background image

Zakład Inżynierii Środowiska Wydział Chemii UG - Ćwiczenia Laboratoryjne  

 

 Zaawansowane metody utleniania zanieczyszczeń organicznvch 

 

Aktualizacja 14.02.2012r. 

ZAAWANSOWANE METODY UTLENIANIA  

ZANIECZYSZCZEŃ ORGANICZNYCH 

 

Konwencjonalne  metody  oczyszczania  ścieków  nie  zawsze  są  skuteczne  i  efektywne, 

szczególnie  w  przypadku  usuwania  z  nich  substancji  trudnobiodegradowalnych. 
Do substancji tych należą: pestycydy, fenole i ich pochodne, związki chlorowcoorganiczne, 
węglowodory  alifatyczne  i aromatyczne,  substancje  powierzchniowo  czynne,  barwniki 
organiczne. Wymienione związki, a także pochodne ich niepełnego utleniania, już w niskich 
stężeniach  w  odprowadzanych  ściekach  oczyszczonych,  mogą  negatywnie  wpływać  na 
barwę, smak, zapach wody oraz stanowią zagrożenie dla organizmów żywych. 

 Zaawansowane  metody  utleniania  (ang.  Advance  Oxigen  Processes  -  AOP) 

są alternatywą dla metod konwencjonalnych. 
 
 
1. Zaawansowane metody utleniania 

Czynnikiem utleniającym w AOP są wolne rodniki, a zwłaszcza rodniki hydroksylowe 

(OH

).  Rodniki  te  odznaczają  się  bardzo  wysokim  potencjałem  redoks  (2,8  V).  W  tabeli  1 

zamieszczono 

potencjały 

redoks 

wybranych 

utleniaczy. 

Rodniki 

hydroksylowe 

charakteryzują  się  szybkim  i  nieselektywnym  utlenianiem  wielu  związków  organicznych. 
Zaawansowane 

metody 

utleniania 

pozwalają 

na 

rozkład 

toksycznych 

i trudnobiodegradowalnych  zanieczyszczeń  (poprzez  produkty  pośrednie  tj.  alkohole, 
aldehydy, kwasy karboksylowe) do ditlenku węgla i wody.  
             
               Tabela 1. Potencjały redoks wybranych utleniaczy 

Utleniacz 

Potenciał 

utleniania [V] 

rodnik hydroksylowy  (OH•) 

2,80 

tlen atomowy  (O) 

2,42 

ozon w środowisku kwaśnym (O

3

/H

+

2,07 

nadtlenek wodoru  w środowisku kwaśnym  (H

2

O

2

/H

+

1,78 

jon manganianowy (VII) w środowisku kwaśnym (MnO

4

-

/H

+

1,69 

ditlenek chloru  (ClO

2

1,57 

chlor (Cl

2

1,36 

 
Zaawansowane  technologie  utleniania  obejmują  procesy  chemiczne  oraz 

fotochemiczne, które przedstawiono na rysunku 1. 

Promieniowanie  UV  jest  najczęściej  stosowane,  w  ostatnim  etapie  ciągu 

technologicznego  oczyszczania  niektórych  przemysłowych  ścieków,  do  dezynfekcji  przed 
ich  zrzutem  do  odbiornika.  Dezynfekcji  poddaje  się  np.  oczyszczane  wody  balastowe,  w 
których mogą nadal znajdować się wirusy, bakterie lub ich formy przetrwalnikowe z innych 
ekosystemów morskich.  

Promieniowanie UV powoduje również fotolizę związków organicznych oraz generuje 

ozon.  Fotolizę  wykorzystuje  się  do  utleniania  związków  aromatycznych  z  podstawnikami 
chlorowymi,  nitrowymi  i  hydroksylowymi,  jak  i  halogenowych  związków  alifatycznych, 
obecnych w wodzie.  

