TECHNOLOGIEEN VOOR DE DECOLORISATIE VAN GYES: INDIGO EN INDIGO CARMINE

LUZ QUINTERO
School voor Geowetenschappen en Milieu. Faculteit der Mijnen.Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín. [email protected]

SANTIAGO CARDONA
School voor Geowetenschappen en Milieu. Facultad de Minas. Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín. [email protected]

Ontvangst ter beoordeling 18 november 2008 , aanvaard 21 mei 2009, definitieve versie 13 oktober 2009

SAMENVATTING: De behandeling van textielafvalwater met indigo- en indigokarmijnkleurstoffen is zeer complex en gevarieerd. De efficiëntie varieert naar gelang van de toegepaste methode. Dit artikel geeft een overzicht van de verschillende behandelingstechnologieën voor de verwijdering van indigo en indigokarmijn; verwijderingsrendementen, gebruikte culturen, processystemen, operationele factoren, naast andere aspecten, met het oog op de vaststelling van criteria voor de keuze van het beste behandelingsproces en om inzicht te krijgen in de reikwijdte van het onderzoek naar het bleken van indigo. Het overzicht begint met het fixatieproces bij het verven van indigo en beschrijft vervolgens studies naar de behandeling van indigo-effluent in het laboratorium en op grote schaal. Er zijn fysisch-chemische, chemische, fysische en biologische technologieën beschikbaar voor het bleken van indigowater. De keuze van de behandeling hangt af van de kwaliteit van het effluentwater, het gebruik, de kosten van de technologie en de voor- en nadelen.

KEYWORDS: indigo, indigokarmijn, technologieën, verwijdering.

ABSTRACT: De behandeling van textielafvalwater dat indigo en karmijn indigo bevat, is zeer complex en gevarieerd. De efficiëntie hangt af van de gebruikte methode. Dit artikel geeft een overzicht van de verschillende technologieën voor het verwijderen van indigo en indigokarmijn; rendementen, microbiële culturen, processystemen en operationele factoren om criteria op te stellen voor het selecteren van het beste behandelingsproces en de reikwijdte te kennen van het onderzoek naar het ontkleuren van indigo. Het overzicht begint met het proces van fixatie van indigo verven en beschrijft dan studies van behandeling van effluent indigo laboratorium schaal en grote schaal. Er zijn fysisch-chemische technologie, chemische, fysische en biologische. De keuze van de behandeling hangt af van de kwaliteit van het effluent water, het gebruik, de kosten van de technologie, de voor-en nadelen.

KEYWORDS: indigo, karmijn indigo, technologieën, verwijdering.

1. INTRODUCCIÓN

La industria textil tiene alto consumo de agua potable y subterránea en sus procesos de teñido. Het volume en de samenstelling van het afvalwater van de textielindustrie is een van de meest vervuilende van alle industriële sectoren. Sommige kleurstoffen en bijproducten zijn kankerverwekkend en mutageen, verslechteren de esthetiek van waterlichamen en hebben gevolgen voor flora en fauna. Bij het verven van cellulosevezels vertegenwoordigen vatkleurstoffen (indigo) en zwavelkleurstoffen een groot deel van de wereldmarkt (ongeveer 31%); indigo neemt 7% in beslag, hetgeen neerkomt op ongeveer 120.000 ton vatkleurstoffen die jaarlijks worden gebruikt. In 2002 werd 17.000 ton synthetische indigo geproduceerd .

Voor 2007 had Colombia een vraag van 12 miljoen meter indigo per maand, waarvan 6 miljoen in Colombia werd geproduceerd en de overige 6 miljoen werd ingevoerd uit Brazilië en Chili. Indigo karmijn kleurstof is een zeer giftige verbinding van de indigo tina klasse die bij de mens oog- en huidirritatie kan veroorzaken. Consumptie van de kleurstof door zwangere moeders kan leiden tot stoornissen in de voortplanting van de foetus, mentale ontwikkeling en intoxicatie.

