Adsorbent

3.1 Case studies

Voor adsorbentia afgeleid van industrieel slib moet rekening worden gehouden met verschillende parameters, zoals pH, adsorbentdosering, sorbaatconcentratie en contacttijd, die de efficiëntie van het proces aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Waterontsmetting met behulp van deze materialen is uitgebreid bestudeerd en gerapporteerd in de literatuur (Devi en Saroha, 2016). In dit deel worden alleen casestudies besproken met betrekking tot het gebruik van slib uit verschillende industrieën die verschillende soorten industrieel slib vergelijken voor dezelfde verontreinigende stof. Gedetailleerde informatie over experimentele technieken en resultaten is te vinden in elke gerelateerde bron op de referentielijst.

Pb, Cd, en Cr zijn de belangrijkste zware metalen afkomstig van industriële activiteiten die in hoge concentraties voorkomen in afvalwater. Vooral Pb is uiterst gevaarlijk omdat het de neiging heeft te bioaccumuleren in de voedselketen, zelfs in lage concentraties.

Martín et al. (2005) onderzochten het gebruik van hoogovenslib voor de verwijdering van Pb, zink (Zn), en Cd uit verontreinigde waterige oplossingen. Hoogovenslib, bestaande uit ijzeroxiden en cokes, is een nevenproduct van de staalproductie-industrie. Deze auteurs meldden een specifiek oppervlak van 27,4 m2/g voor dit slib, alsook een grotere affiniteit voor Pb. In feite varieerde de Pb-adsorptie van 64,2-79,9 mg/g, toenemend naarmate de temperatuur opliep van 20°C tot 80°C, evenals de Zn- en Cd-adsorptie, van 4,23 tot 9,16 mg/g, en van 6,74 tot 10,2 mg/g, respectievelijk. Bovendien ontdekten zij dat het hoogovenslib grotere hoeveelheden metalen adsorbeerde dan walshuid, een bijproduct van dezelfde staalproductie-industrie.

Een vergelijkbare efficiëntie in Pb-adsorptie is gerapporteerd van het gebruik van geklaard slib als een goedkoop adsorptiemiddel (Naiya et al., 2009), afkomstig van de slibindikker van basiszuurstofovens in de staalproductie. In dit geval was het specifieke oppervlak weliswaar ongeveer 78,5 m2/g, wat hoger is dan het door Martín et al. (2005) gerapporteerde oppervlak, maar de adsorptiecapaciteit van ongeveer 92,5 mg/g was vergelijkbaar. Onder optimale omstandigheden (namelijk een pH-waarde van 5, een adsorptiedosering van 5 g/L, en 1 uur contacttijd) nam het verwijderingspercentage van Pb af met een stijging van de temperatuur van 30°C tot 50°C.

Rode modder is een ander wijdverbreid industrieel bijproduct dat vaak wordt gebruikt als adsorptiemiddel voor waterbehandeling. Dit vaste afvalresidu is afkomstig van de basische ontsluiting van bauxieterts tijdens de productie van aluminiumoxide (Bhatnagar et al., 2011). Door zijn sterke basische eigenschappen wordt rode modder vaak gebruikt voor de adsorptie van metalen, waaronder Pb, Cr, Cd, en Zn. Santona et al. (2006) onderzochten de adsorptiecapaciteiten van Pb, Cd, en Zn met onbehandelde en met zuur behandelde rode modder. De zuurbehandeling werd uitgevoerd met HCl, gevolgd door wassen met gedestilleerd water. De specifieke oppervlaktewaarden verkregen met onbehandeld en met zuur behandeld rood slib waren 18,9 m2/g en 25,2 m2/g, respectievelijk. De hoeveelheid metalen die geadsorbeerd werd door de onbehandelde rode modder was echter groter dan de hoeveelheid die geadsorbeerd werd door de behandelde rode modder. Voor beide adsorbentia werd Zn efficiënter verwijderd dan Pb en Cd.

De toepassing van verdere behandelingen op rode modder beïnvloedde het oppervlak sterk. De hoogste SBET, 28,0 m2/g, werd verkregen na activering met HCl plus verhitting bij 600°C. De SBET-waarde met alleen HCl-activering was 20,7 m2/g, terwijl de laagste waarde, 14,2 m2/g, werd verkregen in rood slib dat alleen met water was gewassen. Opnieuw weerspiegelde het toegenomen oppervlak niet de adsorptiecapaciteiten van de adsorbentia, omdat de maximale adsorptie werd bereikt met onbehandelde rode modder voor alle drie onderzochte metalen, Pb, Cu, en Cr (Apak et al, Een behandeling van rode modder met H2O2 en lucht leek een efficiënte ISBA op te leveren, zowel wat betreft adsorptie (64,8 mg/g voor Pb en 35,7 mg/g voor Cr), als wat betreft specifiek oppervlak (108 m2/g) (Gupta et al., 2001). Rode modder werd ook gebruikt om andere zware metalen, zoals Zn-ionen, uit een waterige oplossing te verwijderen (Sahu et al., 2011). De behandeling van rode modder geneutraliseerd door de sekwestratie van CO2 en calcinatie bij 500°C verkreeg een maximale adsorptiecapaciteit van 14,9 mg/g, wat overeenkomt met een verwijderingscapaciteit van 96% Zn. De auteurs benadrukten dat deze activeringsmethode het SBET verbeterde, tot 68,2 m2/g, wat ongeveer het dubbele is van de oppervlaktewaarde van de onbehandelde rode modder (31,7 m2/g). Hoewel de specifieke oppervlaktewaarden hoger waren dan die gevonden in eerdere studies over rood slib, was de Zn-adsorptiecapaciteit lager dan die van Pb.

