Adsorbentien

3.1 Fallstudien

Bei Adsorbentien, die aus Industrieschlämmen gewonnen werden, müssen verschiedene Parameter berücksichtigt werden, wie z. B. pH-Wert, Adsorbentien-Dosierung, Sorbatkonzentration und Kontaktzeit, die die Effizienz des Prozesses erheblich beeinflussen können. Die Wasserdekontamination mit diesen Materialien wurde ausführlich untersucht und in der Literatur beschrieben (Devi und Saroha, 2016). In diesem Abschnitt werden nur Fallstudien über die Verwendung von Schlämmen aus verschiedenen Industriezweigen erörtert, die verschiedene Arten von Industrieschlämmen für denselben Schadstoff vergleichen. Detaillierte Informationen zu experimentellen Techniken und Ergebnissen finden sich in den jeweiligen Quellen auf der Referenzliste.

Pb, Cd und Cr sind die wichtigsten Schwermetalle aus industriellen Aktivitäten, die in hohen Konzentrationen im Abwasser vorkommen. Insbesondere Pb ist äußerst gefährlich, da es dazu neigt, sich in der Nahrungskette selbst in niedrigen Konzentrationen zu akkumulieren.

Martín et al. (2005) untersuchten die Verwendung von Hochofenschlamm zur Entfernung von Pb, Zink (Zn) und Cd aus verschmutzten wässrigen Lösungen. Hochofenschlamm, der aus Eisenoxiden und Koks besteht, ist ein Nebenprodukt der Stahlindustrie. Diese Autoren berichteten über eine spezifische Oberfläche von 27,4 m2/g für diesen Schlamm sowie über eine größere Affinität für Pb. Die Pb-Adsorption reichte von 64,2-79,9 mg/g, wobei sie mit steigenden Temperaturen von 20°C bis 80°C zunahm, ebenso wie die Zn- und Cd-Adsorption, die von 4,23 bis 9,16 mg/g bzw. von 6,74 und 10,2 mg/g reichte. Darüber hinaus stellten sie fest, dass der Hochofenschlamm größere Mengen an Metallen adsorbierte als Walzwerkszunder, ein Nebenprodukt derselben Stahlindustrie.

Eine ähnliche Effizienz bei der Pb-Adsorption wurde von der Verwendung von geklärtem Schlamm als kostengünstiges Adsorptionsmittel berichtet (Naiya et al., 2009), der aus dem Schlammeindicker des Sauerstoffblasofens in der Stahlproduktion stammt. In diesem Fall war die spezifische Oberfläche mit etwa 78,5 m2/g zwar höher als die von Martín et al. (2005) berichtete, die Adsorptionskapazität von etwa 92,5 mg/g war jedoch ähnlich. Unter optimalen Bedingungen (d.h. einem pH-Wert von 5, einer Adsorptionsmitteldosierung von 5 g/L und einer Kontaktzeit von 1 Stunde) nahm die prozentuale Entfernung von Pb mit einem Temperaturanstieg von 30°C auf 50°C ab.

Rotschlamm ist ein weiteres weit verbreitetes industrielles Nebenprodukt, das häufig als Adsorptionsmittel für die Wasseraufbereitung verwendet wird. Dieser feste Abfallrückstand stammt aus dem basischen Aufschluss von Bauxiterz bei der Tonerdegewinnung (Bhatnagar et al., 2011). Aufgrund seiner stark basischen Eigenschaften wird Rotschlamm häufig zur Adsorption von Metallen wie Pb, Cr, Cd und Zn verwendet. Santona et al. (2006) untersuchten die Adsorptionskapazitäten von Pb, Cd und Zn mit unbehandeltem und säurebehandeltem Rotschlamm. Die Säurebehandlung erfolgte mit HCl, gefolgt von einer Wäsche mit destilliertem Wasser. Die mit unbehandeltem und säurebehandeltem Rotschlamm erzielten Werte für die spezifische Fläche betrugen 18,9 m2/g bzw. 25,2 m2/g. Die Menge der von dem unbehandelten Rotschlamm adsorbierten Metalle war jedoch größer als die von dem behandelten Rotschlamm. Bei beiden Adsorbentien wurde Zn effizienter entfernt als Pb und Cd.

Die Anwendung weiterer Behandlungen von Rotschlamm beeinflusste die Oberfläche stark. Der höchste SBET-Wert, 28,0 m2/g, wurde nach HCl-Aktivierung und Erhitzung auf 600°C erzielt. Der SBET-Wert bei alleiniger HCl-Aktivierung betrug 20,7 m2/g, während der niedrigste Wert, 14,2 m2/g, bei nur mit Wasser gewaschenem Rotschlamm erzielt wurde. Auch hier spiegelte die vergrößerte Oberfläche nicht die Adsorptionskapazitäten der Adsorptionsmittel wider, da die maximale Adsorption für alle drei untersuchten Metalle, Pb, Cu und Cr, mit unbehandeltem Rotschlamm erreicht wurde (Apak et al., 1998).

Eine Behandlung von Rotschlamm mit H2O2 und Luft schien eine effiziente ISBA zu erzeugen, sowohl in Bezug auf die Adsorption (64,8 mg/g für Pb und 35,7 mg/g für Cr), als auch auf die spezifische Oberfläche (108 m2/g) (Gupta et al., 2001). Rotschlamm wurde auch zur Entfernung anderer Schwermetalle, wie Zn-Ionen, aus wässrigen Lösungen verwendet (Sahu et al., 2011). Die Behandlung von Rotschlamm, der durch die Bindung von CO2 und Kalzinierung bei 500 °C neutralisiert wurde, ergab eine maximale Adsorptionskapazität von 14,9 mg/g, was einer Zn-Entfernungskapazität von 96 % entspricht. Die Autoren hoben hervor, dass diese Aktivierungsmethode die SBET auf 68,2 m2/g erhöhte, was etwa dem doppelten Wert der Oberfläche des unbehandelten Rotschlamms (31,7 m2/g) entspricht. Obwohl die Werte der spezifischen Oberfläche höher waren als in früheren Studien über Rotschlamm, war die Zn-Adsorptionskapazität niedriger als die von Pb.

