Stageverslag. Biofilter. Jonathan Willems

Transcriptie

1 Stageverslag Biofilter Jonathan Willems juni 2011

2 Inhoudsopgave 1 Inleiding 1 2 Ozon Eigenschappen Voorkomen Gebruik Gevaren Bestendigheid materialen Styreen Eigenschappen Gevaren Gebruik Wetgeving Biofilter Principe Beïnvloedende factoren Temperatuur Concentratie Contacttijd Biofiltermateriaal Ozon en styreen Reactieproducten Proefopstelling Algemeen Micro-organismen Parameters Adsorptie Concentratie Contacttijd Temperatuur Biofiltermateriaal i

3 INHOUDSOPGAVE ii 6.4 Resultaten Bibliography 18

4 Hoofdstuk 1 Inleiding In het onderzoek is het de bedoeling om na te gaan hoe goed styreen in een luchtstroom goed wordt afgebroken in een biofilter. Hiervoor wordt er een proefopstelling met een biofilter op laboschaal opgezet waarin styreen gedoseerd wordt. De afbraak wordt opgevolgd en na het aanpassen van de micro-organismen aan styreen wordt er met verschillende concentraties getest om de maximale mogelijke afbraak te weten te komen en het verband tussen afbraak en ingangsconcentratie. Hierna wordt er een ozongenerator aan de opstelling toegevoegd om na te gaan of het rendement van de biofilter verbetert indien er ozon wordt toegevoegd aan de luchtstroom voor de biofilter. Af en toe worden drogestofgehalte en het nutriëntengehalte van biofiltermateriaal bepaald, ook geleidbaarheid en ph worden onderzocht. Voor de proefopstelling worden 2 pompen gebruikt. Één pomp om de zuivere hoofdluchtstroom te voorzien, deze wordt door een wasfles geleid om de lucht met water te verzadigen om te voorkomen dat het biofiltermateriaal uitdroogt. De tweede pomp met een veel lager debiet wordt gebruikt om styreen te doseren. Voor meer informatie zie Hoofdstuk 6: Proefopstelling. 1

5 Hoofdstuk 2 Ozon 2.1 Eigenschappen Ozon is een enkelvoudige stof opgebouwd uit zuurstofatomen. Bij normomstandigheden is ozon een blauw gas, in vloeibare vorm is het donkerblauw.het kookpunt ligt op -112 C en het smeltpunt op -193 C. Ozon is bijtend en giftig en heeft een doordringende geur. Figuur 2.1 Structuur van ozon Ozon is een sterke oxidator, dit kan in sommige toepassingen benut worden. 2.2 Voorkomen 2.3 Gebruik Ozon is desinfecterend en wordt vaak omwille van deze eigenschap gebruikt. Het kan gebruikt worden om bijvoorbeeld drinkwater te ontsmetten, een voordeel van ozon t.o.v. dichloor is dat het geen smaak achterlaat. Ozon wordt ook gebruikt andere doeleinden zoals: ˆ ˆ ˆ desinfectie oppervlaktes verwijderen van sporen van gisten uit de lucht schoonmaken en bleken van stoffen 2

6 2.4 Gevaren 3 ˆ ˆ ˆ ˆ ontgeuren verwijderen van schadelijke stoffen uit water (herbiciden) als oxidatiemiddel voor organische verontreinigingen ozonolyse 2.4 Gevaren 2.5 Bestendigheid materialen Bepaalde materialen zijn zeer gevoelig voor contact met ozon, zo kunnen ze op korte of lange termijn degraderen of uiteenvallen. Om deze reden moet er rekening gehouden worden met de keuze van materialen van installaties waarin ozon gebruikt wordt. Bijvoorbeeld voor een een biofilter indien men ozon als voorbehandelingstechniek wilt gebruiken. Ook moeten dichtingen in ozonbestendig materiaal gebruikt worden om lekken te voorkomen. Een lijst van materialen en hun bestendigheid tegen ozon is te vinden in tabel 2.1. In de proefopstelling worden kolomen in plexiglas gebruikt, maar deze is niet opgenomen is in tabel 2.1. Volgens eplastics.com is plexiglas resitent tegen ozon, er werd geen schade vastgesteld na 30 dagen. Het materiaal kan ozon moglijks jaren tolereren (2).

