Απομάκρυνση Χρωμικών Ανιόντων από υδατικά διαλύματα με τη χρήση τροποποιημένων με οργανικές ουσίες φυσικών ορυκτών

Abstract

Το εξασθενές χρώμιο θεωρείται ένα από τα πιο τοξικά μέταλλα στους αποταμιευτές νερού και στα υγρά απόβλητα. Εμφανίζεται συνήθως ως οξυανιόν με τη μορφή CrO4- ή Cr2O72- και είναι καρκινογόνος παράγοντας. Μία εφικτή διαδικασία που εφαρμόζεται για την επεξεργασία των υδάτων τα οποία έχουν μολυνθεί με εξασθενές χρώμιο είναι η χρησιμοποίηση χαμηλού κόστους προσροφητικών ορυκτών, υπό την προϋπόθεση ότι αυτά έχουν λάβει ειδική προεπεξεργασία. Σε αυτήν την εργασία, η απομάκρυνση του Cr6+ από υδατικά διαλύματα διερευνήθηκε με τη χρήση διαφόρων ορυκτών, όπως ζεόλιθος, μπεντονίτης, βερμικουλίτης, ατταπουλγίτης και περλίτης. Αυτά τα ορυκτά τροποποιήθηκαν χρησιμοποιώντας την κατιονική επιφανειοδραστική ουσία HDTMA-Br. Τα ορυκτά τοποθετήθηκαν σε διάλυμα HDTMA-Br για 1 ημέρα υπό συνθήκες περιοδικής ανάδευσης και θερμοκρασίας δωματίου. Οι παράμετροι που αποτελούν αντικείμενο της έρευνας αυτής είναι: η συγκέντρωση του HDTMA-Br (0,36 έως 8 g/l), το pH (3-9) στο οποίο η διαδικασία τροποποίησης διεξήχθη, το pH (3-9) του διαλύματος για την προσρόφηση του μετάλλου, ο τροποποιημένος τύπος ορυκτού και η συγκέντρωσή του (1,5 - 10 g/l), ο χρόνος επαφής, η αρχική συγκέντρωση χρωμικών (10 έως 500 mg / l) και ο χρόνος ισορροπίας. Για τα φυσικά και τροποποιημένα ορυκτά διεξήχθησαν FT-IR και SEM-EDX αναλύσεις. Η τροποποίηση των ορυκτών με HDTMA-Br ήταν πολύ αποτελεσματική όσον αφορά την πρόσληψη του εξασθενούς χρωμίου. Η βέλτιστη τιμή pH του διαλύματος προσρόφησης ήταν 4, σε όλες τις περιπτώσεις που εξετάστηκαν. Η τροποποίηση των 10 g/l μπεντονίτη με 2 g/l HDTMA-Br είχε ως αποτέλεσμα την απομάκρυνση του Cr6+ σε pH = 4 για αρχική συγκέντρωση μετάλλων 50 mg/l σε ποσοστό 96%. Η τροποποίηση των 10 g/l ζεόλιθου χρησιμοποιώντας 1 g/l HDTMA-Br είχε ως αποτέλεσμα την απομάκρυνση του Cr6+ σε pH = 4 για αρχική συγκέντρωση μετάλλων 50 mg/l σε ποσοστό 85%. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η υψηλότερη προσρόφηση της κατιονικής επιφανειοδραστικής ουσίας από τα ορυκτά κατά το στάδιο της τροποποίησης συνοδεύτηκε από την υψηλότερη πρόσληψη Cr (VI) κατά τη διάρκεια του σταδίου της προσρόφησης. Η μέγιστη ικανότητα προσρόφησης ακολούθησε τη σειρά: βερμικουλίτης (27 mg/g) > ο μπεντονίτης (24 mg/g) > ο ατταπουλγίτης (15 mg/g) > ο ζεόλιθος (13 mg/l). Ο περλίτης δεν ήταν αποτελεσματικός για την απομάκρυνση του εξασθενούς χρωμίου δεδομένου ότι το στάδιο τροποποίησης δεν ήταν επιτυχές. Η εξέταση των ισόθερμων έδειξε ότι τα πειραματικά δεδομένα που διαθέτουμε ακολουθούν καλά το μοντέλο Langmuir σε όλες τις περιπτώσεις εκτός από την περίπτωση του ατταπουλγίτη. Στην τελευταία περίπτωση, η εξίσωση Freundlich ήταν πιο κατάλληλη. Η εξέταση των κινητικών έδειξε μια γρήγορη προσρόφηση των μετάλλων κατά τα αρχικά στάδια, λόγω της υψηλής διαθεσιμότητας των θέσεων προσρόφησης. Ισορροπία επιτεύχθηκε μέσα σε 3 - 4 ώρες. Η εξίσωση ψευδο-δεύτερης τάξης περιγράφει επαρκώς τα πειραματικά δεδομένα. Οι εξισώσεις διάχυσης έδειξαν ότι η διαδικασία διάχυσης πραγματοποιήθηκε σε τρία στάδια. Οι αναλύσεις SEM-EDX και FT-IR επιβεβαίωσαν τις διαφορές στη δομή των φυσικών και τροποποιημένων ορυκτών. Η εργασία αυτή έδειξε ότι η τροποποίηση ορυκτών με τη χρησιμοποίηση οργανικών ουσιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον καθαρισμό υδατικών διαλυμάτων που έχουν μολυνθεί με εξασθενές χρώμιο. Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου περιλαμβάνουν το χαμηλό κόστος, τη διαθεσιμότητα των ορυκτών και την απλότητα της λειτουργίας. Ωστόσο, περαιτέρω έρευνα πρέπει να πραγματοποιηθεί σχετικά με την πιθανή αναγέννηση του φορτωμένου ορυκτού με μέταλλο και την τροποποιημένη απόδοση ορυκτών σε πραγματικές ροές των υγρών αποβλήτων.

