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Wastewater Treatment Technology – AOP - Cinkarna Celje PDF

12 Pages·2013·0.82 MB·English
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Wastewater Treatment Technology – AOP Table of Contents  Cinkarna Celje and green technologies...................................................................................................4  Ultrafine titanium dioxide as water treatment catalyst..........................................................................4  Magnetic photocatalyst (MP)..................................................................................................................5  The efficiency of the MP in comparison to other photocatalysts...........................................................5  Wastewater treatment technology using MPs.......................................................................................6  Wastewater treatment.......................................................................................................................6  Retrieving and re‐using MPs...............................................................................................................6  Development approach to the custom‐made solution for the user...................................................6  MP technology advantages in comparison to other AOP technologies.............................................7  MP technology limitations..................................................................................................................8  General information concerning photocatalysis – MP energy source....................................................8  AOP globally – overview..........................................................................................................................9  Existing AOP technologies.....................................................................................................................10  References.............................................................................................................................................10  33 Cinkarna Celje and green technologies   Ultrafine titanium dioxide as water treatment catalyst  Ultrafine TiO  produced by Cinkarna Celje (CCA 100 AS, CCA 100 BS and 200 BS) has photocatalytic  2 features, which is characteristic of titanium dioxide nano particles. This characteristic is used in  wastewater treatment because, in order to work, the method only needs ultrafine TiO  and UV light.  2 This method is classified among the more advanced oxidation treatment techniques (AOP –  Advanced Oxidation Processes).     AOP treatment methods are used globally, mainly in order to remove small amounts of health  hazardous pollutants, some of which are even toxic for municipal treatment plants (e.g. hormone  disruptors, pesticides, etc.) and thus need to be treated using other methods before they are  released into municipal waters. This method is also useful for the pre‐treatment of certain types of  polluted waters where complex molecules are broken up into smaller and less hazardous ones,  making water more biologically degradable.    Advanced oxidation processes are being used for the treatment of industrial wastewater more often  than ever. Ultrafine TiO  is characterized by non‐selective removal of a wide range of pollutants. In  2 cooperation with universities (the University of  Ljubljana, Maribor and Nova Gorica), institutes (Jožef  Štefan Institute, Institute of Chemistry), and healthcare organizations, we monitored the efficiency  and selectivity of our material using some of the most advanced techniques, which gives us a better  overview over the treatment process efficiency.     Among all of the advantages of wastewater treatment using titanium dioxide nano particles, the  main issue is removing them from water once the treatment process is concluded. In order to  achieve the maximum efficiency of the material, the particles need to be suspended in polluted  water, in contrast to some products, in which the catalyst layer is applied on solid carriers (smaller  specific surface of the active material in comparison to suspended particles).    