Adsorbent

3.1 Fallstudier

För adsorbenter som härrör från industrislam måste olika parametrar beaktas, t.ex. pH, dosering av adsorbent, koncentration av sorbat och kontakttid, vilket kan påverka processens effektivitet avsevärt. Vattendekontaminering med hjälp av dessa material har studerats ingående och rapporterats i litteraturen (Devi och Saroha, 2016). I detta avsnitt diskuteras endast fallstudier om användning av slam från olika industrier som jämför olika typer av industrislam för samma förorening. Detaljerad information om experimentella tekniker och resultat finns i varje relaterad källa i referenslistan.

Pb, Cd och Cr är de viktigaste tungmetallerna som härrör från industriell verksamhet och som förekommer i höga koncentrationer i avloppsvatten. Särskilt Pb är extremt farligt eftersom det tenderar att bioackumuleras i näringskedjan, även i låga koncentrationer.

Martín et al. (2005) undersökte användningen av masugnsslam för avlägsnande av Pb, zink (Zn) och Cd från förorenade vattenlösningar. Slam från masugnar, som består av järnoxider och koks, är en biprodukt från ståltillverkningsindustrin. Författarna rapporterade en specifik yta på 27,4 m2/g för detta slam och en större affinitet för Pb. Pb-adsorptionen varierade från 64,2-79,9 mg/g och ökade med temperaturen från 20 °C till 80 °C, liksom Zn- och Cd-adsorptionen, från 4,23 till 9,16 mg/g respektive från 6,74 till 10,2 mg/g. Dessutom fann de att masugnsslammet adsorberade större mängder metaller än valsverkstjocklek, en biprodukt från samma ståltillverkningsindustri.

En liknande effektivitet i Pb-adsorptionen har rapporterats från användningen av klarat slam som ett billigt adsorbent (Naiya et al., 2009), som härrör från slamförtjockaren i den basiska syreugnen vid ståltillverkning. I detta fall var den specifika ytan visserligen cirka 78,5 m2/g, vilket är högre än den som rapporterades av Martín et al. (2005), men adsorptionskapaciteten på cirka 92,5 mg/g var likartad. Under optimala förhållanden (nämligen ett pH-värde på 5, en adsorbentdoseringsnivå på 5 g/L och 1 h kontakttid) minskade det procentuella avlägsnandet av Pb med stigande temperatur från 30 °C till 50 °C.

Rödslam är en annan utbredd industriell biprodukt som ofta används som adsorbent för vattenbehandling. Denna fasta avfallsrest härrör från den basiska digestionen av bauxitmalm under aluminiumoxidproduktionen (Bhatnagar et al., 2011). På grund av dess starka basiska egenskaper används rödslam ofta för adsorption av metaller, inklusive Pb, Cr, Cd och Zn. Santona et al. (2006) undersökte adsorptionskapaciteten för Pb, Cd och Zn med obehandlad och syrabehandlad rödslam. Syrabehandlingen utfördes med HCl, följt av tvättning med destillerat vatten. Den specifika ytan för obehandlad och syrabehandlad rödslam var 18,9 m2/g respektive 25,2 m2/g. Mängden metaller som adsorberades av den obehandlade rödslammet var dock större än den som adsorberades av den behandlade rödslammet. För båda adsorbenterna avlägsnades Zn effektivare än Pb och Cd.

Användningen av ytterligare behandlingar av rödslam påverkade i hög grad ytan. Den högsta SBET, 28,0 m2/g, erhölls efter HCl-aktivering plus upphettning vid 600 °C. SBET-värdet med enbart HCl-aktivering var 20,7 m2/g, medan det lägsta värdet, 14,2 m2/g, erhölls i rödslam som tvättats enbart med vatten. Återigen återspeglade den ökade ytan inte adsorbenternas adsorptionskapacitet eftersom den maximala adsorptionen uppnåddes med obehandlad rödslam för alla tre undersökta metaller, Pb, Cu och Cr (Apak et al, 1998).

En behandling av rödslam med H2O2 och luft verkade ge en effektiv ISBA, både när det gäller adsorption (64,8 mg/g för Pb och 35,7 mg/g för Cr) och specifik yta (108 m2/g) (Gupta et al., 2001). Rödslam användes också för att avlägsna andra tungmetaller, såsom Zn-joner, från vattenlösning (Sahu et al., 2011). Behandlingen av rödslam som neutraliserats genom sekvensering av CO2 och kalcinering vid 500 °C gav en maximal adsorptionskapacitet på 14,9 mg/g, vilket motsvarar en kapacitet för avlägsnande av Zn på 96 %. Författarna framhöll att denna aktiveringsmetod förbättrade SBET och nådde 68,2 m2/g, vilket är ungefär dubbelt så mycket som ytvärdet för den obehandlade röda leran (31,7 m2/g). Även om värdena för den specifika ytan var högre än de som hittats i tidigare studier av rödslam var Zn-adsorptionskapaciteten lägre än för Pb.

