Adszorbens
3.1 Esettanulmányok
Az ipari iszapból származó adszorbensek esetében különböző paramétereket kell figyelembe venni, mint például a pH, az adszorbens adagolása, a szorbát koncentrációja és a kontaktidő, amelyek jelentősen befolyásolhatják a folyamat hatékonyságát. Az ezen anyagok felhasználásával történő vízfertőtlenítést széles körben tanulmányozták és beszámoltak róla a szakirodalomban (Devi és Saroha, 2016). Ebben a fejezetben csak a különböző iparágakból származó iszapok felhasználására vonatkozó esettanulmányokat tárgyaljuk, amelyek különböző típusú ipari iszapokat hasonlítanak össze ugyanazon szennyezőanyag esetében. A kísérleti technikákra és eredményekre vonatkozó részletes információk a hivatkozási lista egyes kapcsolódó forrásaiban találhatók.
A Pb, a Cd és a Cr a fő ipari tevékenységekből származó nehézfémek, amelyek nagy koncentrációban fordulnak elő a szennyvízben. Különösen a Pb rendkívül veszélyes, mivel hajlamos a táplálékláncban bioakkumulációra, még alacsony koncentrációban is.
Martín és munkatársai (2005) a kohóiszap felhasználását vizsgálták Pb, cink (Zn) és Cd eltávolítására szennyezett vizes oldatokból. A vasoxidokból és kokszból álló kohóiszap az acélgyártás mellékterméke. Ezek a szerzők 27,4 m2/g fajlagos felületet jelentettek erre az iszapra, valamint nagyobb affinitást a Pb iránt. A Pb-adszorpció 64,2-79,9 mg/g között mozgott, és a hőmérséklet 20°C-ról 80°C-ra való emelkedésével nőtt, akárcsak a Zn és a Cd adszorpciója, 4,23 és 9,16 mg/g, illetve 6,74 és 10,2 mg/g között. Emellett megállapították, hogy a kohóiszap nagyobb mennyiségű fémet adszorbeált, mint az ugyanezen acélgyártás mellékterméke, a hengerműkő.
A Pb-adszorpció hasonló hatékonyságáról számoltak be a tisztított iszap alacsony költségű adszorbensként történő felhasználásából (Naiya és mtsai., 2009), amely az acélgyártás bázis oxigénkohójának iszapsűrítőjéből származik. Ebben az esetben, bár a fajlagos felület kb. 78,5 m2/g volt, ami magasabb, mint a Martín és munkatársai (2005) által közölt érték, az adszorpciós kapacitás kb. 92,5 mg/g hasonló volt. Optimális körülmények között (nevezetesen 5 pH-érték, 5 g/L adszorbensadagolási szint és 1 óra kontaktidő) a Pb százalékos eltávolítása csökkent a hőmérséklet 30°C-ról 50°C-ra történő emelkedésével.
A vörösiszap egy másik elterjedt ipari melléktermék, amelyet gyakran használnak adszorbensként a vízkezelésben. Ez a szilárd hulladékmaradvány a bauxitérc bázisos feltárásából származik a timföldgyártás során (Bhatnagar et al., 2011). Erős bázikus tulajdonságai miatt a vörösiszapot gyakran használják fémek, többek között Pb, Cr, Cd és Zn adszorpciójára. Santona és munkatársai (2006) a Pb, Cd és Zn adszorpciós kapacitását vizsgálták kezeletlen és savval kezelt vörösiszappal. A savas kezelést HCl-lel végezték, amelyet desztillált vízzel történő mosás követett. A kezeletlen és savval kezelt vörösiszappal kapott fajlagos területértékek 18,9 m2/g, illetve 25,2 m2/g voltak. A kezeletlen vörösiszap által adszorbeált fémek mennyisége azonban nagyobb volt, mint a kezelt vörösiszap által adszorbeáltaké. Mindkét adszorbens esetében a Zn hatékonyabban távolodott el, mint a Pb és a Cd.
A vörösiszap további kezeléseinek alkalmazása nagyban befolyásolta a felületet. A legnagyobb SBET, 28,0 m2/g, HCl-aktiválás és 600°C-on történő hevítés után adódott. A csak HCl-aktiválással kapott SBET-érték 20,7 m2/g volt, míg a legalacsonyabb értéket, 14,2 m2/g-ot a csak vízzel mosott vörösiszapnál kaptuk. A megnövekedett felület ismét nem tükrözte az adszorbensek adszorpciós kapacitását, mivel a maximális adszorpciót mindhárom vizsgált fém, Pb, Cu és Cr esetében kezeletlen vörösiszappal érték el (Apak et al., 1998).
