Απομάκρυνση ιόντων ψευδαργύρου από μονοσυστατικά και πολυσυστατικά υδατικά διαλύματα και υγρά απόβλητα με τη χρήση δευτερογενούς μηχανικής χαρτόμαζας

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία στόχος είναι η μελέτη της προσροφητικής ικανότητας της μη απομελανωμένης μηχανικής χαρτόμαζας για ιόντα ψευδαργύρου από μονοσυστατικά και πολυσυστατικά υδατικά διαλύματα όπως επίσης και από υγρά απόβλητα.

Μεγάλο οικολογικό πρόβλημα αποτελεί στις μέρες μας η ανεξέλεγκτη ροή υγρών βιομηχανικών αποβλήτων, που εμπεριέχουν μεγάλες ποσότητες βαρέων μετάλλων, στους υδάτινους αποδέκτες. Το αποτέλεσμα είναι να δημιουργούνται οικολογικά προβλήματα αφού μολύνουν και καθιστούν το νερό τοξικό. Αναγκαίο είναι να επεξεργαστούν τα υγρά απόβλητα λαμβάνοντας υπόψη περιβαλλοντικές, οικονομικές, κοινωνικές και πολιτικές παραμέτρους. Πολλά από τα βαρέα μέταλλα χαρακτηρίζονται ως ρύποι προτεραιότητας γι’ αυτό και η απομάκρυνση/ελάττωση τους από τα υγρά απόβλητα κρίνεται απαραίτητη.

Ο ψευδάργυρος είναι ένα από τα βαρέα μέταλλα που περιέχουν τα υγρά απόβλητα. Σε μεγάλες ποσότητες μπορεί να δημιουργήσει οικολογικά προβλήματα στους υδάτινους αποδέκτες και κατ’ επέκταση και στον άνθρωπο. Η ποσότητα στην οποία πρέπει να βρίσκεται στις εκροές των τοξικών υλικών που συναντώνται σε δευτεροβάθμιες εκροές, δεν πρέπει να ξεπερνά τα 58mg/l ημερησίως.

Η μέθοδος απομάκρυνσης των βαρέων μετάλλων που μελετάται στην παρούσα διπλωματική εργασία βασίζεται στη προσροφητική ικανότητα των λιγνινοκυτταρινούχων υλικών. Συγκεκριμένα ως προσροφητικό μέσο χρησιμοποιείται δευτερογενής απομελανωμένη μηχανική χαρτόμαζα λόγω του ότι υπάρχει σε αφθονία, είναι ένα φθηνό και ανανεώσιμο υλικό και μετά τη χρήση του θεωρείται απόρριμμα.

Στα πειράματα που έγιναν στην παρούσα διπλωματική εργασία στόχος ήταν να βρεθούν οι βέλτιστες συνθήκες της προσρόφησης των ιόντων του ψευδαργύρου στην κατεργασμένη χαρτόμαζα. Επίσης μελετήθηκε η αύξηση της προσροφητικής ικανότητας της χαρτόμαζας όταν κατεργαστεί με κιτρικό οξύ. Η αύξηση αυτή, οφείλεται στο γεγονός, ότι το κιτρικό οξύ προσφέρει καρβοξυλικές ομάδες στην χαρτόμαζα με αποτέλεσμα να αυξάνονται οι ενεργές θέσεις προσρόφησης και να απομακρύνεται μεγαλύτερος αριθμός μεταλλοκατιόντων. Ακόμη, σε αυτή την ομάδα πειραμάτων μελετήθηκε η προσροφητική ικανότητα για φυσικά κατεργασμένη χαρτόμαζα και χημικά κατεργασμένη χαρτόμαζα με κιτρικό οξύ συγκεντρώσεων 0,5Μ, 1Μ και 2Μ.

Για να βρεθεί κάτω από ποιες συνθήκες υπάρχει μέγιστη προσροφητική ικανότητα της χαρτόμαζας και πραγματοποιείται η μεγαλύτερη απομάκρυνση του ψευδάργυρου από τα υδατικά διαλύματα, χρησιμοποιήθηκε ως προσροφητικό μέσο, φυσικά κατεργασμένη χαρτόμαζα και χημικά κατεργασμένη χαρτόμαζα με κιτρικό οξύ 2Μ. Για την εύρεση των βέλτιστων συνθηκών απομάκρυνσης του ψευδαργύρου, μελετήθηκαν πειραματικά οι παράμετροι του pH, της συγκέντρωσης της χαρτόμαζας, του χρόνου προσρόφησης (κινητική), και της αρχικής συγκέντρωσης του μετάλλου (ισόθερμες). Από τα αποτελέσματα, προέκυψε ότι η βέλτιστη τιμή για το pH και για τις δύο χαρτόμαζες ήταν η τιμή 6, ο χρόνος ισορροπίας οι 2 ώρες και η βέλτιστη συγκέντρωση της χαρτόμαζας ίση με 1g/l. Τα αποτελέσματα από τα πειράματα με τις διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις του ψευδαργύρου στα υδατικά διαλύματα προσαρμόστηκαν στα μοντέλα Langmuir και Freundlich για να εξαχθούν συμπεράσματα ως προς τον τρόπο προσρόφησης του ψευδαργύρου στην χαρτόμαζα.

