Tillämpning av en ny generation komplexbildare vid avlägsnande av tungmetalljoner från olika avfall | Jiotower

introduktion

Aminopolykarboxylater (APCA) har använts sedan slutet av 1940-talet som effektiva komplexbildare i olika branscher. Till exempel EDTA (etylendiamintetraättiksyra), NTA (nitrilotriättiksyra) och DTPA (dietylen-triaminepentaättiksyra) kan bland annat användas i industriell rengöring, hushållsrengöringsmedel och kosmetika, i Massa-och pappers -, kärn -, fotografiska, läkemedels -, textil -, läder-och gummiindustrin.

genom att bilda stabila komplex med metalljoner kan de mobilisera förorenande metalljoner adsorberade i sediment, solubilisera radioaktiva metalljoner och öka deras miljörörlighet, bidra till vattenutrofiering eftersom de innehåller kväve som kan vara tillgängligt för vattenmikrobiota och återupplösa kalcium–och järnfosfater, frigöra fosfor och eftersom ligandmetallkomplex kan öka biotillgängligheten för extremt farliga tungmetaller avsevärt, till exempel cu(II)-EDTA och Cd(II)-EDTA-komplexen är giftigare än respektive fria metaller. Ett annat viktigt argument för att överge traditionella komplex är bristen på deras biologiska nedbrytbarhet. Det har rapporterats att den biologiska nedbrytbarheten hos aminopolykarboxylgruppskomplexbildande medel beror på karaktären såväl som antalet substituenter och kväveatomer i molekylen. Således är Tetra-(EDTA) eller penta – (DTPA) substituerade derivat med två eller flera tertiära kväveatomer och karboximetylgrupper mycket stabila och rapporteras vara fotodegraderbara endast som deras Fe (III) – komplex.

nya komplexbildare som infördes i slutet av det tjugonde århundradet är emellertid ett viktigt alternativ för de sparsamt biologiskt nedbrytbara kelater som hittills använts främst inom områden som tvättmedel, moderna flytande mikroelementsgödselmedel och jordbrukskemikalier. I denna grupp bör följande komplexbildare nämnas: IDS(N-(1,2-dikarboxietyl)-D,L-asparaginsyra (iminodisuccinsyra), DS (polyaspartiksyra), EDDS (N,N’-etylendiamindisuccinsyra), GLDA(N,N-bis (karboxylmetyl)-L-glutaminsyra) och MGDA (metylglycindiättiksyra). Alla dessa är lätt biologiskt nedbrytbara, men i fallet med IDS eller EDDS beror den biologiska nedbrytbarheten avsevärt på föreningens isomera form (Knepper 2003; Nowack 2007).

i 1997/1998 introducerades Iminodisuccinic acid (IDS) av Bayer AG (nu Lanxess) som Baypure CX 100 (broschyr av Baypure CX 100; Ko exceptional 2011). Dess produktion är baserad på reaktionen av maleinsyraanhydrid med ammoniak och natriumhydroxid. Den isomera blandningen av IDS består av 25 % , 25% och 50% former (Cokesa et al. 2004A; Vasilev et al. 1996, 1998). Efter 7 dagar fann man att 80 % av IDS genomgick biologisk nedbrytning. IDS kännetecknas också av utmärkta kalciumbindande egenskaper, stabilitet över ett brett pH-område, god komplexbildning av tungmetalljoner och låg miljöpåverkan på grund av låg toxicitet och god biologisk nedbrytbarhet (Cokesa et al. 2004a, b).

under 2005 utvecklade det polska företaget ADOB i samarbete med Bayer AG en process för att producera lätt biologiskt nedbrytbara kelater (IDHA-brand) som appliceras som bladsprayer inom jordbruk och trädgårdsodling, i markapplikationer samt hydroponics och fertigation (broschyr av ADOB 2012).