W  porównaniu  do  innych  metod  fotochemicznych  (np.  H

2

O

2

/UV,  H

2

O

2

/Fe

2+

/UV), 

wktórych generowane są rodniki hydroksylowe, proces fotolizy jest mało efektywny. Tylko 
w  połączeniu  z  innymi,  dodatkowo  zastosowanymi  środkami  utleniającymi,  jak  np.  H

2

O

2

zaobserwowano redukcję wartości parametru ChZT

Cr

 

background image

Zakład Inżynierii Środowiska Wydział Chemii UG - Ćwiczenia Laboratoryjne  

 

 Zaawansowane metody utleniania zanieczyszczeń organicznvch 

 

 

 
 

 

 

Rys 1. Zaawansowane metody utleniania 

 

W  zaawansowanych  metodach  utleniania  stosuje  się  różne  układy  utleniające. 

Szczególnie  interesujące  są  układy  stosujące  dwa:  O

3

/UV,  O

3

/H

2

O

2

,  H

2

O

2

/UV  lub  trzy: 

O

3

/H

2

O

2

/UV,  H

2

O

2

/Fe

2+

/UV  składniki.  Stwierdzono,  że  stosowanie  jednocześnie  kilku 

składników  przynosi  znacznie  lepsze  efekty  w  usuwaniu  zanieczyszczeń,  niż  pojedynczy 
reagent. Wskazuje to na występowanie efektu synergicznego w tym procesach.  

Skuteczność  usuwania  zanieczyszczeń  z  wody  lub  ścieków  zaawansowanymi 

metodami utleniania zależy głównie od: 

 

rodzaju  i  stężenia  związków  organicznych  ulegających  utlenianiu  oraz  związków 
organicznych  i  mineralnych,  które  stymulują  lub  hamują  powstawanie  rodników 
OH

.  Są  to  jony  Fe

2+

,  Cu

+

,  chlorki,  węglany,  wodorowęglany  oraz  związki 

organiczne np. tert-butanol, izopropanol, wielkość pH, mętność wody i ścieków;  

 

 rodzaju  i  dawek  reagentów,  stosunku  steżenia  utleniaczy  do  stężenia  utlenianych 
związków, czasu reakcji, a także długości fali i intensywności promieniowania UV; 

 

miejsca 

zastosowania 

metody 

zaawansowanego 

utleniania 

układzie 

technologicznym oczyszczania ścieków lub uzdatniania wody.  

Ze  względu  na  proste  rozwiązania  technologiczne  najpopularniejszą  metodą  jest  reakcja 

Fentona  (Fe

2+

/H

2

O

2

).  Reakcję  Fentona  i  jej  przebieg  opisano  około  100  lat  temu.  Do 

utleniania toksycznych zanieczyszczeń organicznych została ona zastosowana  w latach 60-
tych  ubiegłego  wieku.  Utlenianie  związków  organicznych  w  tej  metodzie  najefektywniej 
zachodzi przy pH=3-4.  
 

Odczynnik  Fentona  to  układ  Fe

2+

/H

2

O

2

,  w  którym  wytwarzane  są  rodniki 

hydroksylowe.  Mechanizm  reakcji  Fentona  obejmuje  wiele  etapów  i  są  to  głównie  reakcje 
rodnikowe.  W  pierwszym  etapie  następuje  rozkład  H

2

O

2

  inicjowany  i  katalizowany  przez 

Metody AOP 

Procesy fotochemiczne 

Procesy chemiczne 

Mokre utlenianie powietrzem 

(ang. Wet air oxidation – 

WAO) 

Utlenianie w warunkach 

nadkrytycznych (ang. 

Supercritical water  

oxidation – SCWO) 

Fotoliza UV 

 

Utlenianie elektrochemiczne 

Utlenianie przy pomocy 

ozonu i nadtlenku wodoru  

Reakcja Fentona 

Procesy z zastosowaniem 

UV/H

2

O

2

 

Procesy z zastosowaniem 

UV/O

3

 

Procesy z zastosowaniem 

UV/H

2

O

2

/O

3

 

Degradacja fotokatalityczna 

w wodnych zawiesinach 

półprzewodników 

Reakcja foto – Fentona 

Procesy z zastosowaniem 

ultradźwięków 

background image

Zakład Inżynierii Środowiska Wydział Chemii UG - Ćwiczenia Laboratoryjne  

 