Our company has developed a treatment technology using a composite catalyst with titanium  dioxide nano particles bound to magnetic nano particles. The advantage that our solution has over  other competing products on the market is the technology of material separation from treated  water, which only takes place if an external magnetic field is present (without using additional  energy), enabling the removal of the catalyst after water treatment (recycling). At the same time, the  material keeps its large specific surface due to the suspended catalyst particles.    The most common areas of application [1]:     textile wastewater,   food industry wastewater,   pharmaceutical wastewater,   ballast water (disinfection – environmental requirements),   closed‐loop water (microorganism removal, cooling water conditioning).     4 MMaaggnneettiicc  pphhoottooccaattaallyysstt  ((MMPP))   BByy  ddeevveellooppiinngg  oouurr  oowwnn  pprroodduucctt,,  wwee  ccoommbbiinneedd  nnuummeerroouuss  ppoossiittiivvee  ffeeaattuurreess  ooff  tthhee  mmeetthhooddss  tthhaatt  wweerree   Mlliissttaeeddg  aanbbeoovvteen  iinni   oofrroddteerro  ttkoo  abbeetnnaeelffiiittz  tthhaeet  mmoaarxx ii(mmMuummF  ee)ff ffiicciieennccyy  aanndd  ssiimmpplliicciittyy  ooff  wwaasstteewwaatteerr  ttrreeaattmmeenntt..  AA   mmaaggnneettiicc  pphhoottooccaattaallyysstt  ((MMPP))  uusseess  tthhee  pphhoottooccaattaallyyttiicc  pprrooppeerrttiieess  ooff  ttiittaanniiuumm  ddiiooxxiiddee  ttoo  ddiissiinntteeggrraattee   Z razvojem lastnega produkta smo združili več pozitivnih lastnosti zgoraj naštetih metod v prid čim večji  ppoolllluuttaannttss  aanndd  tthhee  mmaaggnneettiicc  pprrooppeerrttiieess  ooff  tthhee  ccaarrrriieerr  ttoo  rreeccyyccllee  mmaatteerriiaall..  TThhee  uullttrraaffiinnee  ttiittaanniiuumm   uddčiiioonxxkiioddveei,,t  oCCsCCtAAi   11in00 00e  AAnSSo,,s  wwtahhviinccohhs  iitssi   uu sseečiddš  čffeoonrr  jppa rreeoppnaaerrsiinnngga  žttehhneei  hmm aavggonndee. ttiiMcc  ppahhgnooettootncciaa ttfaaollyytossttk  a((MMtaPPliz)),,a  iitsso  aCr lisn(okM aCFri)nn aki azCkrenolarjei š’čsa   foCowetolnjke ap’str aoolidwtuinčcn pte.r   oladsutcnto. s ti titanovega dioksida za razgradnjo onesnažil ter magnetne lastnosti nosilca za  r ecikliranje materiala. Za pripravo magnetnega fotokatalizatorja uporabljamo lasten ultrafini titanov  dioksid, tip CCA 100 AS.  The efficiency of the MP in comparison to other  The efficiency of the MP in comparison to other photocatalysts  photocatalysts  Učinkovitost MF v primerjavi z drugimi fotokatalizatorji      AAtt  CCiinnkkaarrnnaa  CCeelljjee,,  wwee  hhaavvee  bbeeeenn  uussiinngg  oouurr  oowwnn  mmeetthhoodd  ffoorr  ddeeccoommppoossiinngg  ffoorrmmiicc  aacciidd  iinn  oorrddeerr  ttoo   Zddaee ttdeeorrmmločiinneeev  attnhhjeee   eefffoffiitccoiieekanntccayyl  iootsffk  ttehh eeu  ppčihhnookttooovccitaaottsaatlliyy ssuttp..  oTTrhhaeeb  ddljaiiaamggrroaa mmv   bbCeeinllookawwr  nssihh ooCwwelssje  tt hhineet  eeeffrffniiccoii eemnncceyyt  ooodff  ovv aarrraiioozguurssa  dnje  ssaammpplleess  ((MMPP,,  tthhee  ssuussppeennssiioonn,,  aanndd  tthhee  ddeeppoossiittss  oonn  tthhee  ggllaassss  ooff  oouurr  pprroodduuccttss  aanndd  ccoommppeettiinngg  pprroodduuccttss))   mravljinčne kisline. Na spodnjem grafu so prikazane učinkovitosti različnih vzorcev (MF, suspenzije in  aass  tthhee  cchhaannggee  ooff  tthhee  ccoonnvveerrssiioonn  iinn  aa  cceerrttaaiinn  ttiimmee  ppeerriioodd..   nanosi na steklu lastnih ter konkurenčnih proizvodov) kot sprememba konverzije v časovni enoti.     PhotPohcoatotacalytatliycti Hc CHOCOOOHH d deeggrraaddaatitioonn Photocatalytic HCOOH degradation 1 CCA 100 AS 0,8 CCA 200 BS 0,6 [H]/[Ho] MF CC 2.4.2013 0,4 Competing sample 0,2 in a CCsuoospmmenppseeiottiinnngg ssaammppllee iinn aa ssuussppeennssiioonn CCA 100 AS on plates 0 CCCCAA 110000 AASS oonn 0 2 4 6 Compppllaaetttieenssg sample on plates Time CCoommppeettiinngg ssaammppllee   TTiimmee oonn ppllaatteess Graf 1: Hitrost razgradnje vzorcev TiO  v suspenziji in na trdnih nosilcih ter MF v suspenziji.    