b).

in 2005 ontwikkelde het Poolse bedrijf ADOB, in samenwerking met Bayer AG, een proces voor de productie van gemakkelijk biologisch afbreekbare chelaten (Idha-brand) die worden toegepast als bladsprays in de land-en tuinbouw, in bodemtoepassingen en in hydrocultuur en fertigatie (Brochure van ADOB 2012).

EDDS (N, N ‘ – ethyleendiaminedisuccininezuur) is een structureel isomeer van EDTA (Schowanek et al. 1997; Kołodyńska 2011). EDDS bestaat in de vorm van vier isomeren: S,S- (25 %), R,R- (25 %) en S,R- (50 %). De S, S-isomeer van EDDS geproduceerd door sommige bacteriën en schimmels (Nishikiori et al. 1984; Takahashi et al. 1999) is gemakkelijk biologisch afbreekbaar, in tegenstelling tot de R, R-en S, R-isomeren (Takahashi et al. 1997; Luo et al. 2011). De biologische afbraak van EDDS-complexen hangt sterk af van het type metaal en is niet gerelateerd aan de stabiliteitsconstante van het chelaatcomplex (Vandevivere et al. 2001a, b).

vanaf het einde van de jaren negentig hebben veel onderzoeken de geschiktheid van Edd ‘ s als vervanging voor EDTA voor vele doeleinden onderzocht, niet alleen in wasmiddelen waar het op een laag niveau wordt gebruikt (<1%), maar ook in cosmetica, pulp en papier, fotografische industrieën, evenals in de zuivering van verontreinigde bodems en fytoremediatie (Jones and Williams 2002; Brochure van Enviomet™ 2009; Wu et al. 2004).

GLDA (tetranatrium van n, n-bis(carboxymethyl) glutaminezuur) ook bekend als Dissolvine GL-38 werd op commerciële schaal geïntroduceerd door AkzoNobel Functional Chemicals (Kołodyńska 2011). De productie is gebaseerd op de smaakversterker Mononatriumglutamaat (MSG) van fermentatie van gemakkelijk beschikbare maïssuikers (Seetz 2007; Seetz and Stanitzek 2008). GLDA wordt gekenmerkt door een goede oplosbaarheid over een breed bereik van pH. meer dan 60% van de l-GLDA degradeert binnen 28 dagen. Vermeld moet worden dat Dissolvine GL-38 alleen uit de L-vorm bestaat omdat de D-vorm niet biologisch afbreekbaar is. Vanwege de thermische stabiliteit wordt GLDA gebruikt in ketels waterbehandelingssystemen om het effect van hard water te verminderen (Brochure van Dissolvine GL-38, 2007). Siegert (2008) ontdekte dat de nieuwe generatie complexvormers zoals GLDA, IDS of EDDS het effect van conserveermiddelen zoals fenoxyethanol/ethylhexylglycerin (Euxyl PE 9010) kunnen versterken. GLDA heeft ook andere potentiële toepassingen in de productie van micronutriëntenmeststoffen (Borowiec and Hoffmann 2005; Borowiec et al. 2007). De structuurformules van de bovengenoemde complexvormers en enkele traditionele zijn weergegeven in Fig. 1.

The great progress observed in the field of complexing agents (Fig. 2) is the result, among others, of legislative changes. In September 2002 heeft de Europese Commissie een voorstel voor een verordening goedgekeurd voor detergentia en de ingrediënten daarvan, zoals EDTA, niet-biologisch afbreekbare oppervlakteactieve stoffen, alkylfenolethoxylaten (APEO) of bleekmiddel op basis van chloor. Daarom werden de volgende voorstellen voor vervanging gedaan: polyacrylaat moet worden vervangen door polyaspartaten (zoals Baypure DS 100), citraat door iminodisuccinaat (Baypure CX 100) en fosfonaat door iminodisuccinaat (Baypure CX 100; milieurisicobeoordeling van complexvormers 2001).

om zware metaalionen te verwijderen, kunnen veel fysische en chemische methoden worden toegepast, waaronder veelvoorkomende zoals chemische precipitatie, coagulatie, filtratie, ionenuitwisseling, membraanprocessen en adsorptie. Adsorptiemethoden op basis van complexvormers en ionenwisselaars bieden nieuwe perspectieven voor de verwijdering van zware metaalionen.

om de verwijdering van metaalionen te begrijpen, is het belangrijk om de interacties tussen metaalion en ligand te kennen. De complexatie kan worden beschouwd als de evenwichtsreactie tussen de ligand en de metaalionen:

waar M het metaalion is( e-pair acceptor), is m de lading van M, is L het ligand (e− pair donor) en is n de lading van ligand.

