Adsorbent

3.1 Studia przypadków

W przypadku adsorbentów pozyskiwanych z osadów przemysłowych należy wziąć pod uwagę różne parametry, takie jak pH, dozowanie adsorbentu, stężenie sorbatu i czas kontaktu, które mogą znacząco wpłynąć na efektywność procesu. Dekontaminacja wody przy użyciu tych materiałów została szeroko przebadana i opisana w literaturze (Devi i Saroha, 2016). W tej sekcji omówiono jedynie studia przypadków dotyczące wykorzystania osadów z różnych gałęzi przemysłu, które porównują różne rodzaje osadów przemysłowych dla tego samego zanieczyszczenia. Szczegółowe informacje na temat technik eksperymentalnych i wyników można znaleźć w każdym powiązanym źródle na liście referencyjnej.

Pb, Cd i Cr są głównymi metalami ciężkimi pochodzącymi z działalności przemysłowej, które występują w wysokich stężeniach w ściekach. Szczególnie Pb jest bardzo niebezpieczny, ponieważ ma tendencję do bioakumulacji w łańcuchu pokarmowym, nawet w niskich stężeniach.

Martín et al. (2005) badali wykorzystanie szlamu wielkopiecowego do usuwania Pb, cynku (Zn) i Cd z zanieczyszczonych roztworów wodnych. Osad wielkopiecowy, składający się z tlenków żelaza i koksu, jest produktem ubocznym przemysłu stalowniczego. Autorzy ci stwierdzili, że powierzchnia właściwa tego osadu wynosi 27,4 m2/g, a także, że wykazuje on większe powinowactwo do Pb. Adsorpcja Pb wynosiła od 64,2-79,9 mg/g, wzrastając wraz ze wzrostem temperatury od 20°C do 80°C, podobnie jak adsorpcja Zn i Cd, odpowiednio od 4,23 do 9,16 mg/g oraz od 6,74 do 10,2 mg/g. Ponadto stwierdzono, że osad wielkopiecowy adsorbował większe ilości metali niż zgorzelina walcownicza, produkt uboczny tego samego przemysłu stalowniczego.

Podobną wydajność adsorpcji Pb odnotowano w przypadku zastosowania sklarowanego osadu jako taniego adsorbentu (Naiya i in., 2009), pochodzącego z zagęszczacza osadu z podstawowego pieca tlenowego w produkcji stali. W tym przypadku, mimo że powierzchnia właściwa wynosiła około 78,5 m2/g, co jest wartością wyższą niż podana przez Martín et al. (2005), pojemność adsorpcyjna wynosząca około 92,5 mg/g była podobna. W optymalnych warunkach (mianowicie, wartość pH 5, poziom dozowania adsorbentu 5 g/L, i 1 h czasu kontaktu), procent usuwania Pb zmniejszał się wraz ze wzrostem temperatury z 30°C do 50°C.

Muł czerwony jest kolejnym szeroko rozpowszechnionym przemysłowym produktem ubocznym często stosowanym jako adsorbent do uzdatniania wody. Ta stała pozostałość odpadowa pochodzi z podstawowej fermentacji rudy boksytu podczas produkcji tlenku glinu (Bhatnagar et al., 2011). Ze względu na silne właściwości zasadowe, czerwone błoto jest często wykorzystywane do adsorpcji metali, w tym Pb, Cr, Cd i Zn. Santona et al. (2006) badali zdolności adsorpcyjne Pb, Cd i Zn przy użyciu nieobrobionego i potraktowanego kwasem błota czerwonego. Obróbkę kwasową przeprowadzono za pomocą HCl, a następnie przemyto wodą destylowaną. Wartości powierzchni właściwej uzyskane w przypadku nieobrobionego i obrobionego kwasem mułu czerwonego wynosiły odpowiednio 18,9 m2/g i 25,2 m2/g. Jednakże ilość metali zaadsorbowanych przez niepoddane działaniu kwasu błoto czerwone była większa niż zaadsorbowanych przez poddane działaniu kwasu błoto czerwone. W przypadku obu adsorbentów Zn był skuteczniej usuwany niż Pb i Cd.

Zastosowanie dalszej obróbki błota czerwonego w znacznym stopniu wpłynęło na powierzchnię. Najwyższą wartość SBET, 28,0 m2/g, uzyskano po aktywacji HCl i wygrzewaniu w temperaturze 600°C. Wartość SBET przy samej aktywacji HCl wynosiła 20,7 m2/g, natomiast najniższą wartość, 14,2 m2/g, uzyskano w błocie czerwonym płukanym tylko wodą. Ponownie, zwiększona powierzchnia nie odzwierciedla zdolności adsorpcyjnych adsorbentów, ponieważ maksimum adsorpcji zostało osiągnięte z nieprzetworzonym błotem czerwonym dla wszystkich trzech badanych metali, Pb, Cu i Cr (Apak i in., 1998).