7 2.5 Bestendigheid materialen 4 Tabel 2.1 Ozonbestendigheid materialen Deze materialen werden getest met ozonconcentraties boven 1000ppm A Zeer goed A Zeer goed In lucht C Gemiddeld in lucht Butyl Gegalvaniseerd staal Polyethyleen Chemraz CPVC B Goed C Gemiddeld in water Durachlor-51 ABS plastic Gegalvaniseerd staal Durlon 9000 Aluminum EPR Messing D Slecht Ethyleen-Propyleen Brons Magnesium Fluorosilicone Koper Staal (Mild, HSLA) Glas LDPE Zink Hastelloy-C Polyacrylate Inconel Polysulfide D Zeer slecht Kel-F (PCTFE) PVC Buna-N (Nitrile) PEEK Tygon Natuurlijk rubber Polycarbonaat Roestvrij staal Nylon Polyurethaan, Millable PTFE (Teflon ) B Goed in water PVDF (Kynar ) Polyethyleen Santopreen Silicone C Gemiddeld Roestvrij staal Acetal (Delrin ) Teflon Gietijzer Titanium Hypalon Vamac Hytrel Viton EPDM Kalrez HDPE Flexelene Monel Neopreen Polypropyleen

8 Hoofdstuk 3 Styreen 3.1 Eigenschappen Styreen is een aromatische verbinding met brutoformule C 8 H 8 of C 6 H 5 CH CH 2 en heeft volgende structuur: Figuur 3.1 Structuur van ozon Enkele andere namen voor styreen zijn vinylbenzeen, fenylethyleen of ethenylbenzeen. Styreen heeft een molecuulmassa van 104,1g/mol en komt voor als een kleurloze tot gele olieachtige vloeistof. Tabel 3.1 Fysische eigenschappen van styreen Eigenschap Waarde Eenheid Oplosbaarheid in water bij 25 C 0,3 g/l Relatieve dampdichtheid t.o.v. lucht 3,6 - Relatieve dichtheid t.o.v. water 0,9 - Kookpunt 145 C Smeltpunt -30,6 C Molecuulmassa 104,1 g/mol Viscositeit bij 25 C 0,7 mpa.s Vlampunt 31 C Zelfontbrandingstemperatuur 490 C Explosiegrenzen styreen in de lucht 0,9-6,8 vol% Dampspanning bij 25 C 8,6 mm Hg 5

9 3.2 Gevaren Gevaren Fysische gevaren Ten gevolge van stroming, beweging, enz. kan electrostatische lading worden opgewekt. Chemische gevaren De stof kan ontplofbare peroxides vormen. De stof kan polymerizeren tengevolge van verwarming onder invloed van licht en bij contact met veel stoffen zoals zuurstof, oxidatiemiddelen, peroxides en sterke zuren waardoor brand- of ontploffingsgevaar ontstaat. De stof ontleedt bij verbranding met vorming van giftige dampen, styreenoxide. Tast koper en koperlegeringen aan. Blootstellingsgrenzen Drempelwaarde: 20 ppm als TWA; STEL: 40 ppm (huid, A4) (ACGIH 2002). Kortstondige blootstelling De stof is irriterend voor de ogen, de huid en de luchtwegen. Als deze vloeistof wordt ingeslikt en daarna in de luchtwegen terecht komt, kan chemische longontsteking ontstaan. Blootstelling kan het bewustzijn verminderen. Langdurige of herhaalde blootstelling Herhaald of langdurig huidcontact kan huidontsteking veroorzaken. Herhaald of langdurig contact kan de huid gevoelig maken. Herhaalde of langdurige inademing kan asthma veroorzaken. De stof kan effecten hebben op het centraal zenuwstelsel. Deze stof is mogelijk kankerverwekkend bij de mens. 3.3 Gebruik Wetgeving De normen die te vinden is in bijlage van Vlarem II beperkt de uitstoot van styreen tot 100,0 mg/nm 3 bij een massastroom van 2000g/u of meer. Dit is bij een temperatuur van 0 C en 1013hPa.

