Χρήση δευτερογενούς μηχανικής χαρτόμαζας ως μέσο απομάκρυνσης ιόντων νικελίου από υδατικά διαλύματα και υγρά απόβλητα

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί ο έλεγχος της απόδοσης δευτερογενούς μηχανικής χαρτόμαζας ως προσροφητικό μέσο για την απομάκρυνση ιόντων Νικελίου (Ni2+) και Ψευδαργύρου (Zn2+) από υδατικά διαλύματα και αστικά υγρά απόβλητα. Τα τελευταία χρόνια ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήματα αποτελεί η ρύπανση των υδάτινων αποδεκτών από βαρέα μέταλλα τα οποία προέρχονται από ανεπαρκώς επεξεργασμένα υγρά βιομηχανικά απόβλητα. Η αναγκαιότητα για μια ολοκληρωμένη διαχείριση των υγρών αποβλήτων στοχεύοντας στην επαναχρησιμοποίηση της επεξεργασμένης εκροής και στη διατήρηση της καλής ποιότητας των φυσικών πόρων έχει οδηγήσει στην αναζήτηση οικονομικών και αποδοτικών τεχνολογιών απομάκρυνσης των βαρέων μετάλλων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η αποτελεσματικότητα της δευτερογενούς απομελανωμένης μηχανικής χαρτόμαζας (χαρτί εφημερίδας) ως μέσο προσρόφησης ιόντων νικελίου και ψευδαργύρου από υδατικά διαλύματα και υγρά απόβλητα. Η επιλογή της μηχανικής χαρτόμαζας ως προσροφητικό μέσο, βασίστηκε στο γεγονός ότι αποτελεί ένα φθηνό και άφθονο λιγνοκυτταρινούχο υλικό με μικρή διάρκεια ζωής και με δυνατότητα αναγέννησης και επαναχρησιμοποίησης οδηγώντας σε ανάκτηση των μετάλλων. Συγκεκριμένα διεξήχθησαν πειράματα για την εύρεση των βέλτιστων συνθηκών κάτω από τις οποίες η χρήση της φυσικά κατεργασμένης δευτερογενούς μηχανικής χαρτόμαζας είναι συμφέρουσα και αποδοτική για την απομάκρυνση βαρέων μετάλλων από υδατικά διαλύματα. Στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν εξετάσθηκε η επίδραση της τιμής του pH και η συγκέντρωση της χαρτόμαζας στην προσροφητική της ικανότητα ως προς τα ιόντα Ni2+ και Zn2+ σε μονοστοιχειακά υδατικά διαλύματα των αντίστοιχων μετάλλων. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα η προσρόφηση των μετάλλων επιτυγχάνεται γρήγορα μέσα στην πρώτη ώρα. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν πειράματα για την εξέταση της ισορροπίας του συστήματος συγκρίνοντας τα πειραματικά αποτελέσματα με τις υφιστάμενες εξισώσεις ισόθερμων ισορροπίας. Με την χρήση της φυσικά κατεργασμένης χαρτόμαζας επιτεύχθηκε απομάκρυνση ιόντων Ni2+ σε ποσοστό μέχρι και 55%, ενώ για την αύξηση της ποσοστιαίας απομάκρυνσης του μετάλλου και της προσροφητικής ικανότητας της χαρτόμαζας πραγματοποιήθηκε χημική κατεργασία της χαρτόμαζας με κιτρικό οξύ συγκεντρώσεων 0.5Μ, 1Μ και 2Μ. Η χρήση κιτρικού οξέος ως μέσο τροποποίησης αυξάνει την ενεργή επιφάνεια του προσροφητικού μέσου με αποτέλεσμα μεγαλύτερη ποσότητα μεταλλικών ιόντων να προσροφούνται σε αυτή. Με την χημική κατεργασία της χαρτόμαζας επιτεύχθηκαν απομακρύνσεις ιόντων Ni2+ σε ποσοστό μέχρι και 99%. Μέγιστη προσροφητική ικανότητα ως προς ιόντα νικελίου παρουσίασε η χημικά κατεργασμένη χαρτόμαζα με κιτρικό οξύ συγκέντρωσης 2Μ λαμβάνοντας τιμή 16,181mg/g, ενώ οι χημικά κατεργασμένες χαρτόμαζες με κιτρικό οξύ συγκέντρωσης 1Μ και 0.5Μ παρουσίασαν τιμές 7,634mg/g και 6,092mg/g αντίστοιχα. Η φυσικά κατεργασμένη χαρτόμαζα παρουσίασε χαμηλή προσροφητική ικανότητα ως προς ιόντα νικελίου με τιμή 3,651mg/g. Η μελέτη συνεχίστηκε με την διεξαγωγή πειραμάτων ροφήσεων-εκροφήσεων (σύνολο 10 κύκλοι) ώστε να εξεταστεί η δυνατότητα αναγέννησης και επαναχρησιμοποίησης της φυσικά κατεργασμένης χαρτόμαζας. Για την επιλογή του εκροφητικού μέσου πραγματοποιήθηκαν πειράματα με 5 διαφορετικά μέσα εκρόφησης. Πιο αποτελεσματικό μέσο εκρόφησης αποτέλεσε το υδροχλωρικό οξύ (HCl) συγκέντρωσης 0.1Μ ενώ η προσροφητική ικανότητα της χαρτόμαζας παρέμεινε σε υψηλά επίπεδα μέχρι και τον 8ο κύκλο ροφήσεων-εκροφήσεων. Στην επόμενη ενότητα της διπλωματική εργασίας, πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε αστικά υγρά απόβλητα για να διαπιστωθεί η επίδραση της ιοντικής ισχύος των διαλυμάτων στην προσρόφηση ιόντων Ni2+ από φυσικά κατεργασμένη χαρτόμαζα καθώς στα υγρά απόβλητα περιέχονται ανταγωνιστικά μεταλλικά κατιόντα τα οποία δύνανται να παρεμποδίσουν τη δέσμευση του εξεταζόμενου μετάλλου. Στο τελικό στάδιο της παρούσας εργασίας διεξήχθησαν πειράματα σε πολυστοιχειακά υδατικά διαλύματα για τον έλεγχο της επίδρασης των ιόντων Zn2+ και Pb2+ στην προσροφητική ικανότητα της χαρτόμαζας ως προς τα ιόντα Νi2+ καθώς τα ιόντα αυτά ανταγωνίζονται για την κατάληψη των ενεργών θέσεων του προσροφητικού μέσου. Παρατηρήθηκε μείωση της απομάκρυνσης των ιόντων Ni2+ από τα πολυστοιχειακά διαλύματα της τάξεως του 10-20% σε σύγκριση με την απομάκρυνση που επιτεύχθηκε από τα μονοστοιχειακά διαλύματα.

In this thesis, newspaper pulp (thermo-mechanical pulp) was used as an adsorbent for the removal of Ni2+ and Zn2+ ions from aqueous solutions and wastewater effluents. Over the last years, one of the most important environmental problems is the pollution of water discharges by heavy metals derived from insufficiently treated industrial wastewaters. The need for an integrated wastewater management practice aiming at the reuse of treated effluents towards the sustainable use of natural resources has directed research towards economic and efficient alternative technologies for removing heavy metals. In this thesis the adsorption process of metals Ni2+ and Zn2+ onto processed mechanical pulp was studied. Adsorption is a highly effective method in the field of heavy metals removal from wastewater utilizing low-cost and abundantly available unconventional materials with regeneration potential such as biological and natural products. Newspaper pulp is a cheap and abundant lignocellulosic material with a potential for regeneration and reuse. Experiments were performed to find the optimal conditions under which the use of newspaper pulp is beneficial and efficient for the removal of heavy metals from aqueous solutions. The effect of solution pH and pulp concentration on the adsorption capacity of pulp was examined. It was found that the adsorption of metal is obtained rapidly within the first hour. Langmuir and Freundlich equilibrium isotherm equations were employed in order to describe equilibrium sorption data which have been obtained experimentally. Due to the low adsorption efficiency of mechanically processed pulp achieving a total removal of Ni2+ ions up to 55%, pulp was chemically treated with citric acid (0.5M, 1M, 2M) in order to enhance its adsorption capacity. Maximum Ni2+ removal (99%) was achieved by chemically modified pulp with 2M citric acid. The regeneration potential of the mechanically processed pulp in subsequent adsorption – desorption cycles and its effect on its adsorption were studied. It was found that the pulp can be effectively reused in eight consecutive cycles achieving high removal efficiency of nickel. In the next section of the thesis, adsorption experiments were performed by employing wastewater effluents in order to determine the effect of ionic strength of solutions on Ni2+ adsorption by newspaper pulp. In the final section of this study, experiments were conducted in multi-component aqueous solutions to study the influence of competitive Zn2+ and Pb2+ ions on Ni2+ removal by newspaper pulp.