Wanneer het intraveneus wordt toegediend aan patiënten voor evaluatie van het urinesysteem, veroorzaakt het ernstige hypertensie, cardiovasculaire effecten en effecten op de ademhaling. Het kan ook irritatie van het maag-darmkanaal veroorzaken met misselijkheid, braken en diarree. De meest voorkomende stadia van het textielproces zijn wassen, schuren, bleken, merceriseren en verven. De behandeling van afvalwater van textiel is een van de meest complexe. Zonder de juiste behandeling zijn kleurstoffen stabiel en kunnen zij lange tijd in het milieu blijven. De wijziging van hun chemische structuur kan leiden tot de vorming van xenobiotische verbindingen die meer of minder toxisch kunnen zijn dan de potentiële verbindingen; daarnaast zijn schommelingen in parameters zoals chemisch zuurstofverbruik (CZV), biochemisch zuurstofverbruik (BZV), pH, kleur, zoutgehalte en afvalwatersamenstelling afhankelijk van de organische verbindingen en kleurstoffen die in de verschillende stadia van de textielindustrie worden gebruikt. Tabel 1 bevat de karakterisering van het effluent van een indigoverfproces. Kleur kan uit afvalwater worden verwijderd door fysisch-chemische absorptie, coagulatie-flocculatie, oxidatie en elektrochemische methoden.

Tabel 1. Karakterisering van textielafvalwater .
Tabel 1. Karakterisering van textielafvalwater .

Deze methoden zijn duur, leveren operationele problemen op en genereren grote hoeveelheden slib . Biologische behandelingen staan bekend om hun lage kosten, hun haalbaarheid voor afvalwaterbehandeling en hun vermogen om BZV en CZV te verminderen. In het volgende artikel wordt een overzicht gegeven van de behandelingstechnologieën voor de verwijdering van indigokleurstof; verwijderingsrendementen, gebruikte culturen, processystemen, operationele factoren, om een systematisch proces voor de verwijdering van indigokleurstof aan te geven. Hiertoe wordt begonnen met de kennis over het fixatieproces bij het verven en vervolgens worden de studies op laboratoriumschaal en op grote schaal voor de behandeling van afvalwater met indigokleurstof gepresenteerd.

2. CLASSIFICATIE VAN KLEUR

Kleur in kleurstoffen wordt verklaard door de aanwezigheid van chromofore groepen. Per definitie zijn kleurstoffen aromatische verbindingen, hun structuur omvat arylringen die gedelokaliseerde elektronensystemen hebben. Deze zijn verantwoordelijk voor de absorptie van

elektromagnetische straling van verschillende golflengten, afhankelijk van de energie van de elektronenwolken. Een systematische indeling van kleuren is de kleurindex C.I. en de indeling volgens het type ionisatie (tabel 2), en op basis van hun chromofore binding of moleculaire structuur (tabel 3).

Tabel 2. Indeling van kleurstoffen naar ionisatietype .
Tabel 2. Indeling van kleurstoffen volgens het type ionisatie .

Tabel 3. Indeling van kleurstoffen naar chromofoor .
Tabel 3. Indeling van kleurstoffen volgens de chromofoor

3. KENMERKEN VAN DE KLEUR INDIGO

De kleur indigo (2,2′-bis-indigo), (CI Vat Blue I) of vat indigo, met chemische formule C12H10O2N2, (figuur 1a) is een donkerblauw kristallijn poeder . Het wordt hoofdzakelijk toegepast in de blauwe jeansindustrie en andere blauwe denimproducten. Het heeft een hoog smeltpunt (390-3920C), is onoplosbaar in water, alcohol of ether ten gevolge van sterke intermoleculaire krachten veroorzaakt door waterstofbruggen, oplosbaar in chloroform, nitrobenzeen of geconcentreerd zwavelzuur. In vaste toestand vormt indigo een polymeer waarin elke indigo-molecule zich heeft gebonden aan vier moleculen eromheen. In apolaire oplosmiddelen komt indigo voor als monomeer, terwijl in polaire oplosmiddelen intermoleculaire associatie optreedt en de oplossing blauw is.

