Adsorbent

3.1 Případové studie

U adsorbentů získaných z průmyslových kalů je třeba brát v úvahu různé parametry, jako je pH, dávkování adsorbentu, koncentrace sorbátu a doba kontaktu, které mohou významně ovlivnit účinnost procesu. Dekontaminace vody pomocí těchto materiálů byla podrobně studována a popsána v literatuře (Devi a Saroha, 2016). V této části jsou diskutovány pouze případové studie týkající se použití kalů z různých průmyslových odvětví, které porovnávají různé typy průmyslových kalů pro stejnou kontaminující látku. Podrobné informace o experimentálních technikách a výsledcích lze nalézt v jednotlivých souvisejících zdrojích v seznamu odkazů.

Pb, Cd a Cr jsou hlavní těžké kovy pocházející z průmyslových činností, které se v odpadních vodách vyskytují ve vysokých koncentracích. Zejména Pb je velmi nebezpečný, protože má tendenci se bioakumulovat v potravním řetězci, a to i v nízkých koncentracích.

Martín et al. (2005) zkoumali použití vysokopecních kalů k odstranění Pb, zinku (Zn) a Cd ze znečištěných vodných roztoků. Vysokopecní kaly složené z oxidů železa a koksu jsou vedlejším produktem ocelářského průmyslu. Tito autoři uvádějí u tohoto kalu specifický povrch 27,4 m2/g a také větší afinitu k Pb. Ve skutečnosti se adsorpce Pb pohybovala v rozmezí 64,2-79,9 mg/g, přičemž se zvyšovala s rostoucí teplotou od 20 °C do 80 °C, stejně jako adsorpce Zn a Cd, a to od 4,23 do 9,16 mg/g, respektive od 6,74 a 10,2 mg/g. Kromě toho zjistili, že vysokopecní kal adsorboval větší množství kovů než válcovací okuje, vedlejší produkt téhož ocelářského průmyslu.

Podobná účinnost v adsorpci Pb byla zaznamenána z použití čiřeného kalu jako levného adsorbentu (Naiya et al., 2009), pocházejícího ze zahušťovače kalů základní kyslíkové pece při výrobě oceli. V tomto případě byla sice specifická plocha povrchu asi 78,5 m2/g, což je více, než uvádí Martín et al. (2005), ale adsorpční kapacita asi 92,5 mg/g byla podobná. Za optimálních podmínek (konkrétně hodnota pH 5, úroveň dávkování adsorbentu 5 g/l a doba kontaktu 1 h) se procento odstranění Pb snižovalo s nárůstem teploty z 30 °C na 50 °C.

Červené bahno je dalším rozšířeným vedlejším průmyslovým produktem často používaným jako adsorbent pro úpravu vody. Tento pevný odpadní zbytek vzniká při základním rozkladu bauxitové rudy při výrobě oxidu hlinitého (Bhatnagar et al., 2011). Díky svým silným bazickým vlastnostem se červené bahno často používá k adsorpci kovů, včetně Pb, Cr, Cd a Zn. Santona et al. (2006) zkoumali adsorpční kapacity Pb, Cd a Zn s neupraveným a kyselinou upraveným červeným bahnem. Kyselá úprava byla provedena pomocí HCl, po níž následovalo promytí destilovanou vodou. Hodnoty specifické plochy získané u neošetřeného a kyselinou ošetřeného červeného bahna byly 18,9 m2/g, resp. 25,2 m2/g. Množství kovů adsorbovaných neošetřeným červeným bahnem však bylo větší než množství adsorbované ošetřeným červeným bahnem. U obou adsorbentů byl Zn odstraněn účinněji než Pb a Cd.

Použití dalších úprav červeného bahna výrazně ovlivnilo plochu povrchu. Nejvyšší SBET, 28,0 m2/g, bylo dosaženo po aktivaci HCl plus zahřátí při 600 °C. Hodnota SBET při pouhé aktivaci HCl byla 20,7 m2/g, zatímco nejnižší hodnota, 14,2 m2/g, byla získána u červeného bahna promytého pouze vodou. Zvýšený povrch opět neodrážel adsorpční kapacity adsorbentů, protože maximální adsorpce bylo dosaženo u neupraveného červeného bahna pro všechny tři zkoumané kovy, Pb, Cu a Cr (Apak et al.,

Úprava červeného bahna H2O2 a vzduchem zřejmě vedla k účinné ISBA, a to jak z hlediska adsorpce (64,8 mg/g pro Pb a 35,7 mg/g pro Cr), tak z hlediska specifického povrchu (108 m2/g) (Gupta et al., 2001). Červené bahno bylo použito také k odstranění dalších těžkých kovů, např. iontů Zn, z vodného roztoku (Sahu et al., 2011). Úpravou červeného bahna neutralizovaného sekvestrací CO2 a kalcinací při 500 °C bylo dosaženo maximální adsorpční kapacity 14,9 mg/g, což odpovídá 96% kapacitě odstranění Zn. Autoři zdůraznili, že tato aktivační metoda zvýšila SBET a dosáhla 68,2 m2/g, což je přibližně dvojnásobek hodnoty povrchu neupraveného červeného bahna (31,7 m2/g). Přestože hodnoty specifického povrchu byly vyšší než hodnoty zjištěné v předchozích studiích o červeném bahně, adsorpční kapacita Zn byla nižší než u Pb.

