Τροποποίηση φυσικών ορυκτών με κατιόντα σιδήρου για την απομάκρυνση χρωμικών ανιόντων από υδατικά διαλύματα

Abstract

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η απομάκρυνση χρωμικών ανιόντων από υδατικά διαλύματα με τη χρήση τροποποιημένων φυσικών ορυκτών (ζεόλιθο, βερμικουλίτη, ατταπουλγίτη, μπεντονίτη). Η τροποποίηση των ορυκτών έγινε με κατιόντα σιδήρου με τη μέθοδο της προσρόφησης. Η διαδικασία αυτή της τροποποίησης γίνεται γιατί τα ορυκτά δεν έχουν τη δυνατότητα να προσροφούν χρωμικά ανιόντα λόγω του αρνητικού επιφανειακού φορτίου τους. Η τροποποίηση πραγματοποιείται σε δύο στάδια:

 στο πρώτο στάδιο έχουμε την τροποποίηση της επιφάνειας των ορυκτών με ιόντα δισθενούς σιδήρου (Fe2+), με τη μέθοδο της ιοντοεναλλάγής.  στο δεύτερο στάδιο παρουσία υδροβρωμίου γίνεται η μετατροπή της επιφάνειας των ορυκτών με ιόντα σιδήρου μηδενικού σθένους (Fe0). Παρουσία σιδήρου επιτυγχάνεται αναγωγή του εξαθενούς χρωμίου σε τρισθενές και προσρόφησή του από την τροποποιημένη επιφάνεια των ορυκτών.

Για την εξαγωγή συμπερασμάτων μελετήθηκαν αρχικά διαφορετικές συγκεντρώσεις των τροποποιημένων ορυκτών, η επίδραση του pH στην απομάκρυνση των χρωμικών ανιόντων αλλά και η ταχύτητα με την οποία γίνεται η απομάκρυνση των χρωμικών ανιόντων μέσω του προσροφητή. Στο πρώτο πειραματικό κύκλο που μελετήθηκε η επίδραση του pH και βρέθηκε ότι το βέλτιστο pH σε σχέση με την τοις εκατό απομάκρυνση των χρωμικών ανιόντων είναι το 3. Παρόλο που βέλτιστο pH αποδείχθηκε πως ήταν το 3, στη πειραματική διαδικασία χρησιμοποιήθηκε pH=4,5. Ο λόγος επιλογής αυτής της τιμής pH ήταν ότι με την προσθήκη του ορυκτού σε διάλυμα χρωμίου (σε pH 4,5) υπάρχει αύξηση του pH σε τιμές από 6,5-7 ώστε να είναι δυνατή η καταβύθιση υδροξειδίων Cr(III), Fe(III) και αναγωγή Cr(VI) σε Cr(III). Στο δεύτερο πειραματικό κύκλο ερευνήθηκε η συγκέντρωση του ορυκτού σε σχέση με την απομάκρυνση όπου αποδείχθηκε ότι το καλύτερο υλικό είναι ο μπεντονίτης. Η υψηλή αποτελεσματικότητα του μπεντονίτη εξηγείται από τη μικρή κοκκομετρία του όπου του αυξάνει το κλάσμα της επιφάνειας ανά όγκο. Στο τρίτο πειραματικό κύκλο όπου μελετήθηκε η ταχύτητα με την οποία προσροφούνται τα χρωμικά ανιόντα πάλι καλύτερο υλικό αποδείχθηκε ο μπεντονίτης. Τα αποτελέσματα του στα πρώτα 20 λεπτά είναι εντυπωσιακά σε σχέση με τα άλλα ορυκτά. Καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι το καλύτερο ορυκτό για την απομάκρυνση των χρωμικών ανιόντων μετά από τροποποίηση του με κατιόντα σιδήρου είναι ο μπεντονίτης. Αρκετά καλή συμπεριφορά παρουσιάζει και ο βερμικουλίτης.

The aim of this project is the removal of chromate anions from aqueous solution using modified minerals (zeolite, vermicoulite, attapoulgite, betonite). The modification of the minerals was made by iron cations using the method adsorption. This process of amendment was made because of the inconvenience of minerals to adsorb chromate anions due to their negative charge. The amendment takes place in two stages:

 in the first stage takes place the modification of the surface of minerals by ferrous ions (Fe2+ ) under the process of ion exchange.  in the second stage under the presence of hydrogen bromide takes place the surface modification into zerovalent iron (Fe0). The presence of iron achieves the reduction of exathenous chromium to trivalent and its adsorption of the modified surface of our fossil.

In order to reach in a conclusion we studied different concentrations of the modified minerals, the effect of pH in the removal of chromate anions and the speed of adsorption of chromate anions by the absorber. In the first experimental cycle, the effect of pH demonstrated that the optimum pH is 3. Although the optimum pH proved to be 3, in our experiments we used pH=4.5. The reason of this pH value choice was that the addition of the mineral in that particular pH (4.5) automatically increases the pH in the solution of chromium to values around 6.5-7 in which there is the precipitation of hydroxides Cr(III), Fe(III) and the reduction of Cr(VI) to Cr(III). In the second experimental cycle studied the concentration of the mineral in relation to the removal which demonstrated that the best material is bentonite. The high efficiency of the bentonite is due to the small particle size which increases the fraction of surface area per volume. In third experimental cycle we studied the speed of adsorption in which the best material proved to be once more betonite. Its results the first 20 minutes in compare with other minerals are impressive. So we reached to the conclusion that the best mineral for modification is betonite. However pretty good results reach the vermiculite, also.