Poddanie czerwonego błota działaniu H2O2 i powietrza wydawało się wytwarzać wydajny ISBA, zarówno pod względem adsorpcji (64,8 mg/g dla Pb i 35,7 mg/g dla Cr), jak i powierzchni właściwej (108 m2/g) (Gupta i in., 2001). Czerwone błoto było również wykorzystywane do usuwania innych metali ciężkich, takich jak jony Zn, z roztworu wodnego (Sahu i in., 2011). W wyniku obróbki błota czerwonego zneutralizowanego poprzez sekwestrację CO2 i kalcynację w temperaturze 500°C uzyskano maksymalną pojemność adsorpcyjną 14,9 mg/g, co odpowiada 96% zdolności usuwania Zn. Autorzy podkreślili, że ta metoda aktywacji zwiększyła SBET, osiągając 68,2 m2/g, co stanowi około dwukrotność wartości powierzchni właściwej nieprzetworzonego mułu czerwonego (31,7 m2/g). Chociaż wartości powierzchni właściwej były wyższe niż stwierdzone we wcześniejszych badaniach dotyczących błota czerwonego, pojemność adsorpcyjna Zn była niższa niż Pb.

Niskie wartości adsorpcji Zn, w zakresie 7 mg/g, stwierdzili również Mishra i wsp. (2013), stosując jako adsorbent wysuszony osad ściekowy z huty. Chociaż wartość SBET (średnio 7,5 m2/g) była znacznie niższa niż ta stwierdzona przez Martín et al. (2005), zdolności adsorpcyjne były porównywalne.

ISBAs są również szeroko stosowane do usuwania barwników z zanieczyszczonych roztworów. Liczne badania nad adsorpcją barwników zostały przeprowadzone zarówno z nieorganicznymi jak i organicznymi ISBAs. Jednakże, wyniki pokazują, że organiczne adsorbenty przemysłowe są bardziej wydajne niż adsorbenty nieorganiczne do usuwania barwników zasadowych lub kwasowych (Bhatnagar i Jain, 2005; Jain i in…, 2003).

Z odpadów przemysłowych badanych przez Jain et al. (2003), szlam uzyskany z przemysłu nawozowego był lepiej przystosowany do usuwania barwników podstawowych, takich jak chrysoidyna G, fiolet krystaliczny i błękit meldola niż te z zakładów hutniczych (tj. żużel wielkopiecowy, pył i szlam). Wszystkie te odpady były aktywowane na podstawie podobnych zabiegów. Wszystkie adsorbenty wykazywały podobną tendencję adsorpcyjną dla poszczególnych barwników, ale najlepsze powinowactwo wykazywał błękit meldola. Maksymalna adsorpcja dla tego barwnika wynosiła 170 mg/g na adsorbentach węglowych, 67 mg/g na osadach wielkopiecowych, 34 mg/g na pyle wielkopiecowym i 3,7 mg/g na żużlu wielkopiecowym. Ponadto, wartości te dokładnie odpowiadały tendencji malejącej powierzchni adsorbentów (tj. odpowiednio 380, 28, 13 i 4 m2/g).

Żywica może być również usuwana za pomocą osadów pochodzących z produkcji papieru i celulozy. Główną zaletą tego typu adsorbentu jest wysoka zawartość materiału organicznego oraz jego produkcja w dużych ilościach przez przemysł papierniczy (Jaria et al., 2017). Chociaż osad ten może zawierać substancje toksyczne i dodatki chemiczne, a zatem wymaga obróbki i aktywacji, jego ponowne wykorzystanie jako taniego adsorbentu wydaje się wysoce efektywne.

Po obróbce aktywacyjnej ten węglowy adsorbent skuteczniej usuwał barwnik kationowy (błękit metylenowy, 263 mg/g), niż barwnik anionowy (czerwień reaktywna, 34,3 mg/g) z roztworu wodnego (Li i in., 2011). Ponadto powierzchnia właściwa tego adsorbentu (średnio 135 m2/g) uzyskana po karbonizacji w niskich temperaturach i po aktywacji fizycznej parą wodną była około pięciokrotnie wyższa niż powierzchnia osadu surowego (25 m2/g). Nasr i wsp. (2017) wykazali, że aktywacja chemiczna węglanem potasu (K2CO3), a następnie aktywacja fizyczna parą wodną, osadu papierniczego stosowanego jako surowy prekursor do przygotowania taniego adsorbentu, pozwoliła osiągnąć wysoki poziom usuwania barwnika błękitu metylenowego z roztworów wodnych. W optymalnych warunkach maksymalna pojemność adsorpcyjna wynosiła 260 mg/g. Odzwierciedlało to rozwój struktur porowych uzyskanych w temperaturze aktywacji 900°C, co przyczyniło się do uzyskania powierzchni właściwej 908 m2/g, około 56 razy większej niż w przypadku surowych osadów papierniczych. Bhatnagar i wsp. (2007) stwierdzili, że barwniki anionowe są usuwane w mniejszych ilościach niż barwniki kationowe przez adsorbenty z osadów papierniczych. Wyniki te wskazują, że nawet po fizycznej aktywacji powietrzem (w temperaturze 500°C) pojemność adsorpcyjna pomarańczowego barwnika G wynosiła tylko 62,3 mg/g. Jednakże skuteczność osadu papierniczego w usuwaniu barwników anionowych była nieco niższa niż komercyjnych węgli aktywnych. Dlatego, biorąc pod uwagę niski koszt, osad z papierni nadal może być uważany za skuteczny adsorbent do usuwania barwników z wody.

Podsumowując, adsorpcja zanieczyszczeń w przypadku ISBAs zależy od kilku czynników związanych z materiałem prekursorowym, jak również od różnych parametrów dotyczących metody przygotowania. Czynniki te należy zbadać w celu uzyskania możliwie najbardziej efektywnej dekontaminacji wody.

.