Nízké hodnoty adsorpce Zn, v rozmezí 7 mg/g, zjistili také Mishra et al. (2013) při použití sušeného odpadního kalu z ocelárny jako adsorbentu. Ačkoli hodnota SBET (průměrně 7,5 m2/g) byla mnohem nižší než hodnota zjištěná Martínem et al. (2005), adsorpční kapacity byly srovnatelné.

ISBA se také hojně používají k odstraňování barviv ze znečištěných roztoků. Byly provedeny četné studie adsorpce barviv s anorganickými i organickými ISBA. Výsledky však ukazují, že organické průmyslové adsorbenty jsou při odstraňování bazických nebo kyselých barviv účinnější než anorganické adsorbenty (Bhatnagar a Jain, 2005; Jain et al.,

Z průmyslových odpadů, které zkoumali Jain et al. (2003), byly kaly získané z hnojivářského průmyslu vhodnější pro odstraňování základních barviv, jako je chrysoidin G, krystalová violeť a meldola modrá, než kaly z oceláren (tj. vysokopecní struska, prach a kal). Všechny tyto odpady byly aktivovány na základě podobných úprav. Všechny adsorbenty vykazovaly podobný trend adsorpce pro každé barvivo, ale nejlepší afinitu měla meldola modrá. Maximální adsorpce tohoto barviva byla 170 mg/g na uhlíkatých adsorbentech, 67 mg/g na vysokopecním kalu, 34 mg/g na vysokopecním prachu a 3,7 mg/g na vysokopecní strusce. Tyto hodnoty navíc přesně sledovaly klesající trend plochy povrchu adsorbentů (tj. 380, 28, 13 a 4 m2/g).

Barvivo lze odstranit také pomocí kalů pocházejících z výroby papíru a celulózy. Hlavní výhodou tohoto typu adsorbentu je vysoký obsah organického materiálu a jeho produkce ve velkém množství papírenským průmyslem (Jaria et al., 2017). Ačkoli tento kal může obsahovat toxické látky a chemické přísady, a proto vyžaduje úpravu a aktivaci, jeho opětovné použití jako levného adsorbentu se zdá být vysoce účinné.

Po aktivační úpravě tento uhlíkatý adsorbent účinněji odstraňoval kationtové barvivo (methylenovou modř, 263 mg/g) než aniontové barvivo (reaktivní červeň, 34,3 mg/g) z vodného roztoku (Li a kol., 2011). Kromě toho specifický povrch tohoto adsorbentu (průměrně 135 m2/g) získaný po karbonizaci při nízkých teplotách a po fyzikální aktivaci vodní parou byl přibližně pětkrát větší než u surového kalu (25 m2/g). Nasr et al. (2017) ukázali, že chemickou aktivací uhličitanem draselným (K2CO3) a následnou fyzikální aktivací vodní parou papírového kalu použitého jako surový prekurzor pro přípravu levného adsorbentu bylo dosaženo vysoké úrovně odstranění barviva methylenové modři z vodných roztoků. Za optimálních podmínek byla maximální adsorpční kapacita 260 mg/g. To odráželo vývoj pórových struktur získaných při aktivační teplotě 900 °C, které přispěly ke specifickému povrchu 908 m2/g, což je přibližně 56krát více než u surového papírového kalu. Bhatnagar et al. (2007) zjistili, že aniontová barviva jsou adsorbenty z papírenských kalů odstraňována v menším množství než kationtová barviva. Tyto výsledky ukázaly, že i po fyzikální aktivaci vzduchem (při 500 °C) byla adsorpční kapacita oranžového barviva G pouze 62,3 mg/g. Účinnost papírenského kalu při odstraňování aniontových barviv však byla o něco nižší než u komerčních aktivních uhlíků. Vzhledem k nízké ceně lze tedy papírenský kal stále považovat za účinný adsorbent pro odstraňování barviv z vody.

Závěrem lze říci, že adsorpce znečišťujících látek v případě ISBA závisí na několika faktorech souvisejících s prekurzorovým materiálem a také na různých parametrech týkajících se metody přípravy. Tyto faktory je třeba studovat, aby se dosáhlo co nejúčinnější dekontaminace vody.

.