EDDS (N,N’-etylendiamindisuccinsyra) är en strukturell isomer av EDTA (Schowanek et al. 1997; Ko 2011). EDDS finns i form av fyra isomerer: S,S- (25 %), R,R- (25 %) och S,R- (50 %). S, S-isomer av EDDS som produceras av vissa bakterier och svampar (Nishikiori et al. 1984; Takahashi et al. 1999) är lätt biologiskt nedbrytbart, i motsats till R,R – och S,R-isomerer (Takahashi et al. 1997; Luo et al. 2011). Biologisk nedbrytning av EDDS-komplex beror starkt på typen av metall och är inte relaterad till kelatkomplexets stabilitetskonstant (Vandevivere et al. 2001a, b).

från slutet av 1990-talet har många undersökningar undersökt EDDS lämplighet som ersättning för EDTA för många ändamål, inte bara i tvättmedel där det används på en låg nivå (<1 %) men också inom kosmetika, massa och papper, fotografiska industrier samt vid rening av förorenade jordar och fytoremediering (Jones och Williams 2002; broschyr av Enviomet Millenium 2009; Wu et al. 2004).

GLDA (tetrasodium av N, N-bis (karboximetyl) glutaminsyra) även känd som Dissolvine GL-38 introducerades i kommersiell skala av AkzoNobel Functional Chemicals (Ko exceptional 2011). Dess produktion är baserad på smakförstärkaren mononatriumglutamat (MSG) från jäsning av lättillgängliga majssocker (Seetz 2007; Seetz och Stanitzek 2008). GLDA kännetecknas av god löslighet över ett brett pH-område. över 60% av L-GLDA försämras inom 28 dagar. Det bör nämnas att Dissolvine GL – 38 endast består av L-formen eftersom D-formen inte är biologiskt nedbrytbar. På grund av sin termiska stabilitet, GLDA används i pannor vattenreningssystem för att minska effekten av hårt vatten (broschyr av Dissolvine GL-38, 2007). Siegert (2008) fann att den nya generationens komplexbildare som GLDA, IDS eller EDDS kan öka effekten av konserveringsmedel som fenoxietanol/etylhexylglycerin (Euxyl PE 9010). GLDA har också ytterligare potentiella användningsområden vid produktion av mikronäringsgödselmedel (Borowiec och Hoffmann 2005; Borowiec et al. 2007). De strukturella formlerna av ovanstående komplexbildande medel såväl som vissa traditionella presenteras 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 antog Europeiska kommissionen ett förordningsförslag för tvättmedel och deras ingredienser som EDTA, icke-biologiskt nedbrytbara ytaktiva ämnen, alkylfenoletoxylater (APEO) eller klorbaserad blekmedel. Därför gjordes följande förslag till substitution: polyakrylat bör ersättas med polyaspartater (såsom Baypure DS 100), citrat med Iminodisuccinat (Baypure CX 100) och fosfonat med Iminodisuccinat (Baypure CX 100; Environmental Risk Assessment of Complexing Agents 2001).

för att avlägsna tungmetalljoner kan många fysikaliska och kemiska metoder inklusive sådana vanliga som kemisk utfällning, koagulering, filtrering, jonbyte, membranprocesser och adsorption appliceras. Adsorptionsmetoder baserade på komplexbildare tillsammans med jonbytare ger nya möjligheter för avlägsnande av tungmetalljoner.

för att förstå metalljonavlägsnandet är det viktigt att känna till metalljon–ligandinteraktionerna. Komplexationen kan betraktas som jämviktsreaktionen mellan liganden och metalljonerna:

där M är metalljonen (e− paracceptor), m är laddningen av M, L är liganden (e-pardonator) och n är laddningen av ligand.

enligt principen om massverkan är aktiviteterna för M, L och ML följande:

där KML är jämviktskonstanten (även betecknad som stabilitetskonstanten). I det fall då pH bör beaktas kan den villkorliga stabilitetskonstanten Kcond definieras som:

var Kcond är den villkorliga stabilitetskonstanten, K är stabilitetskonstanten (lika med KML), aHL är koefficienten för ligandprotonation och aM är koefficienten för sidreaktioner som konkurrerar med liganden för metalljoner (bildning av metallhydroxider, effekter av buffertar och formning av MLH-eller MLOH-arter).

