Απομάκρυνση φωσφορικών ιόντων από υδατικά διαλύματα με χρήση οργανικά τροποποιημένων ορυκτών

Μποτσάκος, Θεόδωρος; Botsakos, Theodoros

dc.contributor.author	Μποτσάκος, Θεόδωρος	el
dc.contributor.author	Botsakos, Theodoros	en
dc.date.accessioned	2018-03-12T11:50:40Z
dc.date.available	2018-03-12T11:50:40Z
dc.date.issued	2018-03-12
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46681
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15249
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	Φώσφορος	el
dc.subject	Μπεντονίτης	el
dc.subject	Μπετονίτης	el
dc.subject	Ζεόλιθος	el
dc.subject	Phosphorus	el
dc.subject	Bentonite	el
dc.subject	Zeolite	el
dc.title	Απομάκρυνση φωσφορικών ιόντων από υδατικά διαλύματα με χρήση οργανικά τροποποιημένων ορυκτών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ορυκτολογία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-02-13
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η δυνατότητα απομάκρυνσης φωσφορικών ιόντων από υδατικά διαλύματα με χρήση οργανικά τροποποιημένων ορυκτών. H αύξηση του πληθυσμού της γης και η επακόλουθη αύξηση της ανάγκης της ανθρωπότητας σε τρόφιμα, σε συνδυασμό με την ανάπτυξη της βιομηχανικής δραστηριότητας που παρατηρείται με το πέρασμα των χρόνων, υποδεικνύουν την ανάγκη για διαθεσιμότητα ολοένα και μεγαλύτερης ποσότητας φωσφόρου. Παράλληλα ο φώσφορος αναγνωρίζεται τα τελευταία χρόνια ως μία κρίσιμη πρώτη ύλη, καθώς η εξόρυξή του εμφανίζει μεγάλο οικονομικό ρίσκο. Στα υδατικά διαλύματα ο φώσφορος εμφανίζεται με τέσσερις διαφορετικές μορφές, ανάλογα με το pH του διαλύματος. Οι μορφές αυτές είναι το τρισθενές ανιόν, ΡΟ4-3, το δισθενές ανιόν, ΗΡΟ4-2, το φωσφορικό ιόν, Η2ΡΟ4-,και το φωσφορικό οξύ, Η3ΡΟ. Στην παρούσα εργασία η ικανότητα απομάκρυνσης φωσφορικών ιόντων μελετήθηκε για δύο ορυκτά: τον ζεόλιθο και τον μπεντονίτη. Για την διεξαγωγή των πειραμάτων, χρησιμοποιήθηκαν υδατικά διαλύματα με συγκέντρωση φωσφορικών ιόντων, ανάλογη με αυτή που συναντάται σε διάφορα ρεύματα υγρών αποβλήτων. Τα ορυκτά τροποποιήθηκαν οργανικά με την κατιονική επιφανειοδραστική ουσία HDTMA-Br. Πιο συγκεκριμένα, ερευνήθηκε για τα ορυκτά ζεόλιθο και μπεντονίτη η κινητική προσρόφησης φωσφορικών ιόντων και η προσρόφηση φωσφορικών ιόντων συναρτήσει του pH (2-12 για το ζεόλιθο, 2-10 για τον μπεντονίτη). Στη συνέχεια μελετήθηκε η προσρόφηση φωσφορικών ιόντων από ζεόλιθο συναρτήσει της συγκέντρωσης των φωσφορικών ιόντων (5-100 mg/l) και της συγκέντρωσης ορυκτού (1-50 g/l). Στη συνέχεια, διερευνήθηκε η ικανότητα εκρόφησης φωσφορικών ιόντων από τα παραπάνω ορυκτά. Τα εκροφητικά μέσα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν το χλωριούχο κάλιο (ΚCl) το χλωριούχο νάτριο (NaCl) και το απιονισμένο νερό. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης των εκροφητικών μέσων (0,1-3 Μ) για pH=9 (pH που προέκυπτε χωρίς ρύθμιση) και της τιμής του pH (6-12) στην απόδοση της εκρόφησης για συγκέντρωση των αλάτων στο διάλυμα 3Μ. Η μελέτη της κινητικής απομάκρυνσης φωσφορικών ιόντων από υδατικό διάλυμα με τα ορυκτά ζεόλιθο και μπεντονίτη έδειξε ότι η απομάκρυνση των φωσφορικών ιόντων έχει ολοκληρωθεί πρακτικά μετά την πάροδο 2ωρών ανάδευσης του διαλύματος. H βέλτιστη τιμή pH προσρόφησης βρέθηκε 11 για τον ζεόλιθο και 7 για τον μπεντονίτη. Η