 Zaawansowane metody utleniania zanieczyszczeń organicznvch 

 

jony  Fe

2+

  w  środowisku  kwaśnym  zgodnie  z  reakcją  1.  Jony  Fe

2+

  są  niezbędnego 

do generowania rodników hydroksylowych z nadtlenku wodoru. 
Fe

2+

 + H

2

O

2

 → Fe

3+

 + OH

-

 + OH

    

   

 

 

  

(1)          

Kolejne etapy reakcji prowadzą do odtwarzania jonów Fe

2+

 z jonów Fe

3+

 (reakcje 2-4).  

Fe

3+

 + H

2

O

2

 ↔ [Fe

3+

(HO

2

)]

2+

 + H 

 

   

 

(2) 

[Fe

3+

(HO

2

)]

2+

 → HO

2

 + Fe

2+

                                                         (3) 

Fe

3+

 + HO

2

• 

 Fe

2+

 + O

+ H

+

         

 

 

 

(4)                      

Znanych jest wiele modyfikacji metody Fentona. Modyfikacje te najczęściej polegają 

na  wprowadzeniu  do  środowiska  reakcji  jonów  Fe

3+

  zamiast  Fe

2+

  oraz  wprowadzenia 

nadmiaru H

2

O

2

 w stosunku do dawki żelaza. W układzie Fe

3+

/H

2

O

2

 odtwarzane są  Fe

2+ 

oraz 

generowane rodniki OH

 jak i inne rodniki, które biorą udział w reakcjach utleniania i redukcji 

związków  organicznych.  Reaktywność  zanieczyszczeń  z  utleniaczami  jak  i  reduktorami, 
generowanymi  w  reakcjach  inicjowanych  w  układzie  Fe

3+

/H

2

O

2

,  warunkuje  skuteczność 

procesu.  
Rodniki hydroksylowe (OH

 ) reagują ze związkami organicznymi przez (reakcje 5-8): 

 

oderwanie  atomu wodoru  

HO

 + RH → R

• 

+ H

2

O  

 

 

 

 

 

(5)                                                                               

Powstaje  rodnik  alkilowy  (R

).  W  obecności  tlenu  rozpuszczonego  w  wodzie  rodnik 

alkilowy szybko reaguje z cząsteczką tlenu dając rodnik alkilonadtlenkowy (RO

2

) (reakcja 

6),  
R

• 

+ O

2

 →

 

RO

2

,           

 

   

 

 

(6)    

Rodnik  ten  ulega  rozkładowi,  w  wyniku  czego  powstają  produkty  przejściowe. 
Gdy w układzie brak jest tlenu wówczas główną reakcją jest polimeryzacja. 

 

addycję rodników hydroksylowych do nienasyconych wiązań alkenów lub alkinów,  

 

 

-przeniesienie  elektronu  ze  związku  organicznego  na  rodnik  hydroksylowy, 
w wyniku czego otrzymuje się kationorodnik (RX

•+ 

) (reakcja 5). 

    OH

 +  RX → OH

-

 + RX

•+  

 

 

 

           

 

 

  

(8)

  

             

       

                                                                   

 
         Dalsze  utlenianie  produktów  pośrednich  prowadzi  do  powstania  ditlenku  węgla 
i wody.  Produktami  pośrednimi  utleniania  związków  organicznych  mogą  być  np.  kwasy 
karboksylowe. Powstawanie ich powoduje spadek wartości pH mieszaniny reakcyjnej.  

Utlenianie związków organicznych, w skład których wchodzą atomy azotu prowadzi 

do  powstawania:  amin,  aminokwasów,  kationów  amoniowych,  a  wówczas  pH  mieszaniny 
reakcyjnej może wzrastać. Produkowane mogą być też azotany. 

W  metodzie  AOP  z  wykorzystaniem  reakcji  Fentona  można  wyróżnić  cztery  etapy 

technologiczne:  

 

doprowadzenie ścieków do odpowiedniego pH, 

 

reakcji utleniania związków organicznych, 

 

neutralizacji ścieków, 

 

usuwanie osadów.  