10 Hoofdstuk 4 Biofilter 4.1 Principe 4.2 Beïnvloedende factoren Temperatuur Concentratie Contacttijd Biofiltermateriaal Algemeen ph Vochtigheidsgraad 7

11 Hoofdstuk 5 Ozon en styreen 5.1 Reactieproducten Styreen vormt met ozon formaldehyde, benzaldehyde en een zeer klein aandeel methaanzuur. Tuazon et al (1993) observeerden de vorming van formaldehyde (37±5%), benzaldehyde (41±5%) en methaanzuur (1-2%). Grosjean en Grosjean (1996) rapporteerden een aandeel formaldehyde en benzaldehyde van 34±5% en 64±7% (1). O (a) benzaldehyde H H O C H (b) formaldehyde (c) methaanzuur Figuur 5.1 Afbraakproducten van styreen met ozon k O3 +styreen = 1, cm 3.molec 1.s 1 (5.1) 8

12 Hoofdstuk 6 Proefopstelling 6.1 Algemeen De bedoeling van de proefopstelling is om na te gaan hoe goed styreen wordt afgebroken met een biofilter, en of dit beter kan indien ozon wordt toegevoegd om styreen te oxideren. De proefopstelling voor afbraak van styreen in een biofilter omvat 2 cilindrische die te zien zijn in het schematisch overzicht op Figuur 6.3. De eerste kolom (links) wordt bij de eerste proeven niet benut, het mengsel van bevochtigde lucht en styreen wordt er gewoon door geleid naar de kolom met biofiltermateriaal. Het biofiltermateriaal bestaat uit schors, aangereikt met nutriënten voor de goede groei van de micro-organismen. Meer eigenschappen van de opstelling zijn te vinden in tabel 6.1. Afzuiging Pomp 1 Wasfles Kolom 1 (ozon) Kolom 2 (biofilter) Pomp 2 Styreen Figuur 6.1 Proefopstelling biofilter styreen 9

13 6.1 Algemeen 10 Om een styreen beladen luchtstroom te verkrijgen worden er 2 pompen gebruikt. Pomp 1 wordt gebruikt voor de hoofdluchtstroom en heeft een debiet van ongeveer 3,7 m 3 /h. De lucht wordt door een wasfles geleid om de lucht te bevochtigen. De lucht mag niet te droog zijn om verdroging van de biofilter te voorkomen zoals te zien in Figuur 6.2. De eerste weken van de proef werd enkel een kleine wasfles gebruikt, maar deze was te snel leeg. Daarna werd er een wasfles van 2 liter gebruikt, enkel deze kan de lucht onvoldoende bevochtigen. Daarom werd de kleinere wasfles in serie gezet, hierdoor werd een vochtigheidsgraad van 90% bereikt. Over langere perioden zoals weekends is de hoeveelheid water in de tweede wasfles echter onvoldoende. Hierdoor zal het biofiltermateriaal meer verdrogen. Pomp 2 zorgt voor de belasting met styreen door een bepaald debiet door een fles met styreen te leiden. Hierdoor is er een hoge concentratie aanwezig in de luchtstroom, deze wordt gemengd met de hoofdluchtstroom. De concentratie is te regelen door het debiet te bepalen dat door de fles styreen wordt gestuurd. Het debiet kan geregeld worden door regelkraantjes. Het maximale debiet van de pomp bedraagt 0,3 m 3 /h. Figuur 6.2 Verdroging onderaan biofilter

14 6.1 Algemeen 11 Figuur 6.3 Proefopstelling: Overzicht Tabel 6.1 Eigenschappen proefopstelling Eigenschap Diameter Oppervlakte Hoogte (biofilter) Volume Biofiltermateriaal Biofiltermateriaal DS Biof. in kolom Drogestofgehalte Drogestof Debiet Contacttijd Oppervlaktebelasting Waarde 0,2 0, , ,2 44 5, ,5 Eenheid m m2 m m3 kg/m3 kg/m3 kg % kg m3 /h s m/h