2 DiDagiaragmra m1:  1d:e dgeragdraadtiaotnio snp sepeede odf  oTfi OTi2O s2a smapmlepsle isn  ian  sau ssupsepnesniosnio ann adn odn o sno sliodl icda crrairerries rass a ws ewlle alls a Ms MP iPn  a  Najnižjo aktivnost izkazujeta vzorca, ki sta  inns aaun ssepusesepnnesain osnniao  nt rdnih nosilcih (CCA 100 AS na ploščah in  konkurenčni  vzorec  na  ploščah).  Pri  teh  vzorcih   je  aktivna  površina  dosti  manjša,  kot  v  primeru  sTTuhhseep  elloonwwdieerassttn  aaihcc ttniivvaiinttoiieedsse  aalcrreeev  nn. ooTtteiimcceeudd   piinnri  mtthheeer  nssaaomm jepp alleeksst  ittvhhnaaotts  tww meerrneeo  aagppopp nlliiieežjdda  ,oo vnne  ntthhdeea  rss oojellii ddnj  icchaaorrvrriioee rrossd  ((sCCtCCraAAn  j11e00v00a  nAAjSSe   po  čooišnnč  eppnllaajuttee sse  aannnoddst  ttahhveen  occ.oo mmSuppseeptteiinnnggz  ippjerr oolddauustccntti  hoo nni  npp llaakttoeenssk))..u  IIrnne  ntthhčneessihee   sspaarmmoippzvlleeossd,,  ottvhh eei  zaakccattziivvueeje  ssjouu rrffpaarccieem  iiessr  mmljivuuocc hha  sskmmtivaanlllloeersr  t,  tthhaann  iinn  ssuussppeennddeedd  nnaannoo  ppaarrttiicclleess  aanndd  tthhee  aaccttiivviittyy  lleevveellss  aarree  ccoorrrreessppoonnddiinngg..  HHoowweevveerr,,  tthheeiirr  rreemmoovvaall  iiss   najhitrejšo razgradnjo mravljinčne kisline pa smo dosegli z magnetnim fotokatalizatorjem.   ssiimmppllee..  TThhee  aaccttiivviittyy  ooff  tthhee  ssuussppeennssiioonnss  ooff  oouurr  oowwnn  pprroodduuccttss  aanndd  tthhee  ccoommppeettiinngg  pprroodduuccttss  aarree    ccoommppaarraabbllee..  TThhee  ffaasstteesstt  ddeeggrraaddaattiioonn  ooff  ffoorrmmiicc  aacciidd  wwaass  aacchhiieevveedd  wwiitthh  aa  mmaaggnneettiicc  pphhoottooccaattaallyysstt..             5 Wastewater treatment technology using MPs  The treatment technology includes two main stages:    1. Wastewater treatment,  2. Retrieving and re‐using MPs.  Wastewater treatment  The catalyst, the amount of which is determined beforehand by a lab device (the concentrations tend  to range between 20 and 250 mg/L), is dispersed in the water that we wish to treat. A pump then  moves the water including the suspended MP particles through a UV reactor (see Figure 1) where the  pollutant degradation takes place. The residence time changes according to the water pollution level,  pollutant type, and required treatment level.    The residence time is determined according to the type of the water pollutant – the degradation  level is measured as the change of COD and BOD  values. In the event of more complex pollutants,  5 more complex analytical methods are applied that help us precisely determine the concentration of  the selected pollutant.  Polluted water inflow  Treatment cycle description:    1. Polluted water is put into the mixer  Mixer  reactor,  reactor  UV  reactor  2. the catalyst is added to the polluted  water,  3. the water with the catalyst circulates  through the UV reactor,  4. the treated water flows out through  Magnetic  separator  the magnetic separator,  Treated water  5. the catalyst is recycled.  outflow  Figure 1: Depiction of treatment plant operation  Retrieving and re­using MPs  The catalyst is prepared in the form of a water suspension which is added to wastewater. After the  reaction is concluded, the treated water with the MP is led through a magnetic separator (MS). The  separation is performed on the basis of magnetism and does not require an additional energy source.  After the separation process is concluded, the catalyst remains in the separator. The treated water is  pumped out of the system (Figure 2) and replaced with new wastewater that first needs to circulate  through the separator to collect the catalyst particles. The treatment and recycling stages are then  interchanged until all of the water that is brought to the system is treated.  