Advances in Dye Removal Technologies PDF by Mihir Kumar Purkait, Sirshendu De, and Sourav Mondal

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Advances in Dye Removal Technologies
by Mihir Kumar Purkait, Sirshendu De, and Sourav Mondal
advances in Dye Removal Technologies


Contents

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Environmental Problems Associated with the Colored
Industrial Effluent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Toxicity Levels and Allowable Limits of Various Dye
Concentrations in Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Existing Processes for the Separation of Dye from
Wastewater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Molecular Structures of Commonly Found Dyes
in Wastewater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2 Adsorption of Dyes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.1 Application of Adsorption in the Treatment
of Process Wastewater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2 Experimental Studies of Dye Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.1 Batch Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.2 Column Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3 Generalized Shrinking Core Model for Batch Adsorption
Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.1 Numerical Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.4 Discussion of Mathematical Model Analysis . . . . . . . . . . . . . . 68
2.4.1 Thomas Model (Thomas 1944) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.4.2 Adams-Bohart Model (Bohart and Adams 1920) . . . . . 70
2.4.3 Yoon-Nelson Model (Yoon and Nelson 1984) . . . . . . . 71
2.4.4 Clark Model (Clark 1987) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.4.5 Bed Depth/Service Time (BDST) Model
(Goel et al. 2005) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.4.6 Pore Diffusion-Adsorption Model . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.5 Various Types of Adsorbents Used for Dye Adsorption . . . . . . 73
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3 Adsorption of Dyes from Actual Effluent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.1 Characterization of the Textile Effluent . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.2 Characterization of the Adsorbent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.3 Adsorption Equilibrium Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.3.1 Effect of Temperature on the Equilibrium Study
of Crystal Violet and Methylene Blue . . . . . . . . . . . . . 103
3.3.2 Effect of Adsorbent Particle Sizes on the Equilibrium
Study of Crystal Violet and Methylene Blue . . . . . . . . 105
3.3.3 Equilibrium Isotherm Studies for Crystal Violet
and Methylene Blue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.3.4 Equilibrium Study with the Reactive Dyes . . . . . . . . . 109
3.3.5 Single Component Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.3.6 Two-Component System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.4 Adsorption Kinetic Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.4.1 Comparison of the Dye Removal Rate of CSD
and GAC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.4.2 Effect of pH on the Rate of Adsorption . . . . . . . . . . . . 115
3.4.3 Effect of Stirrer Speed in the Adsorption . . . . . . . . . . . 116
3.4.4 Modeling of Adsorption Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.4.5 Two-Component System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.4.6 Model Predictions of the Kinetic Data . . . . . . . . . . . . . 121
3.4.7 Effect of Particle Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.4.8 Effect of Initial Dye Concentration . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.4.9 Effect of Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.4.10 Effect of Adsorbent Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.4.11 Kinetic Study of the Reactive Dye System . . . . . . . . . 127
3.4.12 Effect of pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.4.13 Effect of Particle Size of Adsorbent . . . . . . . . . . . . . . 129
3.4.14 Effect of Initial Concentration of Dye . . . . . . . . . . . . . 130
3.4.15 Model Predictions of the Kinetic Data for the
Two-Component System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.4.16 Sensitivity Analysis of the Model Parameters . . . . . . . 131
3.5 Adsorption Studies Using Industrial Effluent . . . . . . . . . . . . . . 134
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4 Surfactant-Enhanced Carbon Regeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.1 Basics of Surfactant-Enhanced Carbon Regeneration . . . . . . . . 142
4.2 Experimental Study of Desorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.2.1 Desorption Kinetic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.3 Effect of pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.4 Effect of Different Surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.4.1 Desorption of Chrysoidine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.4.2 Desorption of Eosin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.4.3 Desorption of Congo Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5 Nanofiltration of Dyes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.1 Theoretical Description of Membrane Filtration of Dyes . . . . . . 155
5.1.1 Single Component System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.1.2 Solution Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.1.3 Two-Component System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.1.4 Solution Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.1.5 Cross Flow System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.2 Experiments in Unstirred Batch Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.2.1 Single Component System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.2.2 Two-Component System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.3 Nanofiltration of the Textile Effluent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
5.3.1 Estimations from Model for Two-Component
System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.4 Nanofiltration of the Textile Effluent in Hollow Fiber
Membrane System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6 Hybrid Treatment Method of Industrial Effluent . . . . . . . . . . . . . . 199
6.1 Adsorption Followed by Nanofiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.1.1 Adsorption Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.1.2 Adsorption Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.1.3 Cross Flow Flat Sheet Membrane Filtration . . . . . . . . . 204