Utlenianie  niektórych  związków  organicznych  zawartych  w  ściekach  przemysłowych 

odczynnikiem Fentona przebiega z dużą efektywnością. Przykładowo podczas oczyszczania 
ścieków  tekstylnych  uzyskano  wysoką  efektywność  usuwania  barwy  (99%)  i  obniżenia 
wartości parametru ChZT

Cr

 (82%).  

 
 
 

(7) 

background image

Zakład Inżynierii Środowiska Wydział Chemii UG - Ćwiczenia Laboratoryjne  

 

 Zaawansowane metody utleniania zanieczyszczeń organicznvch 

 

3. WYKONANIE ĆWICZENIA 

 

Celem ćwiczenia jest badanie przebiegu reakcji rozkładu oranżu metylowego I (OM I 

–rys.1)  rozpuszczonego  w  wodzie.  Czynnikiem  utleniającym  będzie  modyfikowany  układ 
Fentona (Fe

3+

/H

2

O

2

), gdyż barwniki diazowe rozkładane są efektywniej w tym układzie niż 

w  układzie  Fe

2+

/H

2

O

2

.  Na  rys.  2  przedstawiono  prawdopodobne  produkty  rozkładu  OM  I 

w procesach AOP. 

 

 

 

 

 

 

Rys. 1. Wzór strukturalny oranżu metylowego I (OM I) 

 

 

N

N

N

SO

3

H

CH

3

CH

3

CH

3

N

NH

2

SO

3

H

NH

2

H

2

N

NH

2

HC

H

O

NH

4

+

OH

OH

HCOOH

OH

NH

2

SO

4

-2

OH

CH

3

 

Rys. 2. Prawdopodobne produkty rozkładu OM I w procesach AOP 

 

 

 Aparatura i sprzęt 

Kolba  Erlenmayera  o  pojemności  250  ml,  mieszadło  magnetyczne,  pH-metr, 
spektrofotometr DR 2000, stoper; 

 

Odczynniki chemiczne: 

 

wodny roztwór OM I o stężeniu 0,5x10

-4

 mol/l 

 

roztwór Fe(NO

3

)

3

x9H

2

O o stężeniu 4x10

-3

mol/l zakwaszony do pH 3 

 

roztwór kwasu siarkowego o stężeniu 0,01N 

 

30% H

2

O

2

 

 

roztwór NaOH o stężeniu 0,05N 

N

N

N

SO

3

H

CH

3

CH

3

background image

Zakład Inżynierii Środowiska Wydział Chemii UG - Ćwiczenia Laboratoryjne  

 

 Zaawansowane metody utleniania zanieczyszczeń organicznvch 

 

PRZEPROWADZENIE DOŚWIADCZENIA 

1)

 

kolbę reakcyjną napełnić 210 ml wodnego roztworu OM I, 

2)

 

dodać 0,1ml roztworu żelaza(III)  

3)

 

sprawdzić  pH  roztworu  i  jeśli  to  konieczne  skorygować  do  wartości  3,5  roztworem 
kwasu siarkowego, 

4)

 

pobrać 10 ml roztworu OM I do cylindra miarowego. Roztwór ten będzie służył do 
sporządzenia krzywej wzorcowej, którą należy teraz wykonać. 

Do  5  „testtub”  zawierających    0,5ml  roztworu  NaOH  dodać  odpowiednią  ilość 

roztworu OM I, i uzupełnić wodą destylowaną zgodnie z informacjami zamieszczonymi 
w tabeli 4. Absorbancję  uzyskanych roztworów zmierzyć według instrukcji znajdującej 
się przy spektrofotometrze. Uzyskane wyniki zamieścić w tabeli i na wykresie 1. 

 

Tabela 1. Przygotowanie roztworów do sporządzenia krzywej wzorcowej. 