Figuur 1. Molecuul van a). indigo en b). indigokarmijn .
Figuur 1. Molecuul van a). indigo en a). indigokarmijn .

De structuur van de geproduceerde kleur is een geconjugeerd systeem of H-chromofoorgroep bestaande uit een enkele dubbele binding tussen koolstofatomen gesubstitueerd door twee NH-donors en twee CO-acceptors. Indigo behoort tot de groep kuipkleurstoffen, die tijdens het verfproces tussen 5 en 20% ongebonden blijven. Gesulfateerde indigo staat ook bekend als indigokarmijn (C16H8O8N2S2Na2) Figuur 1b . De kleur indigo kan van natuurlijke of synthetische oorsprong zijn. De eerste synthese van indigo was van o-nitrobenzaldehyde aceton in een mengsel van natriumhydroxide, bariumhydroxide en ammonium (figuur 2). Hydrolyse levert glucose en indoxyl op. Bij blootstelling aan de lucht wordt de indoxyl geoxideerd tot indigo. In dit proces wordt N-fenylglycine behandeld met een alkalisch mengsel van natrium- en kaliumhoudende sodamidehydroxiden.

Figuur 2. Het traject van synthetische indigo

4. MECHANISME VAN INDIGO KLEURVESTERING

Elke kleurstof vereist een afzonderlijke procedure wegens verschillende moleculaire structuren, aantal herleidbare groepen, relatieve moleculaire massa, zuivere kleurstofgehalte, concentratie reductiemiddel, alkaliniteit, agitatie, temperatuur, specifiek oppervlak van de kleurstofvloeistof en hoeveelheid lucht. De methoden voor het fixeren van indigo zijn complexe oxidatie-reductiemechanismen, omdat indigo onoplosbaar is in water en geen affiniteit heeft met cellulosevezels. Indigo kan worden gereduceerd met sterke reductiemiddelen zoals natriumdithioniet (Na2S2O4), hydroxyaceton, waterstof of met elektrochemische methoden. De reductie vindt plaats in aanwezigheid van een hoog alkalisch medium (pH 11-14) door natriumhydroxide, metaalzouten, kaliumoplossing. Het reductiemiddel is een waterstofdonor om zuurstof af te trekken of elektronen aan andere chemicaliën toe te voegen. Tijdens het reductieproces wordt het reductiemiddel geoxideerd. Gereduceerd indigo (leuco enolaat anion vorm) komt met minder kleur aan en is oplosbaar in water, heeft een hoge affiniteit voor cellulosevezels en dringt de open ruimten van de vezels binnen. De geverfde vezels worden blootgesteld aan de lucht en de kleurstofmolecule wordt geoxideerd tot zijn onoplosbare vorm. De onoplosbare kleurstofdeeltjes worden in de vezel opgesloten, waardoor het kledingstuk permanent blauw wordt gekleurd. In tegenstelling tot veel kleurstoffen vormt indigo eerder mechanische dan chemische bindingen.

De omzetting van de kuipkleurstof in leuco-vorm is een heterogene reactie die bestaat uit diffusie van de moleculen van het reductiemiddel naar het oppervlak van de kleurstofdeeltjes, sorptie van het reductiemiddel en chemische reactie tussen de kleurstof en het reductiemiddel aan het oppervlak met de vorming van leuco-verbindingen. De controle van het reductieproces geschiedt door meting van de redoxpotentiaal. Voor vatkleurstoffen ligt het bereik tussen -650 mV en -1000 mV en voor indigokleurstof is het -600 mV . De kinetiek en thermodynamica van de oxidatie-reductie kunnen worden gevolgd met de cyclische voltmeter . Het reductiemechanisme is weergegeven in figuur 3 . Na het verven wordt een oxidatiereactie uitgevoerd om overtollige reductiemiddelen en natriumzouten te verwijderen en worden de gereduceerde kleurstoffen omgezet in onoplosbare pigmenten. Gebruikelijke oxidatiemiddelen zijn waterstofperoxide of zuurstof uit de lucht bij hoge pH, temperatuur en dure en gevaarlijke katalysatoren, metavanadaat.