Niedrige Werte der Zn-Adsorption, im Bereich von 7 mg/g, wurden auch von Mishra et al. (2013) bei der Verwendung eines getrockneten Stahlwerksabfallschlamms als Adsorptionsmittel festgestellt. Obwohl der SBET-Wert (durchschnittlich 7,5 m2/g) viel niedriger war als der von Martín et al. (2005) gefundene, waren die Adsorptionskapazitäten vergleichbar.

ISBAs werden auch häufig zur Entfernung von Farbstoffen aus verschmutzten Lösungen verwendet. Zahlreiche Studien zur Farbstoffadsorption wurden sowohl mit anorganischen als auch mit organischen ISBAs durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass organische industrielle Adsorbentien bei der Entfernung von basischen oder sauren Farbstoffen effizienter sind als anorganische Adsorbentien (Bhatnagar und Jain, 2005; Jain et al., 2003).

Von den von Jain et al. (2003) untersuchten Industrieabfällen war der aus der Düngemittelindustrie stammende Schlamm besser zur Entfernung von basischen Farbstoffen wie Chrysoidin G, Kristallviolett und Meldolablau geeignet als die Abfälle aus Stahlwerken (d.h. Hochofenschlacke, Staub und Schlamm). Alle diese Abfälle wurden auf der Grundlage ähnlicher Behandlungen aktiviert. Alle Adsorptionsmittel zeigten einen ähnlichen Adsorptionstrend für jeden Farbstoff, aber die beste Affinität wurde für Meldolablau festgestellt. Die maximale Adsorption für diesen Farbstoff betrug 170 mg/g auf kohlenstoffhaltigen Adsorbentien, 67 mg/g auf Hochofenschlamm, 34 mg/g auf Hochofenstaub und 3,7 mg/g auf Hochofenschlacke. Außerdem folgten diese Werte genau dem abnehmenden Trend der Oberfläche der Adsorbentien (d.h. 380, 28, 13 bzw. 4 m2/g).

Farbstoffe können auch mit Schlämmen aus der Papier- und Zellstoffherstellung entfernt werden. Der Hauptvorteil dieser Art von Adsorptionsmittel ist der hohe Gehalt an organischem Material und dessen Produktion in großen Mengen durch die Papierindustrie (Jaria et al., 2017). Obwohl dieser Schlamm toxische Substanzen und chemische Zusätze enthalten kann und daher eine Behandlung und Aktivierung erfordert, scheint seine Wiederverwendung als kostengünstiges Adsorptionsmittel sehr effizient zu sein.

Nach der Aktivierungsbehandlung entfernte dieses kohlenstoffhaltige Adsorptionsmittel den kationischen Farbstoff (Methylenblau, 263 mg/g) effektiver als den anionischen Farbstoff (Reaktivrot, 34,3 mg/g) aus wässriger Lösung (Li et al., 2011). Darüber hinaus war die spezifische Oberfläche dieses Adsorptionsmittels (durchschnittlich 135 m2/g), die nach der Karbonisierung bei niedrigen Temperaturen und nach der physikalischen Aktivierung mit Wasserdampf erhalten wurde, etwa fünfmal höher als die des Rohschlamms (25 m2/g). Nasr et al. (2017) zeigten, dass die chemische Aktivierung mit Kaliumcarbonat (K2CO3), gefolgt von der physikalischen Aktivierung mit Dampf, eines Papierschlamms, der als Rohmaterial für die kostengünstige Herstellung von Adsorptionsmitteln verwendet wurde, ein hohes Niveau der Entfernung von Methylenblau-Farbstoff aus wässrigen Lösungen erreichte. Unter optimalen Bedingungen betrug die maximale Adsorptionskapazität 260 mg/g. Dies spiegelt die Entwicklung der Porenstrukturen wider, die bei einer Aktivierungstemperatur von 900 °C erzielt wurden und zu einer spezifischen Oberfläche von 908 m2/g beitrugen, die etwa 56-mal größer war als die von rohem Papierschlamm. Bhatnagar et al. (2007) fanden heraus, dass anionische Farbstoffe in geringeren Mengen als kationische Farbstoffe durch Adsorptionsmittel aus Papiermühlenschlamm entfernt werden. Diese Ergebnisse zeigten, dass selbst nach einer physikalischen Aktivierung mit Luft (bei 500 °C) die Adsorptionskapazität von orangefarbenem G-Farbstoff nur 62,3 mg/g betrug. Die Wirksamkeit von Papiermühlenschlamm bei der Entfernung anionischer Farbstoffe war jedoch etwas geringer als bei handelsüblichen Aktivkohlen. In Anbetracht der niedrigen Kosten kann Papiermühlenschlamm daher immer noch als effizientes Adsorptionsmittel für die Entfernung von Farbstoffen aus Wasser angesehen werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Schadstoffadsorption bei ISBA von mehreren Faktoren abhängt, die mit dem Vorläufermaterial und den verschiedenen Parametern des Herstellungsverfahrens zusammenhängen. Diese Faktoren müssen untersucht werden, um eine möglichst wirksame Wasserdekontaminierung zu erreichen.