Για να επιτευχθεί η αναγέννηση της χαρτόμαζας, και να μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί, πρέπει τα μεταλλικά ιόντα με κάποια μέθοδο να εκροφηθούν από τις ενεργές θέσεις προσρόφησης. Το φαινόμενο της εκρόφησης των ιόντων Zn2+ από την κατεργασμένη χαρτόμαζα μπορεί να πραγματοποιηθεί με οξέα. Διεξάχθηκε πείραμα εκρόφησης των ιόντων Zn2+ με πέντε διαφορετικά διαλύματα. Από αυτά επιλέχθηκε το υδροχλωρικό οξύ (HCl) και το κιτρικό οξύ (CA) συγκέντρωσης 0,1Μ, για το λόγο ότι έδωσαν ικανοποιητικά αποτελέσματα ως προς την απομάκρυνσης των ιόντων από την χαρτόμαζα και θεωρούνται οικονομικά μέσα. Έγινε διαδοχικά 10 φορές η προσρόφηση των ιόντων Zn2+ και ακολούθως η εκρόφηση τους από το προσροφητικό μέσο (10 κύκλοι). Η προσροφητική ικανότητα της χαρτόμαζας θεωρήθηκε ικανοποιητική μέχρι και τον 7ο κύκλο.

Για την μελέτη της ανταγωνιστικότητας μεταξύ των μεταλλικών ιόντων, πραγματοποιήθηκε ομάδα πειραμάτων, όπου τα υδατικά διαλύματα περιείχαν ιόντα Zn2+, Pb2+ και Ni2+. Παρατηρήθηκε πως σε μεγαλύτερες ποσότητες προσροφήθηκε ο μόλυβδος, μετά ο ψευδάργυρος και τέλος το νικέλιο. Η ανταγωνιστικότητα των μετάλλων οφείλεται κατά κύριο λόγο στη διαφορά του μεγέθους της ιοντικής ακτίνας των τριών μεταλλικών ιόντων. Επίσης έγινε σύγκριση των μονοστοιχειακών διαλυμάτων με τα πολυστοιχειακά, και παρατηρήθηκε πως για μονοστοιχειακά διαλύματα η προσροφητική ικανότητα είναι μεγαλύτερη, λόγω απουσίας των ανταγωνιστικών ιόντων.

Τέλος, διεξάχθηκαν πειράματα για αστικά λύματα για την μελέτη της προσροφητικής ικανότητας των ιόντων Zn2+ σε σχέση με τα υδατικά διαλύματα. Παρατηρήθηκε πως για τα αστικά λύματα η προσρόφηση του Zn2+ στην χαρτόμαζα μειώνεται και αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στα υγρά απόβλητα περιέχονται ανταγωνιστικά μεταλλικά ιόντα που μεταβάλλουν την ιοντική ισχύ του διαλύματος με αποτέλεσμα να παρεμποδίζεται η δέσμευση των ιόντων Zn2+ στην επιφάνεια του προσροφητή.

The aim of this thesis is to study the efficiency of mechanical pulp to adsorb zinc ions from monocomponent and multicomponent aqueous solutions and wastewater. Nowadays, the uncontrolled discharge of industrial wastewater of high metals concentrations constitutes a major environmental problem. Therefore, a number of studies have been focused on wastewater treatment taking into account environmental economic and policy issues. Most heavy metals are classified as priority pollutants, hence their removal from wastewater is of great importance. Zinc is one of the most dominant metals in wastewater. High concentrations lead to environmental problems for water recipients and human. The removal mechanism studied in this thesis is based on the high adsorption capacity of lignocellulosic materials such as cellulosic fibres. Specifically, unbleached mechanical pulp deriving from newspaper is used as an absorbent material based on criteria such as its availability, the low cost and the fact that it consitutes a waste solid material after its use. Laboratory experiments were conducted in order to study zinc adsorption mechanism into processed newspaper pulp through the investigation of the following parameters’ impact on its efficiency initial concentration of zinc, solution pH, presence of competitive cations, pulp dose and contact time. The main goal of this study is to apply a esterification reaction as the modification procedure to enhance paper pulp’s adsorption capacity. Citric acid of different initial concentration, was selected as modifying chemical reagent, leading to the introdiction of carboxyl groups into cellulosic matrix. Paper pulp being modified with citric acid solution 2M exhibited the, highest adsorption capacity for zinc uptake. Experimental results showed that the optimum pH is 6 as at this value maximum zinc adsorption on mechanically treated and chemically modified pulps is achieved . The equilibrium time is 2 hours and the optimum concentration of pulp 1 g/l. The adsorption experimental data were fitted to Langmuir and Freundlich models in order to describe equilibrium sorption data which have been obtained experimentally providing insight regarding the surface properties, the adsorption mechanisms taking place and the affinity of pulp adsorbents. Aiming to reuse paper pulp in other adsorption experiments, the potential regeneration of was studied. The desorption of Zn2 + ions from pulp was conducted by employing five different desorption solutions. Hydrochloric acid (HCl) and citric acid (CA) concentration of 0.1 M exhibited the highest desorption efficiencies. Pulp was successfully reused in ten consecutive adsorption / desorption cycles sustaining high lead uptake capacity until the 7th cycle. To study the effect of competitive ions’ Zn2 +, Pb2 + and Ni2 +occurrence on zinc uptake experiments were conducted in multicomponent aqueous solutions. According to results, pulp has greater affinity towards lead ions followed by zinc and nickel. Moreover, pulp exhibited higher metal adsorption capacity in monocomponent solutions than multicomponent. Finally, experiments were conducted in wastewater in order to assess the adsorption capacity of mechanically processed pulp for Zn2 + ions upake and compare relative to the aqueous solutions. The result showed that in wastewater of high ionic strength the adsorption efficiency of pulp decreases due to the occurence of compettitive cations and organic substances. which prevent Zn2 + ions to reach fibres’ surface.