volgens het principe van massaproductie zijn de activiteiten van M, L en ML als volgt::

waarbij KML de evenwichtsconstante is (ook aangeduid als de stabiliteitsconstante). In het geval wanneer de pH moet rekening worden gehouden met de voorwaardelijke stabiliteit constante Kcond kan worden gedefinieerd als:

waren Kcond is de voorwaardelijke stabiliteit constante, K is de constante stabiliteit (is gelijk aan KML), aHL is de coëfficiënt van ligand protonation en ben is de coëfficiënt van de zijde reacties concurreren met het ligand voor de metaal-ionen (vorming van metalen hydroxiden, effecten van buffers en het vormen van MLH of MLOH soorten).

opgemerkt moet worden dat de hoeveelheid vrije Ln− toeneemt met de toenemende pH-waarde. De afzonderlijke stappen van protonatie worden beschreven door de evenwichtsconstanten K1, K2,.. , Kn en aHL kunnen worden gedefinieerd als:

overwegende dat aM kan worden uitgedrukt als:

waarbij s de factor is die bepaalt of soort n bestaat (s = 1) of niet (s = 0) en KI en KII de evenwichtsconstanten zijn voor de vorming van onoplosbare metaalhydroxiden.

de conditionele stabiliteitsconstante geeft een verband tussen de concentraties van het opgeloste complex gevormd (ML), de concentratie van het niet-gereageerde metaal (M) en de concentratie van het niet-gereageerde reinigingsmiddel (L). Figuur 3 toont de vergelijking van de conditionele stabiliteit constante waarden van sommige complexen van metalen met EDTA en EDDS, IDS en GLDA. Ook bleek dat deze constanten voor alle metaalcomplexen door een maximum gaan als functie van de pH-waarde (Treichel et al. 2011).

slechts enkele voorbeelden van de toepassing van ionenuitwisseling voor de verwijdering van zware metaalionen en/of chelaatvormende liganden en anionenwisselaars zijn gepubliceerd. Een van de eerste papers door Nelson et al. (1960) behandelde de scheiding van alkalische aarde en Mn(II), Co(II), Ni(II) en Zn(II) ionen in aanwezigheid van EDTA op de Anionenwisselaar Dowex 1 × 4 in de EDTA-vorm. Enkele jaren lang werden complexonen ook gebruikt voor de bepaling van onder meer Cu(II), Zn(II), Cd(II), Ni(II) en Co(II) in oplos-en metallurgisch afval, alsmede voor onderzoek naar complexatiereacties en de bepaling van stabiliteitsconstanten van complexonen (Hering en Morel 1990).De pioneer papers van Dyczyński hadden betrekking op de toepassing van EDTA en DCTA op de scheiding van microquantiteiten van zeldzame aardelementen (Dybczyński 1964; Wódkiewicz en dybczyński 1968). Niet-monotone affiniteitsreeksen werden door Hubicka en Hubicki (1992) gebruikt voor de scheiding van gekozen paren van zeldzame aardelementcomplexen met NTA, HEDTA en IMDA in het macro-microcomponentsysteem. De studies naar de toepassing van complexvormers als EDTA, NTA en citroenzuur bij de verwijdering van zware metaalionen werden gestart door Bolto, Dudzińska, Clifford of Juang (Dudzinska en Clifford 1991/1992; Juang en Shiau 1998). De auteurs toonden de superioriteit aan van de polyacrylaat anionenwisselaars boven die van polystyreen. Bovendien bewijzen de werken van Juang en medewerkers dat cu(II) verwijdering mogelijk is in aanwezigheid van EDTA en formaldehyde (Juang et al. 2005). Bovendien, in een paper (Juang et al. 2003) bij de verwijdering van Co (II), Ni(II), Mn(II) en Sr(II) ionen uit oplossingen die EDTA, NTA en citroenzuur bevatten, werd aangetoond dat het proces niet alleen wordt beïnvloed door pH–oplossingen, maar ook door het soort complexvormer en de molaire complexvormer-metaalionenverhouding. Daarom werden de polyacrylanionenwisselaars ook gebruikt voor het verwijderen van Cu(II) met IDA, NTA en EDTA (Hubicki en Jakowicz 2003).; Juang et al. 2006).

in dit document wordt de optimalisering van de verwijdering van Cu(II), Zn(II), Cd(II) en Pb(II) uit water en afvalwater met behulp van de ionenwisselingsmethode voorgesteld en wordt de mogelijkheid geboden om een nieuwe generatie biologisch afbreekbare complexvormers toe te passen. Voor deze studie werden de complexvormers IDS, EDDS en GLDA geselecteerd. Als anionenwisselaars werden Lewatit MonoPlus m 800 en Ionac SR7 gekozen. Ook dient te worden vermeld dat deze verbindingen niet goed bekend zijn en dat de bestaande literatuur over dit onderwerp niet systematisch is en meestal verband houdt met specifieke behoeften. Daarom zijn dergelijke onderzoeken van groot belang.