Fentonova oxidace ve zkrápěném reaktoru za kontinuálního a periodického nástřiku

Transkript

1 Fentonova oxidace ve zkrápěném reaktoru za kontinuálního a periodického nástřiku Autor: Uhlíř David Ročník: 5. Školitel: doc.ing. Vratislav Tukač, CSc. Ústav organické technologie 2005

2 Úvod Odpadní vody v chemickém průmyslu často obsahují obtížně biologicky rozložitelné nebo i toxické látky pro aktivní kaly biologických čistíren. Přínosem chemické technologie pro trvale udržitelný rozvoj jsou nové pokročilé oxidační postupy likvidace nečistot Fentonova oxidace peroxidem vodíku za kontinuálního a periodicky modulovaného nástřiku znečištěné vody do zkrápěného reaktoru s velkou zpracovatelskou kapacitou

3 Cíl práce Využít Fentonovu oxidaci vodného roztoku fenolu pomocí katalýzy aktivního uhlí a iontů železa za atmosférického tlaku a teploty okolí Provozovat reakci ve zkrápěném reaktoru za kontinuálního a periodického nástřiku kapaliny Stanovit hydrodynamické vlastnosti reaktoru potřebné pro výpočet rychlostní konstanty oxidace Sledovat vliv počátečního přídavku aktivátorů - benzochinonu nebo hydrochinonu na průběh reakce

4 Chemismus oxidace Degradační cesta fenolu Fenol ----> Hydrochinon ----> Benzochinon ----> ----> Karboxylové kyseliny (Maleinová, Šťavelová) ----> Oxid uhličitý a voda Fentonova reakce Fe 2+ + H 2 O > Fe 3+ + HO + OH - Vznik organických radikálů HO + RH > H 2 O + R Reakce organických radikálů s rozpuštěným kyslíkem R + O > ROO > produkty degradace Regenerace železnatých iontů R + Fe > R + + Fe 2+ Fe 3+ + H 2 O > Fe 2+ + H + + HOO

5 Zkrápěný reaktor s recyklem Technické parametry Průměr reaktoru: 06 mm Katalyzátor: aktivní uhlí, Fe 2+ Vrstva katalyzátoru: 33 cm Rozsahy průtoků kapalina l / h vzduch 800 l / h 30% H 2 O g / min. Záznam veličin na PC ORP, vodivost, tlaková ztráta teplota podél vrstvy katalyzátoru průtok kapaliny

6 Záznam programu matlab

7 Režimy dvoufázového toku Zkrápěný tok s malou interakcí fází Pulzní tok s velkou interakcí fází Význam umělého pulzního toku

8 Hydrodynamické měření Stanovení zádrže kapaliny h=f t/vr h=0.5 F... t... Vr Průtok kapaliny Čas mezi odezvou elektrod Objem reaktoru závislost rychlosti postupu kapaliny v loži reaktoru na celkovém průtoku v [cm/s] F [ l/h] experiment h=0.5 mimovrstvová h=

9 Model zkrápěné vrstvy s recyklem Kaskáda 4. míchaných buněk s chemickou reakcí Bilance fenolu v reaktoru N=4 dci dt N F h V ( C C ) + = i i+ r r i+ kinetika oxidace r i+ ρ h kat Vliv kapacity nádrže na bilanci fenolu dc dt i = F V ( C C ) e i Počáteční podmínky: t=0; C=

10 Kontinuální režim Standartní reakce prvního řádu Autokatalytická reakce Podmínky měření: průtok kapaliny 50 l/h; průtok vzduchu 800l/h průtok H 2 O 2 3g/min Vliv počátečního přídavku benzochinonu nebo hydrochinonu na průběh reakce 0,9 0,8 0,7 Crel (fenol) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, t [h] vliv hydrochinonu pouze roztok fenolu vliv benzochinonu

11 Periodický režim Autokatalytický průběh reakce Podmínky měření: průtok vzduchu 800l/h průtok H 2 O 2 3g/min perioda 20s; split 0.5 Průběh oxidace při periodickém nástřiku kapaliny Crel (fenol) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, t [h] průtok kapaliny 00l/h průtok kapaliny 50l/h

12 Výpočet rychlostních konstant 3simplexová Nelder-Meadova nelineární regrese Kinetika prvního řádu k fenolu F P [ k ] dc dt rel = k C rel Počáteční podmínky t=0;crel= Kontinuální nástřik průtok roztok [l/h] průtok vzduch [l/h] průtok peroxid [g/min] k [l/(h*kgkat)] přídavek hydrochinonu přídavek benzochinonu , ,22 Autokatalytická rychlostní rovnice F R [ k ] F + R P [ k 2 ] dc dt rel = k C k C C rel 2 rel F 0 ( C ) rel periodický nástřik perioda [s] průtok roztok [l/h] průtok vzduch [l/h] průtok peroxid [g/min] k [l/(h*kgkat)] k 2 [l^2/(kgkat*h*mol)] , , , ,80 Počáteční podmínky t=0;crel=

13 Závěr Prokázána dostatečná rychlost oxidace na aktivním uhlí se sorbovanými ionty železa Porovnán kontinuální a periodický nástřik kapaliny nutno otestovat širší rozmezí period a splitů modulace Byla stanovena zádrž kapaliny a rychlost postupové vlny ve zkrápěném reaktoru jako výchozích parametrů pro návrh modulace Přídavkem aktivních meziproduktů oxidace fenolu (benzochinonu a hydrochinonu) došlo k přechodu kinetiky reakce z autokatalytické na kinetiku reakce prvního řádu Poděkování za podporu v rámci grantu MSM ( katalytické procesy v chemii a chemické technologii )