Using new solvents for removal of phenolic compounds present in industrial wastewater

Abstract

The development of industrial activity has associated a considerable increase in the volume of wastewater that, depending on their source, may contain large amount of organic and / or inorganic substances in concentrations which are harmful to the environment. Among these substances are the phenols, highly polluting substances and present in a large number of industrial activities (paper, food, photography, paints and explosives industries, synthesis of pharmaceuticals, petrochemical processes...). The removal of these compounds from wastewater streams before discharge is fundamental to the environmental protection. In this way, the Spanish legislation on industrial emissions limits the content of phenols in the wastewater to a maximum of 1 mg /l. The techniques used to remove or reduce the content of phenolic compounds in aqueous streams are biodegradation, thermal decomposition, and absorption, but none of them is effective when the wastewater contains a high concentration of phenols. Regarding the methods for liquid extraction with solvents, one of the main advantages is that they allow treating wastewater streams containing a high concentration of phenols. However, the more important limitation is that the solvents used in traditional liquid-liquid extraction are usually volatile organic compounds (VOCs), which are toxic, flammable and, in many cases, highly polluting substances. Therefore, it is desirable to consider alternative solvents that are equally effective but cleaner and more friendly with the environment. In this way, in recent years ionic liquids (ILs) and deep eutectic solvents (DESs) have attracted much attention from the scientific community due in particular to their combination of unique characteristics that make a difference with the conventional solvents. In particular their negligible vapor pressure and their physicochemical properties, such as polarity, viscosity and affinity for many organic and inorganic compounds, make them potential candidates for their use in multiphase systems as separation agents. Within this context, the main objective of this project is the application of hydrophobic ILs and DESs as extraction agents in the removal/reduction of phenol and its derivatives compounds (2-methylphenol, 2,4-dimethylphenol, 4-chlorophenol, 2-chlorophenol, 4-nitrophenol, 2,3-dichlorophenol, 2.4-dichlorophenol, pentachlorophenol, 2-benzyl-4-chlorophenol, etc.) present in wastewater streams generated at industrial level. This will require performing a solubility study of different ILs with the phenolic compounds, as well as the phase equilibria of ternary systems IL or DES + phenolic compound + water. These results will allow us to select the more appropriated solvent, which can perform an effective removal of phenolic compounds from water. Once selected the best solvent that allow to carry out an effective extraction, the next step will be its application to aqueous mixtures formed by a large number of phenolic compounds, in order to approach, insofar as possible, the real behavior of a residual stream generated in industry. With all these experimental data, the process simulation using commercial software will be carried out and the continuous extraction process at lab scale will be performed.

El desarrollo de la actividad industrial llevado a cabo en las últimas décadas lleva asociado, en muchos casos, un aumento considerable del volumen de aguas residuales que, dependiendo de su procedencia, pueden contener gran cantidad de sustancias orgánicas y/o inorgánicas en concentraciones perjudiciales para el medioambiente (MA). Entre estas sustancias se encuentran los fenoles, sustancias altamente contaminantes y presentes en un gran número de procesos industriales (industria papelera, agroalimentaria, farmacéutica, petroquímica...) La eliminación de estos compuestos de las corrientes de aguas residuales antes de su vertido es fundamental para la protección del MA. En este sentido, la legislación española sobre vertidos industriales limita el contenido de fenoles en el agua residual a un valor máximo de 1 mg/l. Las tecnologías más utilizadas para eliminar o reducir el contenido de fenoles en corrientes acuosas son la biodegradación, la descomposición térmica y la absorción, pero ninguna de ellas parece ser eficaz cuando la corriente de agua residual presenta altas concentraciones de fenoles. La extracción líquida con disolventes tiene como principal ventaja que permite tratar corrientes de aguas residuales que contengan una elevada concentración de fenoles. Sin embargo, una de las principales limitaciones es que los disolventes utilizados en los sistemas tradicionales de extracción líquido-líquido suelen ser compuestos orgánicos volátiles, los cuales son tóxicos, inflamables y, en muchos casos, altamente contaminantes. Por lo tanto, es importante explorar disolventes alternativos que sean igualmente eficaces pero más limpios y respetuosos con el MA. En este sentido, en los últimos años, los líquidos iónicos (LI) y más recientemente los solventes eutécticos de bajo punto de fusión (DES) han acaparado la atención de gran parte de la comunidad científica debido, especialmente, a que poseen una combinación de propiedades únicas que los diferencian de los disolventes convencionales. En particular, su presión de vapor despreciable y sus propiedades fisicoquímicas, como la polaridad, viscosidad y la afinidad por muchos compuestos orgánicos e inorgánicos, los convierten en posibles candidatos para su utilización en sistemas multifásicos como agentes de separación. En esta línea, el objetivo principal de este proyecto consiste en la aplicación de LI hidrofóbos y de DES como agentes de extracción en la eliminación/reducción del fenol y sus compuestos derivados (2-metilfenol, 2,4-dimetilfenol, 2-clorofenol, 4-nitrofenol,...) presentes en las corrientes de aguas residuales generadas a nivel industrial. Para ello será necesario realizar un estudio de solubilidad de entre los LIs y DESs y con los compuestos fenólicos, así como el equilbrio entre fases de los sistemas ternarios por LI o DES + comp. fenólico + agua. Estos resultados nos permitirán seleccionar el solvente más adecuado, que permita eliminar de manera efectiva los fenoles del agua. Una vez selecionados, el siguiente paso será su aplicación a mezclas acuosas formadas por un mayor número de compuestos fenólicos, con el fin de acercarnos, en la medida de lo posible, al comportamiento real de una corriente residual generada en la industria química y que contenga este tipo de compuestos. Con todos estos datos experimentales se llevará a cabo la simulación del proceso empleando software comercial y se pondrá a punto el proceso de extracción en continuo a escala laboratorio. fenol,compuestos fenolicos, extraccion liquido-líquido, liquidos ionicos, solventes eutecticos de bajo punto de fusión (DES)