Development approach to the custom­made solution for the user   The vision of the company is to use its own high‐tech products with the purpose of reducing harmful  substances in the environment. The development of the wastewater treatment application using a  magnetic photocatalyst requires a solution custom‐made for the buyers because the application  6 depends on the water pollutant type. There is a pilot device set up at the company which  demonstrates the treatment technology using various types of wastewater.     Table 1: The level of the degradation of industrial wastewater sample  with a magnetic                  photocatalyst.    54.21 – 23 Jan 2012  BOD5  mg/L  O2  27  COD  mg/L  O2  165  UV 0,1 TiO2 – 24 Jan 2012  BOD  mg/L  O2  <3.0 LOD#  COD  mg/L  O2  57     Optimal process parameters need to be determined for the selected wastewater: catalyst  concentration, residence time, batch/continuous operation, UV strength input, etc. Cinkarna Celje  constructed its own mobile laboratory device that enables capacity calculations. Later, this data helps  us calculate the parameters for the needs of the industrial plant (Figure 2).  Figure 2: The mobile pilot device  When determining the efficiency of the degradation of more complex pollutants, sample analyses  need to be carried out by means of chromatography in combination with a mass spectrometer. CLP  Semivolatiles Calibration Mix is used as a standard mix of pollutants that are degraded with more  difficulty.      MP technology advantages in comparison to other AOP technologies  The synthesis of innovative material made it possible for us to develop a new wastewater treatment  technology that has some key advantages over competing technologies:  7 - MP particles are dispersed in polluted water and thus have a significantly larger specific  surface in comparison with catalysts that are fixed on reactor or carrier surfaces,  - during the treatment reaction, no substances need to be added to enable the pollutant  degradation reaction,  - in order to function, the technology only uses UV energy and MPs,   - the catalyst is recycled following each treatment cycle,  - MPs cause the degradation of a wide range of organic pollutants (hormone disruptors,  pesticides, antibiotics, carbohydrates, phenols, bacteria, algae, etc.),  - MPs degrades microorganisms and not merely deactivates their reproduction,  - the catalyst is not harmful to the environment and people.     MP technology limitations  - the water pH value needs to be between 3 and 9,  - the water may not include any non‐dissolved pollutants1,  - the oxygen concentration in the water needs to be as close as possible to saturated  concentration,   - water temperature may not be higher than 45 °C,  - this technology is more suitable for lower concentration pollution, except in the case of  specific pollutants where the highest efficiency level is achieved.  General information concerning photocatalysis – MP energy  source  The term photocatalysis denotes types of reactions that take place in the presence of light and a  catalyst. Ultrafine titanium dioxide needs a UV light source for its functioning. This light then induces  the process of charge separation in material a – TiO  is a semi‐conductor that becomes charged  2 under the influence of UV light with specific energy.    The electrons and electron holes that are created due to the migration of electrons contribute to the  creation of active radicals. On the surface of the catalyst, the electrons and electron holes react with  oxygen and water molecules. The products of this reaction are hydroxyl and superoxide radicals that  trigger the degradation of pollutants in water [2].    Oxidant  Oxidation Potential (eV)  •OH  2.80  O   2.07  3 H O   1.77  2 2 Hydroperoxyl Radicals  1.70  Permanganate  1.67  Chlorine Dioxide  1.50  Chlorine   1.36  O   1.23  2   Table 2: The comparison of oxidation potential values of individual oxidants [3].  1 In the event of non‐dissolved substances, preliminary filtration is required.  8 REDUCTION  Conduction band  Electron  excitation  Photon  absorption  Valence band  OXIDATION  UV photon Figure 3: Depiction of the photocatalysis process on TiO nano particle4. 2    AOP globally – overview   The technology of advanced oxidation methods has been known in the world for approximately 20  years. Nowadays, mainly the combination of UV light and an oxidation agent is used for wastewater  treatment, and not so much any individual methods.    