Seria: IN Ż Y N IE R IA Ś R O D O W IS K A z.47 N r kol. 1537
A ndrzej T Y C Z K O W S K I1, A gnieszka S T A C H E C K A1
USUW ANIE ZWIĄZKÓW FENOLOWYCH Z ROZTWORÓW W ODNYCH Z ZASTOSOWANIEM MEMBRAN CIEKŁYCH
S treszczen ie. P raca zaw iera w yniki badań nad usuw aniem z roztw oru w odnego zw iązk ó w fen o lo w y ch m e to d ą ekstrakcji za p o m o cą m em bran ciekłych g ru b o w ar
stw ow ych w przypadku gdy m ateriał m em brany poddany je s t cyrkulacji w ym uszonej.
W części dośw iadczalnej zw rócono sz czeg ó ln ą uw agę na w pływ n atęż en ia przepływ u m em brany, któ re zm ien ian o w zakresie 0 - 0,43 cm /s. B ad an ia w y konano dla dw óch ro d zajó w zw iązk ó w fen o lo w y ch (fenol i p -nitrofenol) dla stężeń p oczątkow ych od 1 do 4 g/d m 3.
REMOVAL OF PHENOLIC COMPOUNDS FROM WATER SOLUTION BY LIQUID MEMBRANES
S u m m a ry . In this study th e experim ental results concern in g the rem oval o f p h e nols fro m aqueous solutions by extraction w ith circulating bu lk liquid m em brane.
A n exp erim en tal study w as carried out for tw o phenolic com pounds (phenol and p- ni- tro p h en o l) an d fo r the initial concentration o f solute varied from 1 to 4 g /d m 3. In p ar
ticu larity the in flu en ce o f m em brane flow velocity (from 0 to 0,43 c m3/s) on phenols rem o v al w as studied.
1. Wprowadzenie
P ro cesy realizo w an e przy w spółudziale m em bran ciekłych sta n o w ią alternatyw ę dla k o n w en cjo n aln y ch m etod w y korzystujących ekstrakcję w układzie c i e c z - c i e c z . W śród m em b ran ciek ły ch w yróżnić m ożna: m em brany grubow arstw ow e (B L M ), m em brany em u l
syjne (E L M ) [1, 2, 3], a także m em brany unieruchom ione (SL M ), których różne m odyfikacje o p isu je literatu ra przedm iotu [4],
1 P o litech n ik a Ł ódzka, W ydział Inżynierii P rocesow ej i O chrony Środow iska, ul. W ól
czań sk a 215, 90-924 Ł ódź, e-m ail: aty cz@ w ip o s.p .lodz.pl
292 A.Tyczkowski, A. Stachecka
Z asto so w an ie m em bran ciekłych (przede w szystkim unieruchom ionych i em ulsyjnych) zw iązane je s t z takim i procesam i, ja k odzyskiw anie jo n ó w m etali z roztw orów rozcień czo nych (np. m iedź, uran, chrom , kobalt, nikiel) i rozdzielanie m ieszanin niektórych zw iązków (w ęglow odory, am iny, am inokw asy, kw asy organiczne itd.). N ależy podkreślić, że istnieje także m ożliw ość w y k o rzy stan ia procesów m em branow ych w ochronie środow iska. P rzy k ła
dem tak ieg o ty p u o peracji m oże być usuw anie ze ścieków m etali, słabych kw asów i zasad, a także n iektórych zw iązk ó w organicznych, np. fenoli [2, 5 - 7].
M em b ran y grubow arstw ow e, z którym i zw iązane je s t przedstaw ione o p racow anie nie z n ajd u ją szerszego zasto so w an ia praktycznego, stan o w ią natom iast dobre n arzędzie do badań na skalę lab o rato ry jn ą i tym sam ym p o zw alają na ocenę przebiegu procesu rozdzielania m ie
szanin i badanie w pływ u różnych p aram etrów ruchow ych na p rzebieg tegoż procesu. W ra
m ach niniejszej pracy zajm ow ano się badaniam i procesu ekstrakcji z roztw oru w odnego dw óch rodzajów zw iązk ó w fenolow ych (fenol i p- nitrofenol), stanow iących popularne za
n ieczy szczen ia w ód odpadow ych, w ykorzystując technikę m em bran grubow arstw ow ych.
