Adsorbent

3.1 Casestudier

For adsorbenter fremstillet af industrislam skal der tages hensyn til forskellige parametre, såsom pH, adsorbentdosering, sorbatkoncentration og kontakttid, som kan have en betydelig indflydelse på processens effektivitet. Vanddekontaminering ved hjælp af disse materialer er blevet undersøgt grundigt og rapporteret i litteraturen (Devi og Saroha, 2016). I dette afsnit behandles kun casestudier vedrørende brugen af slam fra forskellige industrier, der sammenligner forskellige typer industrislam for det samme forurenende stof. Detaljerede oplysninger om eksperimentelle teknikker og resultater kan findes i hver enkelt relateret kilde på referencelisten.

Pb, Cd og Cr er de vigtigste tungmetaller, der stammer fra industrielle aktiviteter, og som forekommer i høje koncentrationer i spildevand. Især Pb er ekstremt farligt, fordi det har en tendens til at bioakkumulere i fødekæden, selv i lave koncentrationer.

Martín et al. (2005) undersøgte brugen af højovnsslam til fjernelse af Pb, zink (Zn) og Cd fra forurenede vandige opløsninger. Højovnsslam, der består af jernoxider og koks, er et biprodukt fra stålfremstillingsindustrien. Disse forfattere rapporterede et specifikt overfladeareal på 27,4 m2/g for dette slam samt en større affinitet for Pb. Faktisk varierede Pb-adsorptionen fra 64,2-79,9 mg/g og steg med temperaturen fra 20°C til 80°C, ligesom Zn- og Cd-adsorptionen varierede fra 4,23 til 9,16 mg/g og fra henholdsvis 6,74 og 10,2 mg/g. Desuden fandt de, at højovnsslammet adsorberede større mængder af metaller end valseværkskalk, et biprodukt fra den samme stålfremstillingsindustri.

En lignende effektivitet i Pb-adsorption er blevet rapporteret fra brugen af klaret slam som et billigt adsorbent (Naiya et al., 2009), der stammer fra slamfortykkeren fra basisk iltovn i stålproduktion. Selv om det specifikke overfladeareal i dette tilfælde var ca. 78,5 m2/g, hvilket er højere end det, der er rapporteret af Martín et al. (2005), var adsorptionskapaciteten på ca. 92,5 mg/g tilsvarende. Under optimale betingelser (nemlig en pH-værdi på 5, et adsorbentdoseringsniveau på 5 g/L og 1 times kontakttid) faldt den procentvise fjernelse af Pb med en stigning i temperaturen fra 30°C til 50°C.

Rødt mudder er et andet udbredt industrielt biprodukt, der ofte anvendes som adsorbent til vandbehandling. Denne faste affaldsrest stammer fra den basiske nedbrydning af bauxitmalm under aluminiumoxidproduktionen (Bhatnagar et al., 2011). På grund af dets stærke basiske egenskaber anvendes rødt slam ofte til metaladsorption, herunder Pb, Cr, Cd og Zn. Santona et al. (2006) undersøgte adsorptionskapaciteten af Pb, Cd og Zn med ubehandlet og syrebehandlet rødt mudder. Syrebehandlingen blev udført med HCl, efterfulgt af vask med destilleret vand. De specifikke arealværdier, der blev opnået med ubehandlet og syrebehandlet rødt mudder, var henholdsvis 18,9 m2/g og 25,2 m2/g. Mængden af metaller, der blev adsorberet af det ubehandlede røde slam, var imidlertid større end den mængde, der blev adsorberet af det behandlede røde slam. For begge adsorbenter blev Zn fjernet mere effektivt end Pb og Cd.

Anvendelsen af yderligere behandlinger på rødt mudder havde stor indflydelse på overfladearealet. Den højeste SBET, 28,0 m2/g, blev opnået efter HCl-aktivering plus opvarmning ved 600 °C. SBET-værdien med kun HCl-aktivering var 20,7 m2/g, mens den laveste værdi, 14,2 m2/g, blev opnået i rødt mudder, der kun blev vasket med vand. Igen afspejlede det øgede overfladeareal ikke adsorptionskapaciteten af adsorbenterne, da den maksimale adsorption blev opnået med ubehandlet rødt mudder for alle tre undersøgte metaller, Pb, Cu og Cr (Apak et al, 1998).

En behandling af rødt mudder med H2O2 og luft syntes at give en effektiv ISBA, både med hensyn til adsorption (64,8 mg/g for Pb og 35,7 mg/g for Cr) og specifikt overfladeareal (108 m2/g) (Gupta et al., 2001). Rødt mudder blev også brugt til at fjerne andre tungmetaller, såsom Zn-ioner, fra vandig opløsning (Sahu et al., 2011). Ved behandling af rødt mudder neutraliseret ved CO2-sekvestration og kalcinering ved 500 °C opnåede man en maksimal adsorptionskapacitet på 14,9 mg/g, svarende til en Zn-fjernelseskapacitet på 96 %. Forfatterne fremhævede, at denne aktiveringsmetode forbedrede SBET og nåede op på 68,2 m2/g, hvilket er omkring det dobbelte af overfladearealværdien for det ubehandlede røde mudder (31,7 m2/g). Selv om værdierne for det specifikke overfladeareal var højere end dem, der er fundet i tidligere undersøgelser af rødt slam, var Zn-adsorptionskapaciteten lavere end for Pb.