Figuur 3. Reductie-oxidatiemechanisme van het verven van indigo .
Figuur 3. Mechanisme van reductie-oxidatie van het verven van indigo

Oxiderende stoffen en zuurstof onttrekken waterstof of onttrekken elektronen aan de kleurstof en andere chemische verbindingen. De kleurstof verliest twee elektronen van het anion en wordt het oorspronkelijke pigment met de dubbele zuurstofbinding. Het geproduceerde pigment komt mechanisch los van de vezel en is onoplosbaar in het mengsel. Na de oxidatie worden de kuipkleurstoffen onderworpen aan een warmtebehandeling in een alkalische oplossing met detergenten om het uiteindelijke textiel te verkrijgen. De processen tijdens het wassen zijn onbekend .

5. BEHANDELINGSMETHODEN VOOR INDIVIDUELE KLEURVERWIJDERING

Verfd afvalwater wordt behandeld door middel van chemische, fysische of gecombineerde processen zoals flocculatie met flotatie, elektroflotatie, flocculatie, membraanfiltratie, elektrokinetische coagulatie, elektrochemische vernietiging, ionenuitwisseling, bestraling, precipitatie, ozonatie en de Katox-methode waarbij actieve kool en lucht worden gebruikt . Tabel 4 toont de toepassing van behandelingen op de verschillende soorten kleurstoffen.

Tabel 4. Overzicht van de meest efficiënte behandelingen voor verschillende kleurstoffen .
Tabel 4. Overzicht van de doeltreffendheid van de belangrijkste behandelingsprocédés voor verschillende kleurstofklassen .

5.1 Fysisch-chemische behandelingen
Voor de behandeling van industrieel afvalwater met vatkleurstoffen is chemische coagulatie de meest gebruikte methode. Niet in water oplosbare vatkleurstoffen zijn beoordeeld in een voorbehandeling met flocculanten en coagulanten zoals kalk, aluin, ijzersulfaat en polyelektrolyten, gevolgd door een actief slibproces om de andere verontreinigende stoffen te verwijderen. Mishra en Bajpai hebben een natuurlijk polymeer-slijm, verkregen uit Plantago psyllium, door middel van flocculatie gebruikt voor de verwijdering van C.I. Vat Yellow 4 en C.I. Reactive Black 5 kleurstoffen.

Uit experimentele resultaten blijkt dat slijmstof effectiever is voor de verwijdering van vatkleurstof (71,4%) dan voor reactieve kleurstof (35%). De technologie blijkt eenvoudig, efficiënt en niet-toxisch te zijn en in vergelijking met andere technologieën lage kapitaal- en bedrijfskosten te hebben. Hoewel Marmagne en Coste coagulatie-flocculatiemethoden met lage capaciteit rapporteerden voor zure, directe, reactieve en vatkleurstoffen, is het raadzaam studies op te schalen om het potentieel van de technologie te verifiëren. Tabel 5 bevat de voor- en nadelen van de ontkleuringstechnologieën voor textielafvalwater.

Tabel 5. Voor- en nadelen van enkele ontkleuringsprocédés toegepast op textielafvalwater .
Tabel 5. Voor- en nadelen van enkele niet-biologische ontkleuringsprocédés toegepast op textielafvalwater .

5.2 Chemische behandelingen
Chemische oxidatie maakt gebruik van oxiderende stoffen zoals ozon (O3), waterstofperoxide (H2O2) of permanganaat (MnO4) om de chemische samenstelling van een verbinding of groep verbindingen, d.w.z. kleurstoffen, te wijzigen. In geavanceerde oxidatieprocessen (AOP) worden oxidatiemiddelen gebruikt met katalysatoren (Fe, Mn, TiO2) in de aan- of afwezigheid van een bestralingsbron. Dit proces bevordert de vorming en het gebruik van vrije hydroxylradicalen (HO-radicalen), waardoor de snelheid met verscheidene ordes van grootte toeneemt in vergelijking met andere oxidanten in afwezigheid van een katalysator. Gemeay et al.een reactiemechanisme geëvalueerd voor de heterogene katalyse van indigokarmijnkleurstof met H2O2 als oxidatiemiddel, gekatalyseerd door verschillende metaalcomplexen. Gemeay et al. bestudeerden de katalytische activiteit van polyaniline/MnO2 (PANI/MnO2) bij de oxidatieve afbraak van direct red 81, acid blue 92 en indigokarmijnkleurstoffen in aanwezigheid van H2O2 als oxidant, de reacties volgden een eersteordekinetiek. In de H2O2/UV-processen worden HO radicalen gevormd wanneer water met H2O2 wordt blootgesteld aan UV-licht, gewoonlijk in het bereik van 200-280 nm . Het resultaat van deze reactie is de vernietiging van de kleurstof volgens de volgende reacties:

-> H2O2 + hv 2-OH (1)

-> -OH + Kleurstof Oxidatieprodukten (2)

Dit proces wordt het meest gebruikt in POA voor de behandeling van gevaarlijke verontreinigende stoffen in afvalwater, omdat het geen slib genereert en in korte tijd een hoge CZV-verwijdering bereikt. Aleboyeh et al. evalueerden de ontkleuring van C.I. acid blue 74 of indigokarmijn in waterige oplossing in een H2O2/UV-proces en bepaalden de effecten van de H2O2-dosering, de aanvankelijke kleurstofconcentratie en de pH op de ontkleuringskinetiek in een fotoreactor met continue circulatie.

Photokatalytische afbraak (TiO2/UV) werd onderzocht bij de ontkleuring van indigo en indigokarmijn in waterige en vaste-stof heterogene suspensies; de afbraakroute en tussenproducten werden bepaald. Mohamed et al. evalueerden de adsorptie en mineralisatie van IC (indigokarmijn) in aanwezigheid van UV-straling toegepast op Mn/TiO2SG, Mn/TiO2D-imp, TiO2SG en TiO2D bereid volgens verschillende methoden. De adsorptie van CI was hoger op TiO2D (88%) dan op de andere materialen door de toename van HO-groepen, een hogere oppervlakte/volumeverhouding en een grotere poriënradius die de diffusie van CI vergemakkelijkte. Andere combinaties zoals ozon/TiO2, ozon/TiO2/H2O2 en TiO2/H2O2 zijn onderzocht, maar zij worden sterk beïnvloed door het type kleurstof, de kleurstofconcentratie en de pH. Veel POA-combinaties zijn in staat vrije radicalen te produceren. Fentonprocessen zijn gebruikt als een potentiële bron van hydroxylradicalen uit (H2O2) in aanwezigheid van ijzerkationen (Fe2+) en in een zure oplossing (pH 2-3). Bij Fentonprocessen worden ferro- of ijzerzouten en (H2O2) gebruikt om de vrije radicalen te produceren die in de volgende vergelijkingen worden weergegeven.

Fe2+ + H2O2 — Fe3+ + OH- + .OH (3)

Fe3+ + H2O2 — Fe 2+ + HO2. + (4)

Kasiri et al., onderzochten de toepasbaarheid van Fe- in synthetische zeoliet ZSM5 als heterogene fotofentonkatalysator in aanwezigheid van UV en H2O2 voor de afbraak van indigokleurstof (C.I. Acid Blue 74); uit de studie bleek dat het door het gebruik van dit type katalysator mogelijk is het pH-bereik waarin oxidatie van het Fenton-type kan plaatsvinden, uit te breiden en geen ijzerhydroxideslib te genereren. Elektrochemische methoden hebben grote belangstelling gewekt voor de ontkleuring en afbraak van kleurstofmoleculen. De elektrische stroom wekt redoxreacties op die resulteren in de omzetting/vernietiging van organische verbindingen en de volledige oxidatie daarvan tot CO2 en H2O. Directe oxidatie verwijst naar de overdracht van elektronen naar de verontreinigende stof aan het anodeoppervlak. De voor de oxidatie van organische verbindingen benodigde potentiaal is hoog en nevenreacties zijn onvermijdelijk. Het probleem is echter het gebrek aan ideale anoden die de oxidatie van kleurstof vergemakkelijken, nevenreacties verminderen en een goede elektrochemische stabiliteit vertonen. Sanromán et al. en Fernández en Costa hebben eveneens elektrochemische technieken gebruikt voor het ontkleuren van indigo. Zij maakten gebruik van elektrochemische indigoverbranding, met een aanvankelijke indigoconcentratie van 1 mM, waarbij 100% kleurverwijdering werd verkregen.