απομάκρυνση φωσφορικών ιόντων από μπεντονίτη εμφανίστηκε τόσο χαμηλή ώστε η διαδικασία ρόφησης φωσφορικών και η μετέπειτα εκρόφησή τους να κρίνεται πρακτικά ασύμφορη. Για τον λόγο αυτό στους ακόλουθους πειραματικούς κύκλους μελετήθηκε μόνο ο ζεόλιθος. Η μελέτη της παραμέτρου της αρχικής συγκέντρωσης των φωσφορικών ιόντων στην απομάκρυνση φωσφορικών ιόντων από οργανικά τροποποιημένο ζεόλιθο έδειξε ότι για συγκεντρώσεις φωσφορικών ιόντων έως και 50 mg/LPO4- παρατηρείται το ίδιο ποσοστό απομάκρυνσης. Για συγκεντρώσεις μεγαλύτερες από την προαναφερθείσα το ποσοστό απομάκρυνσης μειώνεται σε μεγάλο βαθμό. Η εξέταση της επίδρασης της συγκέντρωσης του τροποποιημένου ζεόλιθου στην απομάκρυνση φωσφορικών έδειξε ότι η αύξηση της συγκέντρωσης του ζεόλιθου έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του ποσοστού απομάκρυνσης. Σχετικά με την μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης των εκροφητικών μέσων διαλυμάτων KCl, NaCl, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αύξηση της συγκέντρωσής των εκροφητικών μέσων οδηγεί σε αύξηση του ποσοστού εκρόφησης φωσφορικών ιόντων. Από τα διάφορα διαλύματα των δύο αλάτων που μελετήθηκαν, το διάλυμα KCl συγκέντρωσης 3Μ εμφάνισε την μεγαλύτερη εκρόφηση με ποσοστό 63%. Η μελέτη της επίδρασης του pH στην εκρόφηση φωσφορικών ιόντων με εκροφητικά μέσα KCl και ΝaCl έδειξε ότι το βέλτιστο pHεκρόφησης είναι 6 και για τα δύο εκροφητικά μέσα. Από τα διάφορα διαλύματα των δύο αλάτων που μελετήθηκαν το διάλυμα KCl συγκέντρωσης 3Μ εμφάνισε τα καλύτερα αποτελέσματα εκρόφησης στο pH=6 με ποσοστό εκρόφησης 91,0 %. Αντίθετα η χρήση του απιονισμένου νερού ως εκροφητικού μέσου κρίθηκε μη ικανοποιητική. Συμπερασματικά διαπιστώνεται ότι ο οργανικά τροποποιημένος ζεόλιθος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απομάκρυνση φωσφορικών ιόντων από υδατικά διαλύματα. Επίσης διαπιστώνεται ότι είναι δυνατή η εκρόφηση φωσφορικών ιόντων με χρήση εκροφητικών μέσων όπως διαλύματα αλάτων KCl και ΝaCl. Από την παρούσα διπλωματική εργασία αναδύεται η ανάγκη για έρευνα που αφορά στην αναγέννηση του ζεόλιθου που έχει χρησιμοποιηθεί για να απομακρύνει φωσφορικά ιόντα. Αν είναι δυνατή η αναγέννηση θα πρέπει επίσης να μελετηθεί ο αριθμός των κύκλων αναγέννησης του ζεόλιθου. Τέλος, αξιοποιώντας τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα διπλωματική εργασία, κρίνεται χρήσιμο να πραγματοποιηθεί έρευνα για την απόδοση της απομάκρυνσης φωσφορικών από οργανικά τροποποιημένο ζεόλιθο σε διαλύματα παρουσία ανταγωνιστικών ιόντων και σε πραγματικές ροές αποβλήτων.	el
heal.abstract	In the present diploma thesis the possibility of phosphate removal from liquid waste was studied using organic modified minerals. The increase in the Earth's population and the consequent increase in humanity's need for food, coupled with the growth of industrial activity over the years, indicate the need for an increasing amount of phosphorus. At the same time, phosphorus has been recognized in recent years as a crucial raw material, as its mining has a great economic risk. Phosphorus in aqueous solutions occurs in four different forms depending on pH. These forms are trivalent anion, PO4-3, bivalent anion, HPO4-2, phosphate ion, H2PO4-, and phosphoric acid, H3PO4. Phosphate removal