Lavne værdier for Zn-adsorption, i intervallet 7 mg/g, blev også fundet af Mishra et al. (2013), da de anvendte et tørret stålværksaffaldsslam som adsorbent. Selv om SBET-værdien (gennemsnitlig 7,5 m2/g) var meget lavere end den, der blev fundet af Martín et al. (2005), var adsorptionskapaciteterne sammenlignelige.

ISBA’er anvendes også i vid udstrækning til fjernelse af farvestoffer fra forurenede opløsninger. Der er blevet gennemført talrige undersøgelser af farvestofadsorption med både uorganiske og organiske ISBA’er. Resultaterne viser imidlertid, at organiske industrielle adsorbenter er mere effektive end uorganiske adsorbenter til fjernelse af basiske eller sure farvestoffer (Bhatnagar og Jain, 2005; Jain et al,

Af det industriaffald, der blev undersøgt af Jain et al. (2003), var slammet fra gødningsindustrien bedre egnet til at fjerne basiske farvestoffer som chrysoidin G, krystalviolet og meldola blue end slammet fra stålværker (dvs. højovnsslagger, støv og slam). Alt dette affald blev aktiveret på grundlag af lignende behandlinger. Alle adsorbenterne viste en lignende adsorptionstendens for hvert enkelt farvestof, men den bedste affinitet var for meldolablå. Den maksimale adsorption for dette farvestof var 170 mg/g på kulstofholdige adsorbenter, 67 mg/g på højovnsslam, 34 mg/g på højovnsstøv og 3,7 mg/g på højovnsslagge. Desuden fulgte disse værdier præcist den faldende tendens i adsorbenternes overfladeareal (dvs. henholdsvis 380, 28, 13 og 4 m2/g).

Farvestof kan også fjernes med slam fra papir- og cellulosefremstilling. Den største fordel ved denne type adsorbent er det høje indhold af organisk materiale og dets produktion i store mængder fra papirindustrien (Jaria et al., 2017). Selv om dette slam kan indeholde giftige stoffer og kemiske tilsætningsstoffer og derfor kræver behandling og aktivering, synes dets genbrug som et billigt adsorptionsmiddel at være meget effektivt.

Efter aktiveringsbehandling fjernede dette kulholdige adsorptionsmiddel mere effektivt det kationiske farvestof (methylenblåt, 263 mg/g), end det anioniske farvestof (reaktiv rødt, 34,3 mg/g) fra vandig opløsning (Li et al., 2011). Desuden var det specifikke overfladeareal af dette adsorbent (gennemsnitligt 135 m2/g), der blev opnået efter karbonisering ved lave temperaturer og efter fysisk aktivering med damp, ca. fem gange større end det specifikke overfladeareal af rå slam (25 m2/g). Nasr et al. (2017) viste, at kemisk aktivering med kaliumcarbonat (K2CO3) efterfulgt af fysisk aktivering med damp af et papirslam, der blev anvendt som rå forløber til billig adsorbentfremstilling, opnåede høje niveauer af fjernelse af methylenblåt farvestof fra vandige opløsninger. Under optimale betingelser var den maksimale adsorptionskapacitet 260 mg/g. Dette afspejlede udviklingen af de porestrukturer, der blev opnået ved en aktiveringstemperatur på 900 °C, hvilket bidrog til et specifikt overfladeareal på 908 m2/g, hvilket var ca. 56 gange højere end for rå papirslammet. Bhatnagar et al. (2007) fandt, at anioniske farvestoffer fjernes i mindre mængder end kationiske farvestoffer af adsorbenter fra slam fra papirfabrikker. Disse resultater viste, at selv efter fysisk aktivering med luft (ved 500 °C) var adsorptionskapaciteten for orange G-farvestof kun 62,3 mg/g. Imidlertid var effektiviteten af slam fra papirfabrikker til at fjerne anioniske farvestoffer en smule lavere end kommercielle aktive kulstoffer. I betragtning af de lave omkostninger kan slam fra papirfabrikker derfor stadig betragtes som et effektivt adsorbent til fjernelse af farvestoffer fra vand.

Sammenfattende kan det konkluderes, at adsorption af forurenende stoffer i forbindelse med ISBA’er afhænger af flere faktorer i forbindelse med forløbermaterialet samt af de forskellige parametre vedrørende præparationsmetoden. Disse faktorer skal undersøges for at opnå en så effektiv vanddekontaminering som muligt.