O desenvolvemento da actividade industrial levado a cabo nas últimas décadas leva asociado, en moitos casos, un aumento considerable do volume de augas residuales que, dependendo da súa procedencia, poden conter gran cantidade de sustancias orgánicas e/ou inorgánicas en concentracións perjudiciales para o medioambiente (MA). Entre estas sustancias atópanse os fenoles, sustancias altamente contaminantes e presentes nun gran número de procesos industriais (industria papelera, agroalimentaria, farmacéutica, petroquímica...) A eliminación destes compostos das correntes de augas residuales antes do seu vertido é fundamental para a protección do MA. Neste sentido, a lexislación española sobre vertidos industriais limita o contido de fenoles no auga residual a un valor máximo de 1 mg/l. As tecnoloxías máis utilizadas para eliminar ou reducir o contido de fenoles en correntes acuosas son a biodegradación, a descomposición térmica e a absorción, pero ningunha delas parece ser eficaz cando a corrente de auga residual presenta altas concentracións de fenoles. A extracción líquida con disolventes ten como principal vantaxe que permite tratar correntes de augas residuales que conteñan unha elevada concentración de fenoles. Con todo, unha das principais limitacións é que os disolventes utilizados nos sistemas tradicionais de extracción líquido-líquido adoitan ser compostos orgánicos volátiles, os cales son tóxicos, inflamables e, en moitos casos, altamente contaminantes. Polo tanto, é importante explorar disolventes alternativos que sexan igualmente eficaces pero máis limpos e respetuosos co MA. Neste sentido, nos últimos anos, os líquidos iónicos (LI) e máis recientemente líquidos eutécticos de baixo punto de fusión (DES) acapararon a atención de gran parte da comunidade científica debido, especialmente, a que posúen unha combinación de propiedades únicas que os diferencian dos disolventes convencionais. En particular, a súa presión de vapor despreciable e as súas propiedades fisicoquímicas, como a polaridad, viscosidad e a afinidad por moitos compostos orgánicos e inorgánicos, convértenos en posibles candidatos para a súa utilización en sistemas multifásicos como axentes de separación. Nesta liña, o obxectivo principal deste proxecto consiste na aplicación de LI hidrofóbos e de DES como axentes de extracción na eliminación/redución do fenol e os seus compostos derivados (2-metilfenol, 2,4-dimetilfenol, 2-clorofenol, 4-nitrofenol,...) presentes nas correntes de augas residuales xeradas a nivel industrial. Para iso será necesario realizar un estudo de solubilidad de entre os Lis e DESs e cos compostos fenólicos, así como o equilbrio entre fases dos sistemas ternarios por LI ou DES comp. fenólico auga. Estes resultados permitirannos seleccionar o liquide máis adecuado, que permita eliminar de xeito efectivo os fenoles do auga. Unha vez selecionados, o seguinte paso será a súa aplicación a mesturas acuosas formadas por un maior número de compostos fenólicos, co fin de achegarnos, na medida do posible, ao comportamento real dunha corrente residual xerada na industria química e que conteña este tipo de compostos. Con todos estes datos experimentais levarase a cabo a simulación do proceso empregando software comercial e poñerase a punto o proceso de extracción en continuo a escala laboratorio. fenol,compostos fenolicos, extraccion liquido-líquido, liquidos ionicos, liquides eutecticos de baixo punto de fusión (DES)