5.3 Fysische behandelingen
De adsorptiemethoden voor kleurverwijdering zijn gebaseerd op de hoge affiniteit van veel kleurstoffen voor adsorberende materialen. Ontkleuring door adsorptie wordt beïnvloed door een aantal fysisch-chemische factoren, zoals kleurstof-adsorptie-interacties, adsorberend oppervlak, deeltjesgrootte, temperatuur, pH en contacttijd. De adsorptie van indigokleurstof is geëvalueerd met gebruikmaking van ontwaterd zuiveringsslib van een afvalwaterzuiveringsinstallatie als adsorptiemiddel. Otero et al. onderzochten de potentiële toepassing van zuiveringsslib voor de verwijdering van organische verontreinigende stoffen zoals kristalviolet, indigokarmijn en fenol. De adsorptie van indigokarmijn aan biosorbentia en natuurlijke polymeren is onderzocht door Dos Anjos et al. en Prado et al. Prado et al. bestudeerden de interacties van indigokarmijn met chitosan en chitine. Experimenten met chitosan vertoonden gunstige entropische en enthalpische processen met thermodynamische stabiliteit, terwijl interacties met chitine ongunstige entropische effecten vertoonden met niet-spontane thermodynamische systemen. Ook is de adsorptie getest op afvalmaterialen zoals as van elektriciteitscentrales, een afvalproduct van soja-extractie en uit koffiebonen geëxtraheerde houtskool. Nakamura et al. identificeerden de diffusie van indigokarmijn in de poriën van koffiehoutskool als de beperkende stap in het adsorptieproces.

Sommige onderzoeken melden dat adsorptiemethoden gemakkelijk, veelzijdig en economisch zijn vanwege hun gemakkelijke werking en eenvoudige ontwerp anderen vinden ze dure adsorberende materialen en suggereren dat degradatiemethoden blijven bestaan voor de afbraak van chemicaliën in water. Filtratiemethoden zoals ultrafiltratie (UF), nanofiltratie (NF) en omgekeerde osmose zijn gebruikt voor hergebruik van water en terugwinning van chemicaliën. De specifieke temperatuur en de chemische samenstelling van het afvalwater zijn bepalend voor het type en de porositeit van het filter. De voornaamste problemen bij de membraantechnologie zijn de hoge investeringskosten, de vervuiling en de produktie van een verfbad dat moet worden behandeld. Terugwinning van concentraten uit membranen kan de behandelingskosten beperken. Om de kwaliteit van het water voor hergebruik te verbeteren, zijn samengestelde behandelingen onderzocht; Vandevivere et al. maakten gebruik van omgekeerde osmose, coagulatie, microfiltratie en membraanbehandelingen, Dos santos et al. stelden de opeenvolging van anaërobe/aërobe voorbehandeling en membraannabehandeling voor. Indigo is teruggewonnen door microfiltratie (MF), MF gevolgd door UF en opeenvolgende coagulatie-, MF-, UF- en NF-processen. Unlu et al. stelden vast dat coagulatie geen doeltreffende behandelingsmethode is vanwege de hoge doses coagulant die nodig zijn en de grote hoeveelheden slib die ontstaan. MF gevolgd door NF-behandeling voldoet aan de hergebruikscriteria voor de textielindustrie.

