Adsorbentti
3.1 Tapaustutkimukset
Teollisuuslietteestä johdettujen adsorbenttien osalta on otettava huomioon erilaisia parametreja, kuten pH, adsorbenttiannos, sorbaattipitoisuus ja kontaktiaika, jotka voivat vaikuttaa merkittävästi prosessin tehokkuuteen. Veden puhdistamista näiden materiaalien avulla on tutkittu laajasti ja raportoitu kirjallisuudessa (Devi ja Saroha, 2016). Tässä jaksossa käsitellään vain eri teollisuudenalojen lietteiden käyttöä koskevia tapaustutkimuksia, joissa verrataan erityyppisiä teollisuuslietteitä saman epäpuhtauden osalta. Yksityiskohtaiset tiedot kokeellisista tekniikoista ja tuloksista löytyvät kustakin viiteluettelossa olevasta asiaan liittyvästä lähteestä.
Pb, Cd ja Cr ovat tärkeimmät teollisesta toiminnasta peräisin olevat raskasmetallit, joita esiintyy suurina pitoisuuksina jätevedessä. Erityisesti Pb on erittäin vaarallinen, koska sillä on taipumus bioakkumuloitua ravintoketjuun pieninäkin pitoisuuksina.
Martín et al. (2005) tutkivat masuunilietteen käyttöä Pb:n, sinkin (Zn) ja Cd:n poistamiseen saastuneista vesiliuoksista. Masuuniliete, joka koostuu rautaoksideista ja koksista, on terästeollisuuden sivutuote. Kirjoittajat ilmoittivat, että tämän lietteen ominaispinta-ala on 27,4 m2/g ja että sillä on suurempi affiniteetti lyijyä kohtaan. Pb:n adsorptio vaihteli 64,2-79,9 mg/g ja kasvoi lämpötilan noustessa 20 °C:sta 80 °C:een, samoin kuin Zn:n ja Cd:n adsorptio, joka oli 4,23-9,16 mg/g ja 6,74-10,2 mg/g, vastaavasti. Lisäksi he havaitsivat, että masuuniliete adsorboi suurempia määriä metalleja kuin valssauskalkki, joka on saman terästeollisuuden sivutuote.
Samankaltainen tehokkuus Pb:n adsorptiossa on raportoitu käytettäessä selkeytettyä lietettä halpana adsorbenttina (Naiya et al., 2009), joka on peräisin teräksen valmistuksessa käytettävän perushappi-uunin lietteen sakeuttimesta. Tässä tapauksessa, vaikka ominaispinta-ala oli noin 78,5 m2/g, joka on suurempi kuin Martín et al. (2005) raportoima pinta-ala, adsorptiokapasiteetti, noin 92,5 mg/g, oli samanlainen. Optimaalisissa olosuhteissa (nimittäin pH-arvo 5, adsorbentin annostustaso 5 g/l ja 1 h kontaktiaika) Pb:n poistoprosentti väheni lämpötilan noustessa 30 °C:sta 50 °C:een.
Punaliete on toinen laajalle levinnyt teollisuuden sivutuote, jota käytetään usein adsorbenttina vedenkäsittelyssä. Tämä kiinteä jätejäännös on peräisin bauksiittimalmin perusmädätyksestä alumiinioksidin valmistuksen aikana (Bhatnagar et al., 2011). Vahvojen emäksisten ominaisuuksiensa vuoksi punalietettä käytetään usein metallien, kuten Pb:n, Cr:n, Cd:n ja Zn:n, adsorptioon. Santona et al. (2006) tutkivat Pb:n, Cd:n ja Zn:n adsorptiokapasiteettia käsittelemättömällä ja hapolla käsitellyllä punalietteellä. Happokäsittely suoritettiin HCl:llä, minkä jälkeen se pestiin tislatulla vedellä. Ominaispinta-alan arvot, jotka saatiin käsittelemättömällä ja hapolla käsitellyllä punalietteellä, olivat 18,9 m2/g ja 25,2 m2/g. Käsittelemättömän punalietteen adsorboimien metallien määrä oli kuitenkin suurempi kuin käsitellyn punalietteen adsorboimien metallien määrä. Molempien adsorbenttien osalta Zn poistui tehokkaammin kuin Pb ja Cd.
Pintakäsittelyjen lisääminen punalietteeseen vaikutti suuresti pinta-alaan. Suurin SBET, 28,0 m2/g, saatiin HCl-aktivoinnin ja 600 °C:n kuumennuksen jälkeen. SBET-arvo pelkällä HCl-aktivoinnilla oli 20,7 m2/g, kun taas alhaisin arvo, 14,2 m2/g, saatiin pelkällä vedellä pestystä punalietteestä. Lisääntynyt pinta-ala ei tässäkään tapauksessa heijastanut adsorbenttien adsorptiokapasiteettia, koska suurin adsorptio saavutettiin käsittelemättömällä punalietteellä kaikkien kolmen tutkittavan metallin, Pb:n, Cu:n ja Cr:n, osalta (Apak et al., ), 1998).
Punalietteen käsittely H2O2:lla ja ilmalla näytti tuottavan tehokkaan ISBA:n sekä adsorption (64,8 mg/g Pb:lle ja 35,7 mg/g Cr:lle) että ominaispinta-alan (108 m2/g) osalta (Gupta et al., 2001). Punalietettä käytettiin myös muiden raskasmetallien, kuten Zn-ionien, poistamiseen vesiliuoksesta (Sahu et al., 2011). Käsittelemällä punalietettä, joka neutraloitiin sitomalla hiilidioksidia ja kalsinoimalla 500 °C:ssa, saatiin suurin adsorptiokapasiteetti 14,9 mg/g, mikä vastaa 96 prosentin Zn-poistokapasiteettia. Kirjoittajat korostivat, että tämä aktivointimenetelmä paransi SBET-arvoa, joka oli 68,2 m2/g, mikä on noin kaksi kertaa suurempi kuin käsittelemättömän punalietteen pinta-ala (31,7 m2/g). Vaikka ominaispinta-alan arvot olivat korkeammat kuin aiemmissa punalietettä koskevissa tutkimuksissa havaitut arvot, Zn:n adsorptiokapasiteetti oli alhaisempi kuin Pb:n adsorptiokapasiteetti.