A vörösiszap H2O2-vel és levegővel történő kezelése úgy tűnt, hogy hatékony ISBA-t eredményez, mind az adszorpció (64,8 mg/g a Pb és 35,7 mg/g a Cr esetében), mind a fajlagos felület (108 m2/g) tekintetében (Gupta et al., 2001). A vörösiszapot más nehézfémek, például Zn-ionok vizes oldatból történő eltávolítására is használták (Sahu et al., 2011). A CO2 megkötésével és 500°C-on történő kalcinálással semlegesített vörösiszap kezelésével 14,9 mg/g maximális adszorpciós kapacitást értek el, ami 96%-os Zn eltávolítási kapacitásnak felel meg. A szerzők kiemelték, hogy ez az aktiválási módszer fokozta az SBET-t, elérve a 68,2 m2/g-ot, ami körülbelül kétszerese a kezeletlen vörösiszap felületi értékének (31,7 m2/g). Bár a fajlagos felületértékek magasabbak voltak, mint a vörösiszappal végzett korábbi vizsgálatokban tapasztaltak, a Zn-adszorpciós kapacitás alacsonyabb volt, mint a Pb-é.
A Zn-adszorpció alacsony, 7 mg/g körüli értékeit Mishra és munkatársai (2013) is megállapították, amikor szárított acélgyári hulladékiszapot használtak adszorbensként. Bár az SBET-érték (átlagosan 7,5 m2/g) jóval alacsonyabb volt, mint a Martín és munkatársai (2005) által talált érték, az adszorpciós kapacitások hasonlóak voltak.
Az ISBA-kat széles körben használják a szennyezett oldatokból történő festékeltávolításra is. Számos vizsgálatot végeztek a festékadszorpcióról mind szervetlen, mind szerves ISBA-kkal. Az eredmények azonban azt mutatják, hogy a szerves ipari adszorbensek hatékonyabbak, mint a szervetlen adszorbensek a bázikus vagy savas színezékek eltávolításában (Bhatnagar és Jain, 2005; Jain et al., 2003).
A Jain és munkatársai (2003) által vizsgált ipari hulladékok közül a műtrágyaiparból nyert iszap jobban alkalmas volt az olyan bázikus színezékek eltávolítására, mint a krizoidin G, a kristályviola és a meldolakék, mint az acélművekből származó (azaz a kohósalak, a por és az iszap). Mindezeket a hulladékokat hasonló kezelések alapján aktiválták. Minden adszorbens hasonló adszorpciós tendenciát mutatott az egyes festékek esetében, de a legjobb affinitás a meldolakékhez volt. Ennek a festéknek a maximális adszorpciója 170 mg/g volt a szénalapú adszorbenseken, 67 mg/g a kohóiszapon, 34 mg/g a kohóporon és 3,7 mg/g a kohósalakon. Ráadásul ezek az értékek pontosan követték az adszorbensek felületének csökkenő tendenciáját (azaz 380, 28, 13 és 4 m2/g).
A festék eltávolítható a papír- és cellulózgyártásból származó iszappal is. Az ilyen típusú adszorbens fő előnye a magas szervesanyag-tartalom és a papíriparban nagy mennyiségben történő előállítása (Jaria et al., 2017). Bár ez az iszap toxikus anyagokat és kémiai adalékanyagokat tartalmazhat, és ezért kezelést és aktiválást igényel, az alacsony költségű adszorbensként való újrafelhasználása rendkívül hatékonynak tűnik.
Az aktiváló kezelés után ez a szénalapú adszorbens hatékonyabban távolította el a kationos festéket (metilénkék, 263 mg/g), mint az anionos festéket (reaktív vörös, 34,3 mg/g) a vizes oldatból (Li et al., 2011). Ezenkívül ennek az adszorbensnek az alacsony hőmérsékleten történő karbonizálást és gőzzel történő fizikai aktiválást követően kapott fajlagos felülete (átlagosan 135 m2/g) körülbelül ötször nagyobb volt, mint a nyers iszapé (25 m2/g). Nasr és munkatársai (2017) kimutatták, hogy az alacsony költségű adszorbens előállításához nyers prekurzorként használt papíriszap kálium-karbonáttal (K2CO3) történő kémiai aktiválásával, majd gőzzel történő fizikai aktiválásával nagyfokú metilénkék festék eltávolítását érték el vizes oldatokból. Optimális körülmények között a maximális adszorpciós kapacitás 260 mg/g volt. Ez a 900 °C-os aktiválási hőmérsékleten kapott pórusszerkezetek kialakulását tükrözte, ami hozzájárult a 908 m2/g fajlagos felülethez, ami körülbelül 56-szor nagyobb, mint a nyers papíriszapé. Bhatnagar és munkatársai (2007) megállapították, hogy az anionos festékeket kisebb mennyiségben távolítják el az adszorbensek a papírgyári iszapból, mint a kationos festékeket. Ezek az eredmények azt mutatták, hogy a narancs G színezék adszorpciós kapacitása még a levegővel történő fizikai aktiválás után (500°C-on) is csak 62,3 mg/g volt. A papírgyári iszap hatékonysága az anionos színezékek eltávolításában azonban valamivel alacsonyabb volt, mint a kereskedelmi forgalomban kapható aktív szeneké. Ezért, tekintettel alacsony költségére, a papírgyári iszap még mindig hatékony adszorbensnek tekinthető a festékek vízből történő eltávolítására.
Végeredményben a szennyezőanyag-adszorpció az ISBA-k esetében számos, a prekurzor anyaggal, valamint az előállítási módszerre vonatkozó különböző paraméterekkel kapcsolatos tényezőtől függ. Ezeket a tényezőket tanulmányozni kell a lehető leghatékonyabb vízfertőtlenítés elérése érdekében.