Låga värden för Zn-adsorption, i storleksordningen 7 mg/g, hittades också av Mishra et al. (2013) när de använde ett torkat avfallsslam från stålverk som adsorbent. Även om SBET-värdet (genomsnittligt 7,5 m2/g) var mycket lägre än det som hittades av Martín et al. (2005) var adsorptionskapaciteten jämförbar.

ISBA används också i stor utsträckning för att avlägsna färgämnen från förorenade lösningar. Många studier om färgämnesadsorption har genomförts med både oorganiska och organiska ISBAs. Resultaten visar dock att organiska industriella adsorbenter är effektivare än oorganiska adsorbenter för avlägsnande av basiska eller sura färgämnen (Bhatnagar och Jain, 2005; Jain et al,

Av det industriavfall som undersöktes av Jain et al. (2003) var slammet från gödselmedelsindustrin bättre lämpat för att avlägsna basiska färgämnen som krysoidin G, kristallviolett och meldolablått än slammet från stålverk (dvs. masugnsslagg, stoft och slam). Allt detta avfall aktiverades på grundval av liknande behandlingar. Alla adsorbenter uppvisade en liknande adsorptionstrend för varje färgämne, men den bästa affiniteten var för meldolablått. Den maximala adsorptionen för detta färgämne var 170 mg/g på kolhaltiga adsorbenter, 67 mg/g på masugnsslam, 34 mg/g på masugnsstoft och 3,7 mg/g på masugnsslagg. Dessutom följde dessa värden exakt den minskande trenden för adsorbenternas yta (dvs. 380, 28, 13 respektive 4 m2/g).

Färgämnen kan också avlägsnas med slammet från pappers- och cellulosaframställning. Den största fördelen med denna typ av adsorbent är det höga innehållet av organiskt material och att det produceras i stora mängder av pappersindustrin (Jaria et al., 2017). Även om detta slam kan innehålla giftiga ämnen och kemiska tillsatser, och därmed kräver behandling och aktivering, verkar dess återanvändning som ett billigt adsorbent mycket effektiv.

Efter aktiveringsbehandling avlägsnade detta kolhaltiga adsorbent mer effektivt det katjoniska färgämnet (metylenblått, 263 mg/g), än det anjoniska färgämnet (reaktivt rött, 34,3 mg/g) från vattenlösning (Li et al., 2011). Dessutom var den specifika ytan hos detta adsorbent (i genomsnitt 135 m2/g) som erhållits efter karbonisering vid låga temperaturer och efter fysisk aktivering med ånga ungefär fem gånger högre än den hos rått slam (25 m2/g). Nasr et al. (2017) visade att kemisk aktivering med kaliumkarbonat (K2CO3), följt av fysisk aktivering med ånga, av ett pappersslam som användes som en rå prekursor för billig adsorbentberedning, uppnådde höga nivåer av avlägsnande av metylenblått färgämne från vattenlösningar. Under optimala förhållanden var den maximala adsorptionskapaciteten 260 mg/g. Detta återspeglade utvecklingen av de porstrukturer som erhållits vid en aktiveringstemperatur på 900 °C, vilket bidrog till en specifik yta på 908 m2/g, cirka 56 gånger högre än för rått pappersslam. Bhatnagar et al. (2007) fann att anjoniska färgämnen avlägsnas i mindre mängder än katjoniska färgämnen av adsorbenter från slam från pappersbruk. Dessa resultat visade att även efter fysisk aktivering med luft (vid 500 °C) var adsorptionskapaciteten för orange G-färgämnet endast 62,3 mg/g. Effektiviteten hos slam från pappersbruk för att avlägsna anjoniska färgämnen var dock något lägre än kommersiella aktiva kol. Med tanke på den låga kostnaden kan pappersbruksslam därför fortfarande betraktas som ett effektivt adsorbent för avskiljning av färgämnen från vatten.

Slutsatsen är att adsorption av föroreningar när det gäller ISBA beror på flera faktorer som är relaterade till prekursormaterialet, liksom till olika parametrar som rör framställningsmetoden. Dessa faktorer måste studeras för att få en så effektiv vattendekontaminering som möjligt.