P orów nano w yniki o trzym ane dla różnych p aram etrów procesu, tzn. dla różnych w artości stężen ia p oczątkow ego usuw anych zw iązków i zm iennego n atężenia objętościow ego p rze
pływ u m em brany, które je s t istotnym param etrem w zaproponow anym układzie dośw iad
czalnym .
2. Część doświadczalna
2.1. Z a k res badań
P rzedm iotem badań było usuw anie (ekstrakcja) fenolu i p- nitrofenolu z roztw oru w odne
go m eto d ą m em bran grubow arstw ow ych. Jako m ateriał m em brany w ykorzystano naftę ośw ietleniow ą.
S tężenie p oczątkow e obydw u usuw anych zw iązków zm ieniało się w zakresie od 1,0 do 4 ,0 g /d m 3. B adano w pływ objętościow ego n atężenia przepływ u m em brany na efektyw ność procesu zm ieniając to natężenie w granicach od 0 do 0,43 cm3/s.
2.2. A p a ra tu ra i m etod yk a p om iarow a
3
R ys. 1. S chem at ap aratu ry d ośw iadczalnej. D -faza donorow a, A -faza akceptorow a, M -m em brana
Fig. 1. E x p erim en tal set-up o f the laboratory equipm ent.
D -d o n o r phase, A -accep to r phase, M -m em brane
W skład stan o w isk a d o św iad czaln eg o (rys. 1) w chodziły dw ie zlew ki o pojem ności 200 ml każda. Z lew k a 1 zaw ierała 200 m l roztw oru w odnego zw iązku feno lo w eg o (faza do
n orow a), w zlew ce 2 zn ajd o w ała się faza ak ceptorow a ( 2 0 0 ml roztw oru w odnego w odoro
tlenku so d o w eg o o stężen iu 0,1 M ). M em b ran a w ilości 200 ml cy rk u lo w ała zgodnie z p rzed staw ionym schem atem ; cy rk u lacja w ym uszona b y ła za p o m o cą pom pki p erystaltycznej 3. W czasie po m iaró w fazy do n o ro w a i akceptorow a poddaw ane były m ieszaniu m echanicznem u przy użyciu m ie sz a d e ł elektrom agnetycznych. D la każdej kom binacji param etrów ruchow ych (stężenie początk o w e roztw oru i n atężen ie przepływ u m em brany) badano zm ian y stężen ia w czasie d la faz donorow ej i akceptorow ej. O ceny stężen ia dokonyw ano p o bierając w określo
nych o d stęp ach czasu próbki ro ztw orów w ilości 1 ml. P om iary stężen ia w yko n y w an e były przy zasto so w an iu spektrofotom etru L A M B D A 11 firm y P erkin E lm er. D la fenolu pom iary prow adzono przy długości fali 210 nm , natom iast dla p-nitrofenolu p rzy 318 nm . O ceny stę
żenia d o konyw ano w y k o rzy stu jąc krzyw e w zorcow e sporządzone dla roztw orów fenolu i p- nitro fen o lu . W nin iejszy m opracow aniu interpretacji poddano zm iany stężen ia zw iązków w fazie donorow ej.
3. Wyniki i interpretacja
B ezp o śred n ie w yniki badań podano w form ie w ykresów funkcji C = f(i), gdzie C o zn acza stężen ie ch w ilo w e w fazie donorow ej, natom iast t je s t czasem p rzebiegu procesu. P rzy k ła
294 A.Tyczkowski, A. Stachecka
dow e w yniki zestaw io n e s ą na rysunku 2 i 3, na których przedstaw iono p rzeb ieg procesu przy różnych n atęż en iach przepływ u dla fenolu i p-nitrofenolu dla stężen ia obydw u zw iązków w roztw orze w odnym Co= 1 g/dm 3.