Lage waarden van Zn-adsorptie, in het bereik van 7 mg/g, werden ook gevonden door Mishra et al. (2013) bij het gebruik van een gedroogd staalfabriek-afvalslib als adsorptiemiddel. Hoewel de SBET-waarde (gemiddeld 7,5 m2/g) veel lager was dan die gevonden door Martín et al. (2005), waren de adsorptiecapaciteiten vergelijkbaar.

ISBA’s worden ook veel gebruikt voor kleurstofverwijdering uit verontreinigde oplossingen. Talrijke studies over kleurstofadsorptie zijn uitgevoerd met zowel anorganische als organische ISBA’s. Uit de resultaten blijkt echter dat organische industriële adsorbentia efficiënter zijn dan anorganische adsorbentia voor basische of zure kleurstofverwijdering (Bhatnagar en Jain, 2005; Jain et al,

Van het door Jain et al. (2003) onderzochte industrieel afval was het slib uit de kunstmestindustrie beter geschikt voor het verwijderen van basische kleurstoffen zoals chrysoidine G, kristalviolet en meldola blauw dan die uit staalfabrieken (d.w.z. hoogovenslakken, stof en slib). Al dit afval werd geactiveerd op basis van vergelijkbare behandelingen. Alle adsorbentia vertoonden een soortgelijke adsorptietrend voor elke kleurstof, maar de beste affiniteit was voor meldola-blauw. De maximale adsorptie voor deze kleurstof bedroeg 170 mg/g op koolstofhoudende adsorbentia, 67 mg/g op hoogovenslib, 34 mg/g op hoogovenstof, en 3,7 mg/g op hoogovenslakken. Bovendien volgden deze waarden precies de dalende tendens van het oppervlak van de adsorbentia (d.w.z. respectievelijk 380, 28, 13 en 4 m2/g).

Kleurstof kan ook worden verwijderd met het slib afkomstig van de papier- en cellulosefabricage. Het belangrijkste voordeel van dit type adsorptiemiddel is het hoge gehalte aan organisch materiaal en de productie ervan in grote hoeveelheden door de papierindustrie (Jaria et al., 2017). Hoewel dit slib toxische stoffen en chemische additieven kan bevatten, en dus behandeling en activering vereist, lijkt het hergebruik ervan als een goedkoop adsorptiemiddel zeer efficiënt.

Na activeringsbehandeling verwijderde dit koolstofhoudend adsorptiemiddel effectiever de kationische kleurstof (methyleenblauw, 263 mg/g), dan de anionische kleurstof (reactief rood, 34,3 mg/g) uit een waterige oplossing (Li et al., 2011). Bovendien was het specifieke oppervlak van dit adsorptiemiddel (gemiddeld 135 m2/g), verkregen na carbonisatie bij lage temperaturen en na fysische activering met stoom, ongeveer vijf keer zo groot als dat van ruw slib (25 m2/g). Nasr et al. (2017) toonden aan dat chemische activering met kaliumcarbonaat (K2CO3), gevolgd door fysische activering met stoom, van een papierslib dat werd gebruikt als ruwe precursor voor goedkope adsorbentbereiding, hoge niveaus van methyleenblauwe kleurstofverwijdering uit waterige oplossingen bereikte. Onder optimale omstandigheden bedroeg de maximale adsorptiecapaciteit 260 mg/g. Dit weerspiegelde de ontwikkeling van de poriënstructuren verkregen bij een activeringstemperatuur van 900°C, die bijdroegen tot een specifiek oppervlak van 908 m2/g, ongeveer 56 maal hoger dan dat van ruw papierslib. Bhatnagar et al. (2007) vonden dat anionogene kleurstoffen in kleinere hoeveelheden dan kationogene kleurstoffen worden verwijderd door adsorbentia uit papierfabriekslib. Deze resultaten gaven aan dat zelfs na fysische activering met lucht (bij 500°C) de adsorptiecapaciteit van oranje G-kleurstof slechts 62,3 mg/g bedroeg. De effectiviteit van papierfabriekslib bij het verwijderen van anionogene kleurstoffen was echter iets lager dan die van commerciële actieve kool. Daarom kan papierfabriekslib, gezien de lage kosten, nog steeds worden beschouwd als een efficiënt adsorptiemiddel voor het verwijderen van kleurstoffen uit water.

Concluderend kan worden gesteld dat de adsorptie van verontreinigende stoffen in het geval van ISBA’s afhangt van verschillende factoren die verband houden met het precursormateriaal, alsmede met de verschillende parameters betreffende de bereidingsmethode. Deze factoren moeten worden bestudeerd om een zo doeltreffend mogelijke waterontsmetting te verkrijgen.