Nr próbki 

II 

III 

IV 

0,05N NaOH 

0,5ml 

0,5ml 

0,5ml 

0,5ml 

0,5ml 

0,5ml 

Roztwór OM I wstępnie 

przygotowany 

0ml 

0,15ml 

0,3ml 

0,6ml 

1,5ml 

3ml 

Woda destylowana 

6ml 

5,85ml 

5,7ml 

5,4ml 

4,5ml 

3ml 

Otrzymane stężenie  

roztworu OM I 

0 mg/l 

0,75mg/l 

1,5mg/l 

3,0mg/l 

6,1mg/l 

15,2mg/l 

Absorbancja 

 

 

 

 

 

 

 

Wykres 1. Zależność absorbancji od stężenia roztworu OM I. 

 

5)

 

następnie kolbę reakcyjną umieścić na mieszadle magnetycznym i ustawić prędkość 
obrotów - 250 rpm 

6)

 

do  kolby  reakcyjnej  dodać  0,1ml  30%  H

2

O

2

  i  w  tym  momencie  włączyć  stoper, 

obserwować  zmianę  barwy  mieszaniny.  Całkowity  rozkład  OM  I  (zanik  barwy) 
zachodzi po 24 godzinach. Dla potrzeb ćwiczenia proces zaniku barwy obserwujemy 
przez 50 min 

7)

 

w czasie trwania reakcji pobierać próbki roztworu 

 
Do  „testtub”,  w  których  wcześniej  wlano  po  0,5ml  roztworu  NaOH  dodać  pobrane 

próbki  o objętości  podanej  w  tabeli  2,  po  czasach  zaprezentowanych  w  tej  samej  tabeli. 
Wodorotlenek sodu dodajemy w celu zatrzymania reakcji. 

Następnie  zawartość  „testtub”  uzupełnić  wodą  destylowaną  zgodnie  z  zaleceniami 

zamieszczonymi w tabeli 2. Wykonane rozcieńczenia uwzględnić w opracowaniu wyników. 

 
 
 

A

b

so

rb

an

cj

Stężenie OM I [mmol/l] 

background image

Zakład Inżynierii Środowiska Wydział Chemii UG - Ćwiczenia Laboratoryjne  

 

 Zaawansowane metody utleniania zanieczyszczeń organicznvch 

 

Tabela 2. Przygotowanie roztworów do obserwacji przebiegu reakcji rozkładu OM I 

Czas poboru 
próbki [min] 

0* 

10 

20 

30 

40 

50 

0,05N NaOH 

[ml] 

0,5 

0,5 

0,5 

0,5 

0,5 

0,5 

0,5 

0,5 

0,5 

Mieszanina 

reakcyjna [ml] 

Woda 

demineralizowana 

[ml] 

8)

 

zmierzyć  absorbancję  pozostałego  OM  I  w  pobranych  próbkach  przy  długości  fali 
495nm.  Z  krzywej  wzorcowej  odczytać  stężenie  pozostałego  OM  I  i  wyniki 
zamieścić w tabeli 3. 

9)

 

 po  czasach  t

15

  i  t

30

  oraz  po  zmianie  barwy  mieszaniny  reakcyjnej  z  czerwonej  na 

słomkowo-żółtą (t

50

) zmierzyć odczyn pH, wyniki zamieścić w tabeli, 

10)

 

 wyniki pomiarów przedstawić na wykresie 2 i 3. 

Tabela 3. Zmiany stężenia oranżu metylowego I w czasie reakcji utleniania 

Czas utleniania 

[min.] 

Absorbancja 

λ= 495nm 

Stężenie oranżu 

metylowego odczytany z 

krzywej wzorcowej 

[mg/dm

3

pH 

 

 

pH

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 

 

 

 

15 

 

 

pH

t15

.

20 

 

 

 

30 

 

 

pH

t30

.

40 

 

 

 

50 

 

 

pH

t50

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

O

M

 I

[m

g

/l

]

c z a s , [m in .]