1.21
1 T
" E 0 .8 -
5 0.6 - 0 5
“o 0 4 - 0.2- 0 -
0
T[h]
R ys. 2. W ykresy funkcji C = f (x) dla fenolu Fig. 2. D iagram C = f (x ) fo r phenol
♦ iFO.OEilcrrfWs]
■u=0,14[cm\3/s]
& u=0,24 [crr/Ws]
Xu=0,43[crró3/s]
♦ u= 0 ,0 9 [crrfW s]
■ u = 0 ,1 4 [crrfW s]
4 u= 0 ,2 4 [cm^S/s]
X u= 0 ,4 3 [c rń W s]
0 0 .5 1 1 .5 2 2 .5 3 3 .5 4 4 .5 5 5 .5 6 6 .5 7 7 .5
T[h]
Rys. 3. W ykresy funkcji C = f (t) dla p- nitrofenolu Fig. 3. D iagram C = f (t) for p - nitrophenol
P o ró w n u jąc w yniki p rzedstaw ione na rysunkach 2 i 3 o raz w yniki otrzym ane dla innych w artości stężen ia p oczątkow ego m ożna w stępnie w nioskow ać, że w przypadku fenolu proces transportu p rzeb ieg a z w ię k sz ą szybkością, a ponadto dla fenolu o bserw uje się w iększy w pływ n atęż en ia przepływ u m em brany.
D o konano ró w n ież próby interpretacji otrzym anych w yników w form ie spadku stężenia w zględnego w fazie donorow ej w funkcji czasu. Rysunki 4 i 5 p rzed staw iają w yniki otrzy
m ane d la fenolu przy stężen iach początkow ych 1,0 i 4,0 g/d m3 dla różnych natężeń przepły
w u m em brany.
♦ u = 0 ,0 9 [cm A3/s]
■ u = 0 ,1 4 [cm A3/s]
T(h]
Rys. 4. W ykresy funkcji C/Co= f ( t ) dla Co= 1 g /d m3
Fig. 4. D iag ram C/Co= f (x ) fo r Co= 1 g/dm3
♦ u=0,09 [crrr^Ws]
t[h ]
R ys. 5. W ykresy funkcji C/Co= f (x ) dla Co= 4 g /d m3
Fig. 5. D iag ram C/Co= f (T ) for Co= 4 g /d m3
Z p o ró w n an ia przedstaw ionych w yników , a także z w yników otrzym anych w ram ach in
nych serii po m iaro w y ch w ynika, że dla m niejszych w artości stężen ia p oczątkow ego o b ser
w u je się w ięk szy w pływ n atęż en ia p rzepływ u m em brany.
O trzy m an e w nioski m a ją charakter ja k o ścio w y , w celu ich u ściślen ia o bliczano strum ień m asy su b stan cji dyfundującej do m ateriału m em brany (Jm) dla różnych p aram etró w procesu.
W tym celu o b liczan o c h w ilo w ą zaw artość usuw anego zw iązku w fazie donorow ej o d p o w ia
d a ją c ą o d p o w ied n iem u czasow i, a n astęp n ie z różnicy m ięd zy z aw arto ścią p o c z ą tk o w ą a za
w a rto śc ią c h w ilo w ą otrzym ano ilość substancji, która p rzedyfundow ała do m em brany (m ).
S p o rząd zo n o n astęp n ie w ykresy funkcji m = f(x).
A p ro k sy m u jąc o trzym ane w ykresy do linii prostych i przyjm ując, że dla T= 0 m = 0 o b li
czan o stru m ień m asy substancji dyfundującej do m em brany, który o d p o w iad a w sp ó łczy n n i
296 A.Tyczkowski, A. Stachecka
kom kierunkow ym . O b liczen ia w ykonano dla obydw u układów d o św iadczalnych i zestaw io
no w fo rm ie w ykresu (rys. 6).