5.4 Aërobe biologische behandelingen voor de verwijdering van indigo en indigokarmijn
Enkele saneringstechnieken zijn microbiële afbraak waarbij gebruik wordt gemaakt van micro-organismen zoals bacteriën en schimmels, fytoremediatie waarbij planten worden gebruikt en sanering met behulp van specifieke enzymen. De bioremediatiemethoden die bij het bleken van verf worden toegepast, omvatten mengsels van culturen, geïsoleerde organismen en geïsoleerde enzymen. Enkele enzymen die in staat zijn kleurstoffen af te breken, worden hieronder onderscheiden (tabel 6). Extracellulaire enzymen zoals laccase en peroxidase worden door schimmels geproduceerd. Mono-oxygenase- en dioxygenase-enzymen zijn intracellulair en aanwezig in levende organismen. Zij veroorzaken de splitsing van aromatische ringen door de incorporatie van zuurstofatomen (biohydroxylering), wat leidt tot carboxylzuren, die in het metabolisme worden gebruikt. Laccase heeft alleen moleculaire zuurstof als co-substraat nodig. Peroxidases zijn alleen afhankelijk van het vermogen van waterstofperoxide als tweede substraat. De toepassing van reductases of oxidases vereist cofactoren zoals NAD(H), NADP(H), of FAD(H), die uiterst duur en economisch niet haalbaar zijn.

Tabel 6. Oxidatieve enzymen gebruikt voor kleurstofontkleuring
Tabel 6. Oxidatieve enzymen gebruikt voor kleurstofontkleuring

Afvalwater op proefschaal en/of op grote schaal kan worden behandeld in bioreactoren met culturen van een of meer geïsoleerde micro-organismen of een mengsel van populaties. In een mengcultuur, waar een consortium van verschillende soorten aanwezig is, kan de verkleuring van de kleurstof het gevolg zijn van de synergetische werking van verschillende micro-organismen. In het algemeen hebben populatiemengsels de hoogste stabiliteit in stressomgevingen die worden veroorzaakt door veranderingen in effluentkarakteristieken zoals temperatuur, pH of samenstelling. Er zijn twee soorten microbiële groei: gesuspendeerde en geïmmobiliseerde cellen, afhankelijk van het type reactor; zo bevatten wervelbedreactoren vrije en beweeglijke pellets die bedekt zijn met lagen geïmmobiliseerde biomassa, terwijl verpakte bedreactoren organismen bevatten die op een drager zijn gefixeerd.

Uit rapporten blijkt dat de enzymafscheiding beter is in geïmmobiliseerde systemen dan in gesuspendeerde culturen .

Systemen met geïmmobiliseerde cellen verbeteren de bedrijfsefficiëntie in bioreactoren, d.w.z. vergroten de processtabiliteit en de tolerantie ten aanzien van belastingsstoringen, gezien de hoge capaciteit per eenheid biomassa en de geringe slibproductie, en dragen ook bij tot de technische doeltreffendheid en de economische haalbaarheid in batchbedrijf voor de ontkleuring van afvalwater .

5.4.1 Bacteriën
Op microschaal evalueerden Yu et al. het ontkleuren van indigo met behulp van een Pseudomonas GM3-cultuur, waarbij 69% werd verwijderd. Op proefschaal ontwikkelden Khelifi, et al. twee soorten groei van gesuspendeerde en geïmmobiliseerde biomassa door aërobe biologische afbraak in een complete-mixreactor en een reactor met vast bed. Het verhogen van de belasting en het verlagen van de HRT belemmerden de ontwikkeling van dit systeem door het loslaten van de biofilm met als gevolg het wegspoelen van de biomassa. Frijters et al. onderzochten de afvalwaterzuivering van het bedrijf Ten Cate Protect in Nederland met behulp van een grootschalig zuiveringssysteem met een anaërobe-aërobe opeenvolging in een wervelbedreactor en een plaatbezinker.

5.4.2 Schimmels
De indigokleurstof werd via elektronenoverdracht van laccase in isatine omgezet en door decarboxylering ontstaat een antranilzuur als stabiel oxidatie-eindproduct (figuur 4). Er werd voorgesteld dat de afbraak verloopt via dehydroindigo als een tussenreactie. De functie van laccase is het verhogen van de gevoeligheid van de kleurstof voor hydrolytische aantasting door water. Bij de peroxidase-gekatalyseerde ontkleuring van indigokarmijn wordt isatinesulfonzuur gevormd, hoewel een stabiel rood oxidatieproduct werd waargenomen wanneer mangaanperoxidase van Phanerochaete chrysosporium werd gebruikt. De auteurs suggereerden dat het rode product een dimeercondensatieproduct van indigokarmijn was, dat niet was gevormd met lignine-peroxidase als katalysator.