 

Wykres 2. Przebieg rozkładu OM I 

 

Wykres 3. Przebieg zmian pH podczas rozkładu OM I 

 

pH 

czas [min.] 

background image

Zakład Inżynierii Środowiska Wydział Chemii UG - Ćwiczenia Laboratoryjne  

 

 Zaawansowane metody utleniania zanieczyszczeń organicznvch 

 

11)

 

Stopień redukcji stężenia OMI po 50min. reakcji należy wyliczyć ze wzoru: 

 

S

= (1-C

50

/C

0

) x 100% 

 

4. OPRACOWANIE WYNIKÓW I WNIOSKI 

Sprawozdanie powinno być przygotowane wg Załącznika 1 i ma obejmować: 

 

Cel ćwiczenia 

 

Opis przebiegu doświadczenia 

 

Tabelaryczne zestawienie wyników 

 

Wykresy zależności omówione w opisie doświadczenia 

 

Obliczenia stopnia redukcji barwy po 50min. reakcji 

 

Omówienie  wyników  badań  z  uwzględnieniem  stopnia  redukcji  barwy  
oraz zmian pH. 

 

Literatura 
 
1.

 

Wąsowski  J.,  Piotrkowska  A.,  (2002),  Rozkład  organicznych  zanieczyszczeń  wody 
w procesach pogłębionego utleniania, Ochrona Środowiska, 85(2), 27 – 32; 

2.

 

Kowal A., Świderka – Bróż M., 2000, Oczyszczanie wody, Warszawa, PWN 

3.

 

Ledakowicz  S.,  Olejnik  D.,  Perkowski  J.,  Żegota  H.,  (2001),  Wykorzystanie 
procesów pogłębionego utleniania do rozkładu niejonowego środka powierzchniowo 
czynnego Tryton X-114, Przemysł Chemiczny, 80(10), 453 – 459;  

4.

 

Bartosz G., Druga twarz tlenu, PWN 1995 W-wa; 

5.

 

Mastalerz P., Chemia Organiczna, PWN 1986 W-wa. 

 

background image

Zakład Inżynierii Środowiska Wydział Chemii UG - Ćwiczenia Laboratoryjne  

 

 Zaawansowane metody utleniania zanieczyszczeń organicznvch 

 

Załącznik 1 

 

WZÓR Sprawozdania –  

 
 
 

 

Sprawozdanie z ćwiczenia 

 

ZAAWANSOWANE METODY UTLENIANIA ZANIECZYSZCZEŃ ORGANICZNYCH  

 
Cel ćwiczenia
 
Opis przebiegu doświadczenia
 
Wyniki: 

Tabela. Krzywa wzorcowa – zależność wartości absorbancji od stężenia OM I. 

Otrzymane stężenie  

roztworu OM I [mg/l] 

0,75 

1,5 

3,0 

6,1 

15,2 

Absorbancja 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Stężenie OM I [mmol/l] 
 

                                                      Wykres 1. Zależność absorbancji od stężenia roztworu OM I 

Tabela. Zmiany stężenia oranżu metylowego I w czasie reakcji utleniania 

Czas utleniania 

[min.] 

Absorbancja 

λ= 495nm 

Stężenie oranżu metylowego odczytany  

z krzywej wzorcowej 

[mg/dm

3

pH 

 

 

pH

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 

 

 

 

15 

 

 

pH

15

.

20 

 

 

 

30 

 

 

pH

30

.

40 

 

 

 

50 

 

 

pH

50

Opracowanie wyników

 

Wykres przebiegu rozkładu OM I 

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

O

M

 I

[m

g

/l

]

c z a s , [m in .]

 

Wykres. Przebieg rozkładu OM I 

 

Wykres przebieg zmian pH podczas rozkładu OM I

 

 

 
 
 

 

Wykres. Przebieg zmian pH podczas rozkładu OM I 

 

Stopień redukcji barwy po 50min. reakcji 

WNIOSKI: 
Omówić wyniki badań z uwzględnieniem stopnia redukcji barwy oraz zmian pH. 

GRUPA.............. 
1.  ............................ 
2.  ............................ 

DATA....................... 

A

b

so

rb

an

cj

czas [min.] 

pH