capacity was studied for two minerals: zeolite and bentonite. To conduct the experiments, aqueous solutions with phosphate ions were used with concentration similar to those found in various streams of waste waters. At first the two minerals were organically modified with the cationic surfactant HDTMA-Br. In particular, a series of experiments on batch reactors examining the following a) phosphate ion adsorption kinetics, b) effect of pH in phosphorus ion adsorption (2-12 for zeolite, 2-10 for bentonite). c) the initial concentration of phosphate ions (5-100 mg/l) and, d) the concentration of the modified minerals (1-50g/l). The ability to desorb phosphate ions from the above minerals was then investigated using deionized water and KCl, NaCl solutions. In particular, the effect of the solution concentration of the adsorbents (0.1-3 M) and the pH value (6-12) were studied. The study of phosphate ion removal kinetics from aqueous solution with mineral zeolite and bentonite showed that phosphate ions removal was practically completed after two hours of stirring. The optimal adsorption pH was 11 for zeolite and 7 for bentonite. Bentonite showed low phosphate adsorption process and subsequent desorption was considered practically unprofitable. For this reason, only Zeolite was studied in the remaining experimental cycles. The effect of the phosphate ion solutions concentration in phosphate ions adsorption from zeolite showed that for phosphate concentrations up to 50 mg /l PO4 -a constant rate of removal was observed. For concentrations greater than the aforementioned, the removal rate decreases considerably. Examination of the effect of zeolite concentration on phosphate adsorption showed that increasing the concentration of zeolite resulted in an increase in the rate of adsorption. The examination of the effect of the concentration of desorbents KCl, NaCl showed that increasing their concentration leads to an increase in the desorption rate of phosphates. The study of the effect of pH on the desorption of phosphate with desorbents KCl and NaCl showed that the optimal desorption pH is 6 for both desorbents. Among the tow salts ix NaCl showed better desorption results at a pH value of 6 reaching the percentage of 91.1%. On the contrary, the use of deionized water as a desiccant was considered unsatisfactory. In conclusion, organic modified zeolite can be used to remove phosphate ions from aqueous solutions. It is also found that desorption of phosphates with desorbent salts solutions such as KCl and NaCl is possible. From this work emerges the need for research on the regeneration of zeolite after removal of the phosphate ions. If regeneration is possible, the number of regeneration cycles of the zeolite should also be studied. Finally, research has to be carried out in order to determine the adsorption of phosphates from organically modified zeolite into actual waste streams and solution with competing ions.	en
heal.advisorName	Χαραλάμπους, Αικατερίνη	el
heal.committeeMemberName	Χαραλάμπους, Αικατερίνη	el
heal.committeeMemberName	Λοϊζίδου, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Βασιλείου, Παναγιώτα	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	94 σ.
heal.fullTextAvailability	true