6.1.4 Direct Nanofiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.1.5 Comparison of Adsorption Followed by Nanofiltration
and Direct Nanofiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.2 Advanced Oxidation Processes (AOP) Followed
by Nanofiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
6.2.1 Two-Stage Nanofiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.2.2 Comparison of AOP Followed by Nanofiltration
(Scheme 1) and Two-Stage Nanofiltration
(Scheme 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
6.3 Adsorption Followed by Microfiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7 Micellar-Enhanced Ultrafiltration (MEUF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.1 Micelle Formation and Solubilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7.2 Selection of Surfactant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
7.3 Applications of MEUF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
7.4 Micellar-Enhanced Ultrafiltration of Dye . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.4.1 Effects of Operating Pressure and Feed CPC
Concentration on the Permeate Flux and Observed
Retention of Eosin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
7.4.2 Effects of Feed Eosin Concentration on the Observed
Retention of Dye at Fixed CPC Concentration . . . . . . . 234
7.4.3 Flux Decline Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
7.5 Theoretical Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
7.5.1 Short-Term Flux Decline: Reversible Pore Blocking
(t < 180 s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
7.5.2 Long-Term Flux Decline: Growth of Gel-Type Layer
(t > 180 s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
7.5.3 Determination of the Constants in Short-Term Flux
Decline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.5.4 Total Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.5.5 Determination of the Specific Resistance
of the Gel-Type Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
7.5.6 Determination of the Constants in the Reversible
Pore Blocking Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
7.5.7 Determination of the Gel Concentration
of CPC Micelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
7.5.8 Determination of the Gel Porosity . . . . . . . . . . . . . . . . 243
7.5.9 Analysis of Various Resistances . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
7.6 MEUF in Continuous Cross Flow Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
7.6.1 Effect of the Feed CPC Concentration on Permeate
Flux and the Retention of Both Dye and CPC . . . . . . . 249
7.6.2 Effect of the Feed Dye Concentration on the Permeate
Flux and Retention of Both Dye and CPC . . . . . . . . . . 250
7.6.3 Effect of Pressure Drop on the Observed Retention
of Dye and Permeate Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.6.4 Effect of Cross Flow Rate on the Observed Retention
of Dye and Permeate Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.7 Regeneration of Surfactant from the Permeate and Retentate
Stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
7.7.1 Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
7.7.2 Regeneration of Surfactant from Permeate Stream . . . . 253
7.7.3 Regeneration of Surfactant from Retentate Stream . . . . 254
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
8 Cloud Point Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
8.1 Mechanism of Phase Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
8.2 Applications of Cloud Point Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
8.3 Effects of Surfactant Concentration on Extraction . . . . . . . . . . . 259
8.3.1 Chrysoidine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
8.3.2 Eosin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
8.3.3 Congo Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
8.4 Effects of Dye Concentration on Extraction . . . . . . . . . . . . . . . 265
8.4.1 Chrysoidine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
8.4.2 Eosin and Congo Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
8.5 Effects of Temperature on Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
8.5.1 Chrysoidine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
8.5.2 Eosin and Congo Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
8.6 Effects of pH on Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
8.7 Effects of Salt Concentration on Extraction . . . . . . . . . . . . . . . 273
8.7.1 Chrysoidine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
8.7.2 Eosin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
8.7.3 Congo Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
8.8 Determination of Design Parameters for Cloud Point
Extraction of Congo Red and Eosin Dyes Using TX-100 . . . . . 276
8.8.1 Solubilization Isotherm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
8.8.2 Variation of Fractional Coacervate Phase Volume . . . . 280
8.8.3 Determination of Surfactant Requirement for the
Removal of Dye to a Desired Level Without
Using Salts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
8.8.4 Surfactant Recovery by Solvent Extraction (SE) . . . . . 285
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
9 Electrocoagulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
9.1 Design of Electrocoagulation Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
9.2 Removal of Dyes Using Electrocoagulation . . . . . . . . . . . . . . . 300
9.2.1 Effect of Current Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
9.2.2 Effect of Initial Dye Concentration . . . . . . . . . . . . . . . 302
9.2.3 Effect of Initial pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
9.2.4 Effect of Interelectrode Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
9.2.5 Effect of Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
9.2.6 Energy Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
9.2.7 Characterization of Treated Dye Solution and
By-Products Obtained from EC Bath . . . . . . . . . . . . . . 306
9.2.8 Operation Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
9.3 Benefits and Drawbacks of Electrocoagulation . . . . . . . . . . . . . 309
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
10 Emulsion Liquid Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
10.1 Emulsion Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
10.2 Effect of Surfactant Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
10.3 Effect of NaOH Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
10.4 Effect of Stirring Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
10.5 Effect of Feed Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
 

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