Wie man Farbe in Textilabwasser entfernt
Die Textilindustrie zeichnet sich dadurch aus, dass ihre Tätigkeit einen hohen Verbrauch an Wasser, Energie und Hilfschemikalien erfordert. Dies führt zur Entstehung großer Mengen an Abwasser mit hohen Konzentrationen an Farbstoffen, biologisch abbaubaren und refraktären organischen Schadstoffen, Schwebstoffen, Tensiden, Salzen und chlorierten Verbindungen. Zudem gibt es, da die Produktion in den meisten Fällen intermittierend erfolgt, eine erhebliche Variabilität in der Menge des erzeugten Abwassers und der Art seiner Verunreinigung. Diese Eigenschaften machen es zu einem schwer zu behandelnden Industrieabwasser.
Die gesetzlichen Anforderungen und die Notwendigkeit, Energie zu sparen und Wasser in der Industrie wiederzuverwenden, machen die Entwicklung neuer Verfahren erforderlich, die es ermöglichen, die Wasserverschmutzung zu beseitigen und das Abwasser wieder in den Produktionsprozess einzubinden.
Einer der Parameter, der den größten Aufwand für seine Entfernung –bei angemessenen Kosten– erfordert, ist die Farbe. Die Farbstoffe sind in der Regel nicht toxisch, aber nur schwer biologisch abbaubar. In einer kommunalen Kläranlage wird geschätzt, dass nur 20-30 % der Farbe im Abwasser entfernt werden. Zudem sind die Farbstoffe im Wasser in sehr geringen Konzentrationen nachweisbar, sodass die Entfernungseffizienz sehr hoch sein muss.
Die Behandlung von gefärbtem Abwasser ist ein Umweltproblem, das bisher nicht zufriedenstellend gelöst wurde
Traditionell wurden verschiedene Technologien auf Basis physikalisch-chemischer Behandlungen zur Entfernung der Farbe aus Textilabwasser angewandt. Es gibt jedoch weitere Möglichkeiten, die je nach Art des zu entfernenden Farbstoffs Fortschritte machen. Die Techniken, die je nach Einzelfall zur Behandlung der Farbe im Abwasser eingesetzt werden können, sind nachfolgend mit ihren Vor- und Nachteilen aufgeführt:
- Flockung/Koagulation: basiert auf der Zugabe von Polyelektrolyten oder anorganischen Flockungsmitteln (Eisen- oder Aluminiumsalze), die Flocken mit den Farbstoffmolekülen bilden und deren Entfernung durch Absetzen erleichtern. Die Entfernungseffizienzen sind hoch, aber es entsteht ein Schlamm, der behandelt werden muss. Die beste Leistung wird erzielt, wenn ein Überschuss an Koagulans eingesetzt wird, was jedoch die Schadstoffkonzentration im Abwasser erhöhen kann.
- Fenton-Verfahren: der Farbstoff wird mit einer Kombination aus Wasserstoffperoxid und Eisensulfat (Fenton-Reagenz) unter sauren Bedingungen oxidiert. Das für die Oxidation verantwortliche Mittel ist das Hydroxylradikal, das sehr reaktiv ist; es entsteht durch katalytische Zersetzung des Wasserstoffperoxids in einem sauren Medium. Die Hydroxylradikale oxidieren den Farbstoff, und die gebildete Verbindung fällt mit dem Eisen(II)-Ion und organischen Verbindungen aus. Diese Alternative bietet verschiedene Vorteile: sie erreicht hohe Entfärbungsgeschwindigkeiten bei hohen Konzentrationen der eingesetzten Reagenzien, bildet keine chlorierten Verbindungen wie andere Oxidationstechniken und es gibt keine Massentransportbeschränkungen, da es sich um ein homogenes System handelt. Die Hauptnachteile sind jedoch die Kosten für die Behandlung des Schlamms (eine große Menge dünnflüssigen Schlamms, der schwer absetzbar ist) und die Kosten der Reagenzien (kontinuierliche und stöchiometrische Zugabe von Fe(II) und H2O2).
- Ozonierung: die Farbstoffmoleküle werden durch die hohe Oxidationsfähigkeit von Ozon zerstört. Die Oxidationsreaktion ist schnell, hohe Durchsätze können behandelt werden, es entstehen keine Abfälle oder Schlämme und es wird ein farbloses Abwasser mit niedrigem CSB erzielt. Dennoch muss die Toxizität des Abwassers überprüft werden, da in einigen Fällen die gebildeten Verbindungen toxischer sind als die ursprünglichen Farbstoffe. Ein weiterer großer Nachteil der Ozonierung ist die kurze Halbwertszeit von Ozon, etwa 20 Minuten, was die Prozesskosten erheblich beeinflusst. Es wurde beobachtet, dass bei Ergänzung der Ozonproduktion durch Zugabe von Wasserstoffperoxid sowohl die Geschwindigkeit als auch die Entfernungseffizienz deutlich steigen.