Matalat Zn:n adsorptiokapasiteetin arvot, välillä 7 mg/g, havaitsivat myös Mishra et al. (2013) käyttäessään kuivattua terästehtaan jätelietettä adsorbenttina. Vaikka SBET-arvo (keskimäärin 7,5 m2/g) oli paljon alhaisempi kuin Martín et al. (2005) havaitsema arvo, adsorptiokapasiteetit olivat vertailukelpoisia.
ISBA:ita käytetään laajalti myös väriaineiden poistoon saastuneista liuoksista. Sekä epäorgaanisilla että orgaanisilla ISBA-yhdisteillä on tehty lukuisia tutkimuksia väriaineiden adsorptiosta. Tulokset osoittavat kuitenkin, että orgaaniset teolliset adsorbentit ovat epäorgaanisia adsorbentteja tehokkaampia emäksisten tai happamien väriaineiden poistossa (Bhatnagar ja Jain, 2005; Jain et al., 2003).
Jain et al. (2003) tutkimista teollisuusjätteistä lannoiteteollisuudesta saatu liete soveltui paremmin emäksisten väriaineiden, kuten krysoidiini G:n, kristallivioletin ja meldolansinisen, poistamiseen kuin terästehtailta saadut lietteet (eli masuunikuona, pöly ja liete). Kaikki nämä jätteet aktivoitiin samanlaisten käsittelyjen perusteella. Kaikki adsorbentit osoittivat samanlaista adsorptiosuuntausta kunkin väriaineen osalta, mutta paras affiniteetti oli meldolansinisellä. Tämän väriaineen suurin adsorptio oli 170 mg/g hiilipitoisiin adsorbentteihin, 67 mg/g masuunilietteeseen, 34 mg/g masuunipölyyn ja 3,7 mg/g masuunikuonaan. Lisäksi nämä arvot seurasivat tarkasti adsorbenttien pinta-alan vähenevää suuntausta (eli 380, 28, 13 ja 4 m2/g).
Väriainetta voidaan poistaa myös paperin ja selluloosan valmistuksessa syntyvällä lietteellä. Tämän adsorbenttityypin suurimpana etuna on korkea orgaanisen materiaalin pitoisuus ja sen tuottaminen suurina määrinä paperiteollisuudessa (Jaria et al., 2017). Vaikka tämä liete saattaa sisältää myrkyllisiä aineita ja kemiallisia lisäaineita ja vaatii siten käsittelyä ja aktivointia, sen uudelleenkäyttö edullisena adsorbenttina vaikuttaa erittäin tehokkaalta.
Aktivaatiokäsittelyn jälkeen tämä hiilipitoinen adsorbentti poisti tehokkaammin kationista väriainetta (metyleenisinistä, 263 mg/g) kuin anionista väriainetta (reaktiivista punaista, 34,3 mg/g) vesiliuoksesta (Li et al., 2011). Lisäksi tämän adsorbentin ominaispinta-ala (keskimäärin 135 m2/g), joka saatiin matalissa lämpötiloissa tapahtuneen hiiltämisen ja höyryllä tapahtuneen fysikaalisen aktivoinnin jälkeen, oli noin viisinkertainen raakalietteeseen (25 m2/g) verrattuna. Nasr et al. (2017) osoittivat, että edullisen adsorbenttivalmistuksen raakaprekursorina käytetyn paperilietteen kemiallisella aktivoinnilla kaliumkarbonaatilla (K2CO3) ja sitä seuraavalla fysikaalisella aktivoinnilla höyryllä saavutettiin korkea metyleenisinivärin poisto vesiliuoksista. Optimaalisissa olosuhteissa suurin adsorptiokapasiteetti oli 260 mg/g. Tämä johtui huokosrakenteiden kehittymisestä 900 °C:n aktivointilämpötilassa, mikä vaikutti osaltaan siihen, että ominaispinta-ala oli 908 m2/g eli noin 56 kertaa suurempi kuin raakapaperilietteellä. Bhatnagar et al. (2007) havaitsivat, että adsorbentit poistavat paperitehtaan lietteestä anionisia väriaineita pienempiä määriä kuin kationisia väriaineita. Nämä tulokset osoittivat, että jopa fysikaalisen aktivoinnin jälkeen ilmalla (500 °C:ssa) oranssi G-värin adsorptiokapasiteetti oli vain 62,3 mg/g. Paperitehtaan lietteen tehokkuus anionisten väriaineiden poistamisessa oli kuitenkin hieman alhaisempi kuin kaupallisten aktiivihiilien. Ottaen huomioon sen alhaiset kustannukset paperitehtaan lietettä voidaan siis edelleen pitää tehokkaana adsorbenttina väriaineiden poistoon vedestä.
Johtopäätöksenä voidaan todeta, että epäpuhtauksien adsorptio ISBA:iden tapauksessa riippuu useista tekijöistä, jotka liittyvät prekursorimateriaaliin sekä erilaisiin valmistusmenetelmää koskeviin parametreihin. Näitä tekijöitä on tutkittava, jotta veden puhdistaminen olisi mahdollisimman tehokasta.