det bör påpekas att mängden fri Ln− ökar med det ökande pH-värdet. De enda stegen i protonation beskrivs av jämviktskonstanterna K1, K2,.. , Kn och aHL kan definieras som:

medan aM kan uttryckas som:

där s är den faktor som bestämmer om art n existerar (s = 1) eller inte (s = 0) och KI och KII är jämviktskonstanterna för bildning av olösliga metallhydroxider.

den villkorliga stabilitetskonstanten ger ett samband mellan koncentrationerna av det bildade solvaterade komplexet (ML), koncentrationen av den oreagerade metallen (M) och koncentrationen av det oreagerade rengöringsmedlet (L). Figur 3 visar jämförelsen av de villkorliga stabilitetskonstanterna för vissa komplex av metaller med EDTA och EDDS, IDS och GLDA. Det konstaterades också att dessa konstanter passerar för alla metallkomplex genom ett maximum som en funktion av pH-värdet (Treichel et al. 2011).

endast ett fåtal exempel på tillämpningen av jonbyte för avlägsnande av tungmetalljoner och/eller kelaterande ligander och anjonbytare har publicerats. En av de första tidningarna av Nelson et al. (1960) behandlade separationen av jordalkaliska jordartsmetaller och mn(II), Co(II), ni(II) och Zn (II) joner i närvaro av EDTA på anjonbytaren Dowex 1 2CB 4 i EDTA-formen. Under några år användes komplexoner också för bestämning av bland annat Cu(II), Zn(II), Cd(II), Ni(II) och Co (II) i lösning och metallurgiskt avfall samt i studier av komplexreaktioner och bestämning av stabilitetskonstanter av komplex (Hering och Morel 1990).

Pioneer papers av Dyczy Uracli behandlade tillämpningen av EDTA och DCTA på separationen av mikrokvantiteter av sällsynta jordartsmetaller (Dybczy Uruguayski 1964; W U. D. Kiewicz och Dybczy Uruguayski 1968). Icke-monotoniska affinitetsserier användes av Hubicka och Hubicki (1992) för separation av utvalda par av sällsynta jordartsmetaller komplex med NTA, HEDTA och IMDA i Makro-mikrokomponentsystemet. Studierna av tillämpningen av sådana komplexbildande medel som EDTA, NTA och citronsyra vid avlägsnande av tungmetalljoner påbörjades av Bolto, Dudzi Kazakska, Clifford eller Juang (Dudzinska och Clifford 1991/1992; Juang och Shiau 1998). Författarna visade överlägsenheten hos polyakrylatanjonbytarna över polystyren. Dessutom bevisar juangs och medarbetares verk att cu (II) avlägsnande är möjligt i närvaro av EDTA och formaldehyd (Juang et al. 2005). Dessutom, i ett papper (Juang et al. 2003) vid avlägsnande av co(II), Ni(II), Mn(II) och Sr (II) joner från lösningarna innehållande EDTA, NTA och citronsyra visades att processen påverkas inte bara av pH–lösningar utan också av typen av komplexbildare och det molära komplexbildningsmedlet-metalljonförhållandet. Därför användes polyakrylanjonbytarna också för avlägsnande av Cu (II) med IDA, NTA och EDTA (Hubicki och Jakowicz 2003; Juang et al. 2006).

i detta dokument presenteras optimeringen av avlägsnandet av Cu(II), Zn(II), Cd(II) och Pb(II) från vatten och avloppsvatten med jonbytesmetoden och möjligheten att tillämpa en ny generation biologiskt nedbrytbara komplexbildare. För denna studie valdes komplexbildande medel IDS, EDDS och GLDA. Som anjonbytare valdes Lewatit MonoPlus M 800 och Ionac SR7. Det bör också nämnas att dessa föreningar inte är välkända och den befintliga litteraturen om ämnet inte är systematisk och är vanligtvis kopplad till specifika behov. Därför är sådana undersökningar av stor betydelse.