Figuur 4. Oxidatief afbraaktraject voor indigokleurstof .
Figuur 4. Oxidatief afbraaktraject voor indigokleurstoffen .

Tabel 7 geeft een overzicht van de schimmels die indigokleurstof oxideren.

Tabel 7. Schimmels voor indigokleurstofverwijdering.
Tabel 7. Schimmels voor het verwijderen van indigokleurstof.

5.5 Anerobe biologische behandelingen voor de verwijdering van indigokleurstof en indigokarmijn

5.5.1 Bacteriën
Fischer-Colbrie et al. evalueerden de anaerobe afbraak van een mengsel van micro-organismen met acetaat en indigokarmijn als koolstofbron. De afbraak werd geëvalueerd met een indigoconcentratie van 150 mg/l. Het volgende afbraakmechanisme werd voorgesteld (figuur 5). Manu en Chaudhari observeerden de effecten van totale alkaliteit, oxidatiereductiepotentiaal op de verwijdering van kleur en CZV onder sub-mesofiele anaërobe omstandigheden, geëvalueerd in een batchreactor met behulp van een mengsel van bacterieculturen met synthetisch afvalwater van een katoenbedrijf.

Figuur 5. Voorgesteld mechanisme van de afbraakroute van indigokarmijn .
Figuur 5. Voorgesteld mechanisme van het afbraaktraject van indigokarmijn.

Chen et al, evalueerde de effectiviteit van zes stammen geïsoleerd uit slib van meren in Hsinchu, Taiwan en slib van een afvalwaterzuiveringsinstallatie in Miaoli, Taiwan voor de afbraak van 24 kleurstoffen waaronder zuurblauw 74 of indigokarmijn, De bacterie Aeromonas hydrophila werd geselecteerd en geïdentificeerd als de bacterie met de hoogste afbraaksnelheid voor de 24 kleurstoffen; voor IC werd na 1 dag incubatie een verwijdering van 60+/-2% en na 7 dagen een verwijdering van 84+/-3% verkregen bij een kleurstofconcentratie van 100 mg/L. De isolaten werden gekweekt onder anoxische omstandigheden, maar de biochemische en fysiologische profielen van Aeromonas hydrophila vertoonden aërobe en anaërobe groei. Tabel 8 bevat de biologische behandelingen om de indigokleur te verwijderen.

Tabel 8. Biologische behandeling van textiel effluenten voor indigo kleurverwijdering.
Tabel 8. Biologische behandeling van textielafvalwater voor de verwijdering van indigokleurstof.

6. CONCLUSIES

Er bestaan fysisch-chemische, chemische, fysische en biologische technologieën voor de behandeling van textielafvalwater met indigo. De keuze van de behandeling hangt af van de kwaliteit van het effluentwater, het gebruik, de kosten van de technologie en de voor- en nadelen.

Niet-biologische behandelingen geven weliswaar uitstekende verwijderingsresultaten te zien, maar het ontbreekt aan economische studies, overdracht van verontreiniging en continuïteit van adequate resultaten op grote schaal. Behandelingssystemen met micro-organismen zijn in staat om recalcitrante kleurstoffen af te breken tot mineralisatie. De doeltreffendheid van deze behandelingen hangt af van de overleving en het aanpassingsvermogen van de micro-organismen tijdens het behandelingsproces. Biologische behandelingen zijn vaker opgeschaald en richten zich steeds meer op cellen die zijn geïmmobiliseerd met microbiële consortia.

ADDESSES

Dit werk werd gefinancierd door het project: “Evaluatie van biologische behandeling voor indigokleurverwijdering uit industrieel textielafvalwater door een microbieel consortium in een gefluïdiseerd bed – dime bicentenario met code quipu2020100773.

REFERENCIAS