P rzed staw ia on w pływ n atężen ia przepływ u m em brany w badanym układzie dośw iad
czalnym na strum ień m asy substancji dyfundującej do m em brany, w przypadku obydw u ro z
p u szczo n y ch zw iązków .
u [cmA3/s]
R ys.6. W ykresy funkcji Jm= f (u) d la fenolu i p-nitrofenolu Fig. 6. D iag ram J m= f(u) for phenol and p-nitrophenol
4. Wnioski
P o ró w n an ie obliczonych w artości strum ienia m asy dla różnych param etrów procesu po
tw ierd za p rzew id y w an ą praw idłow ość, a m ianow icie szybkość procesu usuw ania rozpusz
czonego zw iązk u przy zastosow aniu zaproponow anego układu d o św iadczalnego je s t w iększa w p rzypadku fenolu n iż dla p- nitrofenolu. F akt ten je s t k o n sek w en cją w iększej szybkości dyfuzji fenolu do m ateriału m em brany. Ponadto stw ierdzono, że w pływ n atężen ia przepływ u m em brany na p rzeb ieg procesu je s t w iększy w przypadku fenolu oraz rośnie ze zm n iejsza
niem się stężen ia p oczątkow ego każdego ze zw iązków .
L iteratu ra
1. B artsch R .A ., W ay J.D.: C hem ical separation with liquid m em branes. A m erican Chem ical Society, W ashington 1996.
2. G aw roński R.: M em brany ciekłe - pertrakcja, m ateriały konferencji: „M em brany i techniki m em branow e w inżynierii środow iska” , G liw ice 2001.
3. K w apiński W .: R uch m asy w ciekłych m em branach ze skrzyżow anym i strum ieniam i cie
czy, praca doktorska, Politechnika Ł ódzka 2001.
4. Y ang X.J. i w spółpracow nicy: C om parison o f liquid m em brane processes for m etal separa
tions, m ateriały konferencji: C H E M E C A 99, N ew castle, A ustralia 1999.
5. B odzek M ., B ohdziew icz J., K onieczny K.: T echniki m em branow e w ochronie środow iska, Politechnika Śląska, G liw ice 1997.
6. K am iński W ., K w apiński W.: A pplicability o f liquid m em branes in environm ental protec
tion, Polish Journal o f Environm ental studies 9, (1), 37, 2001.
7. R am irez J.D ., G aw roński R.: Z astosow anie oleju syntetycznego ja k o em ulsyjnej m em brany ciekłej, m ateriały III K onferencji N aukow ej: „ M em brany i procesy m em branow e w ochro
nie środow iska” , Szczyrk 1999.
A b stract
T h e purp o se o f th is study w as to investigate the rem oval from aqueous solutions o f p h e nol c o m p o u n d s (phenol an d p - nitrophenol) by extraction using liq u id m em brane. A n e x p erim en tal study w as carried out in a laboratory eq u ip m en t consisted o f tw o glass vessels and o f th e perilstatic pum p. In one vessel th e donor p h ase (200 ml o f phenol w ater solution) w as placed, second vessel co n tain ed the accep to r p h ase (200 ml o f 0,1 M w ater solution o f N aO H ).
T h e m em b ran e b ein g u p p er organic p h ase in each vessel (200 m l o f k erosene) w as circu lating by p erilstatic pum p. T h e concentration o f phenolic com pounds in w ater w as d eter
m ined by spectrophotom etry.
E x p erim en ts w ere p erform ed for d ifferen t operating p aram eters (an initial phenols c o n centration from 1,0 to 4,0 g /d m3 and m em brane volum etric flow velocity from 0 to 0,43 c m3/s).
D ire c t exp erim en tal results w ere presen ted in the form o f kinetic cu rv es (concentration in the d o n o r p h ase as a function o f tim e). O n the basis o f th ese results th e flux o f solute fo r all m easu rem en ts in d ifferen t operation p aram eters w as calculated.
T h e h ig h er rate o f extraction w as confirm ed in the case o f phenol. B esid es an in flu en ce o f k ind o f so lu te an d o f an initial concentration on flux w as discussed. A n effect o f m em brane flow velo city on solute flux w as also presented.