15 6.2 Micro-organismen 12 (a) Grote pomp (b) Kleine pomp (c) Wasfles en fles gevuld met styreen Figuur 6.4 Onderdelen van proefopstelling 6.2 Micro-organismen Het principe van een biofilter is dat de micro-organismen die op organisch materiaal leven verontreinigende stoffen kunnen afbreken. De afbraak is afhankelijk van verschillende factoren, deze worden besproken in sectie 6.3. Vaak zijn het bacterie n die een grote bijdrage hebben aan de afbraak van verontreinigende stoffen zoals styreen. Tijdens de testperiode is er echter een sterke schimmelgroei waargenomen zoals te zien in Figuur 6.5. Schimmels groeien goed bij een lage ph en op materiaal dat niet te vochtig is. De hele testperiode is er schimmelgroei waargenomen, maar een sterke toename van schimmelgroei is waargenomen vanaf week 4 na de opstart. Het drogestofgehalte bedroeg toen gemiddeld 65% en de ph 6,95. Het vers biofiltermateriaal had een drogestofgehalte van 43% en een ph van 7,60. Zie de vergelijking in tabel 6.2. Ondanks de neutrale omgeving doen de schimmels het goed, dit kan zijn ten gevolge van een slechte bevochtiging waardoor het biofiltermateriaal uitdroogt en de omstandigheden voor bacterie n minder optimaal zijn, hierdoor nemen de schimmels

16 6.3 Parameters 13 Figuur 6.5 Schimmel bovenaanzicht biofilter de plaats en functie van de bacterie n over Parameters Adsorptie Styreen zal adsorberen aan het biofiltermateriaal waar de bacterie n op groeien, de mate waarin dit gebeurt is afhankelijk van verschillende factoren. In de eerste plaats is de mate van adsorptie afhankelijk van het gebruikte biofiltermateriaal. Een belangrijke eigenschap die dit beı nvloed is de actieve oppervlakte en is afhankelijk van de structuur, textuur en grootteverdeling. Ook het vochtgehalte van het materiaal en de concentratie van styreen in de luchtstroom spelen een belangrijke rol. Het gebruikte materiaal in de biofilter van de proefopstelling is over het algemeen redelijk grof met grote stukken schors Concentratie Zoals vermeld in Hoofdstuk 4 over de biofilter is de afbraak van organische stoffen onder andere afhankelijk van de concentratie ervan. De eleminatiecapaciteit werd nagegaan bij verschillende concentraties styreen, het resultaat van deze test is te zien in Figuur 6.6. Zoals te zien is de maximale belasting van de biofilter om 100% rendement afbraak te halen kleiner dan 10 g/m3.h. De optimale concentratie ligt tussen 6-8 g/m3.h, de concentraties liggen in de praktijk vaak hoger dan 60ppm of omgerekend 260mg/m3. In de proefopstelling werd een rendement van 60% bereikt bij deze concentratie,

17 6.4 Resultaten 14 Figuur 6.6 Eliminatiecapaciteit van styreen in een biofilter dit met een belasting van 17,7 g/m 3.h. Bij grote debieten zoals bijvoorbeeld bij Vosschemie waar een maximaal debiet is van m 3 /h zou hiervoor een biofilter nodig zijn van Om de belasting te verminderen kan een grotere biofilter gebouwd worden, maar dit is kostelijk en niet altijd haalbaar. Daarom wordt ook nagegaan of het rendement kan verbetert worden door styreen alvorens het naar de biofilter te sturen te laten reageren met ozon Contacttijd Temperatuur Biofiltermateriaal Nutriënten ph, geleidbaarheid en DS 6.4 Resultaten

18 6.4 Resultaten 15 Tabel 6.2 ph, geleidbaarheid en DS materiaal DS ph T EC kg C µs/cm 22/02/11 vers 43% 7,60 14, /02/11 bovenkant 45% 21/03/11 bovenkant 55% 6,95 22,0 725 midden 63% onderaan 77% 7,02 22,0 857

19 Lijst van figuren 2.1 Structuur van ozon Structuur van ozon Afbraakproducten van styreen met ozon Proefopstelling biofilter styreen Verdroging onderaan biofilter Proefopstelling: Overzicht Onderdelen van proefopstelling Schimmel bovenaanzicht biofilter Eliminatiecapaciteit van styreen in een biofilter

20 Lijst van tabellen 2.1 Ozonbestendigheid materialen Fysische eigenschappen van styreen Eigenschappen proefopstelling ph, geleidbaarheid en DS

21 Bibliografie [1] William P. L. Carter, Dongmin Luo, and Irina L. Malkina. Investigation of the atmospheric impacts and ozone formation potentials of styrene. engr.ucr.edu/ carter/pubs/styrept.pdf, march [2] Ridout Plastics Co. Inc. Chemical resistance of plexiglass acrylic. Library/ Chemical-Resistance-of-Plexiglass-Acrylic. 18