Photocatalysis with titanium dioxide is an AOP wastewater treatment method that requires a UV  light source for its functioning. In addition to the strength of the UV light source, the lifespan of UV  light bulbs is also very important from the technoeceonomic point of view. In practice, this lifespan is  12 to 18 months if used 24/7. Equipment costs are calculated on the basis of the amount of  wastewater and the desired effect of the degradation of the pollutant (power input).    The largest users of UV equipment are municipal treatment plants that need UV light for tertiary  treatment (systems with a flow rate of a few hundred m3/min). The MP technology is an upgrade of  the UV water treatment/preparation system that combines the removal of microorganisms and the  degradation of toxic substances which may not be degraded using standard methods or the removal  of which is not economically viable. The use of MP treatment technology also makes sense for users  who already have set‐up UV disinfection/wastewater treatment systems because it reduces the  residence time (saves energy) or increases the level of treatment, even up to 40 percent2. However,  the main advantage that the use of the MP technology has over other technologies is that the use of  MPs does not require the addition of chemicals or other substances in order to achieve the desired  treatment effect.  The largest AOP water treatment systems are currently in the USA (the removal of NDMA, 1,4‐ dioxane) where treatment costs are already approximately 0.01 EUR/m3 of wastewater [5].  2 The percentage of the increased treatment effect depends on the type of water.  9 The application for ballast water treatment is also very interesting. In the future, this application will  be required by law. There are systems on the market that provide the removal of all microorganisms  with the help of TiO  UV technology [6].  2   This application is also suitable in the field of providing drinking water. Within the projects of the  European research inititative Seventh Framework Programme, the photocatalytic removal of various  pollutants that affect the end quality of drinking water is being tested [7].  Existing AOP technologies  AOP or advanced oxidation processes consist of a dozen pollutant removal technologies, in which  hydroxyl radicals serve as the active medium. The methods are separated according to the source of  the formation of OH* radicals [8]:  - TiO2 photocatalysis,  - ozonization,   - UV disinfection,   - UV wastewater treatment,  - the application of hydrogen peroxide (H O ),  2 2 - Fenton/Photo‐Fenton reaction,  - various combinations of the above methods.  References  [1] Mohajerani M, Mehrvar M., Ein‐Mozaffari F. An overview of the integration of advanced oxidation  technologies and other processes for water and wastewater treatment. International journal of  Engineering 3, 120 (2009).    [2] Chong M. N., Jin B., Chow C., Saint C. Recent developments in photocatalytic water treatment  technology: A review. Water research 44, 2997 (2010).    [3] Sharma S., Ruparelia J.P., Patel M.L. A general review on advanced oxidation processes for waste  water treatment. International conference on current trends in technology, Nuicone (2011)    [4] http://projekti.gimvic.org/2009/2a/kataliza/fotokataliza_teorija.html  (6 June 2013).    [5] Kaneko M., Okura E. Photocatalysis Science and Technology. Springer, Japan, 2002.    [6] Matheickal J., Raaymakers S. 2nd International ballast water treatment R&D symposium.  Globallast monograph series 15 (2003).    [7] http://www.observatorynano.eu/project/ (6 June 2013).    [8] Kommineni, S. et. al. 3.0 Advanced Oxidation Processes. http://www.nwri‐ usa.org/pdfs/TTChapter3AOPs.pdf (11 June 2013).  10

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Cinkarna Celje and green technologies Ultrafine TiO2 produced by Cinkarna Celje (CCA 100 AS, CCA 100 BS and 200 BS) has photocatalytic features
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