Hexavalent chromium is considered to be one of the most toxic metals in water recipients and wastewater. It usually occurs as an oxyanion in the form of CrO4- or Cr2O72- and is a carcinogenic agent. The treatment of water and wastewater contaminated with hexavalent chromium using low cost adsorbents is a feasible process, provided that the adsorbents have received specific pre-treatment. In this work, the removal of Cr6+ from aqueous solutions was investigated using various minerals, such as zeolite, bentonite, exfoliated vermiculite, attapulgite and perlite. These minerals were modified using the cationic surfactant HDTMA-Br. The minerals were placed in HDTMA-Br solution for 1 day at room temperature under continuous agitation. The parameters under investigation were: the HDTMA-Br concentration (0.36-8 g/l), the pH (3-9) at which the modification process was conducted, the pH (3-9) of the solution for metal adsorption, the modified mineral type and concentration (1.5-10 g/l), the contact time, the chromium initial concentration (10-500 mg/l) and the equilibrium time. FT-IR and SEM-EDX analyses were conducted for the natural and modified minerals. The mineral modification with HDTMA-Br was very effective concerning the uptake of hexavalent chromium. The optimum pH value of the adsorption solution was 4, in all the examined cases. The modification of 10 g/l bentonite using 2 g/l HDTMA-Br resulted in 96% removal of Cr6+ at pH = 4 and for initial metal concentration of 50 mg/l. The modification of 10 g/l zeolite using 1 g/l HDTMA-Br resulted in 85% removal of Cr6+ at pH = 4 and for initial metal concentration of 50 mg/l. In most cases the highest adsorption of the cationic surfactant by the minerals during the modification stage was accompanied by the highest chromium(VI) uptake during the subsequent adsorption stage. The maximum adsorption capacity followed the order vermiculite (27 mg/g) > bentonite (24 mg/g) > attapulgite (15 mg/g) > zeolite (13 mg/l). Perlite was not effective for the removal of hexavelant chromium as the modification stage was not successful. The isotherm examination showed that the experimental data fitted well to the Langmuir model in all cases except when attapulgite was employed. In the latter case, the Freundlich equation was more suitable. Kinetics examination revealed a rapid adsorption of the metal during the initial stages, due to the high availability of adsorption sites. Equilibrium was reached within 3-4 hours. The pseudo-second-order equation fitted well to the experimental data. The diffusion equations showed that a three stage diffusion process took place. SEM-EDX and FT-IR analyses confirmed the differences in the structure of natural and modified minerals. This work has shown that the mineral modification using organic substances can be used to treat aqueous solutions contaminated with hexavalent chromium. The advantages of this method include low cost, mineral availability and simplicity of operation. However, further research must be conducted concerning the potential regeneration of the metal loaded mineral and the modified mineral performance in real wastewater streams.