- Membrantechnologie: ermöglicht eine effektive Trennung der Farbstoffmoleküle und anderer Verbindungen, die größer als die Porengröße der ausgewählten Membran sind. Am häufigsten werden Umkehrosmose- und Nanofiltrationsmembranen verwendet. Mit diesem Verfahren können große Abwassermengen kontinuierlich und mit hohem Trennungsgrad behandelt werden. Das Abwasser ist von ausgezeichneter Qualität und kann in den meisten Fällen wiederverwendet werden. Die Hauptnachteile dieser Techniken sind die Entstehung von Abfällen mit hoher Schadstoffkonzentration und die Schwierigkeit sowie Kosten des Membranaustauschs.
- Adsorption: basiert auf der physikalischen Rückhaltung der Farbstoffmoleküle an der Oberfläche des verwendeten Adsorbens. Die Wirksamkeit des Adsorptionsprozesses wird von einer Vielzahl von Parametern beeinflusst, darunter die Wechselwirkung zwischen Farbstoff und Adsorbens, dessen spezifische Oberfläche, die Größe des Farbstoffmoleküls, Temperatur, pH-Wert und Kontaktzeit. Daher ist die Wahl des Adsorbens entscheidend. Ein weit verbreitetes Adsorbens ist Aktivkohle, aber auch andere anorganische Adsorbentien werden verwendet. Adsorptionsprozesse erzeugen Abwasser von hoher Qualität, weisen jedoch einige Nachteile auf, die sie für die Behandlung von farbigen Abwässern weniger wettbewerbsfähig machen: sie sind langsame Prozesse; sie sind nicht selektiv, sodass es zu Konkurrenz zwischen Farbstoffmolekülen und anderen im Abwasser vorhandenen Verbindungen kommt; sie sind nicht destruktiv und erzeugen Abfälle, die entsorgt werden müssen; die Desorption ist ein schwieriger und kostspieliger Prozess und schließlich sind die Adsorbentien meist teuer.
- Elektrochemische Techniken: basieren auf der Hydrolyse des Farbstoffs durch sekundäre, elektrolytisch erzeugte Agenzien durch Anlegen eines Potentials. Die Verfahren sind sauber, arbeiten bei niedriger Temperatur und erfordern in vielen Fällen keine Zugabe von Chemikalien zum Abwasser. Dennoch verringern der hohe Energieverbrauch und die Entstehung von Nebenprodukten durch parallele Reaktionen das Potenzial des Verfahrens.
- Biotechnologische Verfahren: der Einsatz von Mikroorganismen zum Abbau von Wasser mit synthetischen Farbstoffen ist aufgrund der Vorteile biologischer Behandlung interessant, da es sich um relativ kostengünstige Verfahren handelt, die eine vollständige oder teilweise Zersetzung der Ausgangskomponenten ermöglichen. Beim konventionellen aeroben Verfahren der aktivierten Schlämme wird der Farbstoff jedoch nicht abgebaut, und die geringe Entfernungseffizienz wird der Adsorption am Schlamm zugeschrieben. Anaerobe Verfahren erzielen eine hohe Entfernungseffizienz für eine Vielzahl von Farbstoffen, obwohl die Prozesskinetik langsam ist. Zudem werden Systeme entwickelt, bei denen der Farbstoff durch Enzyme abgebaut wird, die von ligninolytischen Pilzen in in vivo- und in vitro-Kulturen produziert werden. Es handelt sich um sehr selektive Verfahren mit sehr hohen Ausbeuten. Sie sind jedoch nicht wirtschaftlich und werden für eine fortlaufende Anwendung entwickelt, wobei die verwendeten Enzyme zurückgewonnen werden.
Die Behandlung von gefärbtem Abwasser ist ein Umweltproblem, das bisher nicht zufriedenstellend gelöst wurde, um in der Regel eine hohe Ausbeute mit einem stabilen, nachhaltigen und wirtschaftlichen Verfahren zu erzielen. Die Wahl der am besten geeigneten Technologie hängt von zahlreichen Faktoren ab, wie dem verwendeten Farbstoff, der Menge und Vielfalt der Schadstoffe im Wasser, dem eingeleiteten Volumen, dem Produktionssystem usw. In jedem Fall ist für den Erfolg bei der Technologiewahl und der Auslegung der Behandlung eine vollständige Charakterisierung des Abwassers absolut grundlegend.