Адсорбційне видалення ртуті з води адсорбентами, отриманими з фінікових ям

Предмети

Анотація

Поточна робота, представлена тут, зосереджена на відновленні ртуті з води за допомогою модифікованих недорогих матеріалів. Модифіковані котловани, низька вартість, мінімальні етапи попередньої обробки та багато місцевих сільськогосподарських відходів ефективно використовувались як адсорбент для відновлення Hg 2+ із водних середовищ. Були розроблені фізичні та хімічні модифікації, такі як модифікації на основі термічного обсмажування (RDP), модифікації сірки (SMRDP) та силану (SIMRDP). Результати показали, що максимальна адсорбція RDP була при рН 6, змінного струму, а обидві модифікації - при pH 4. Крім того, RDP має екзотермічний механізм адсорбції, тоді як AC, SMRDP та SIMRDP мають ендотермічну. Усі адсорбенти, крім SIMRDP, мають процес спонтанної адсорбції. SEM-аналіз показав, що морфологія поверхні RDP не суттєво впливала на різні способи обробки, тоді як на поверхню змінного струму впливали. Багато дослідників по всьому світу проводили дослідження доброго адсорбенту для поглинання Hg 2+ з різних антропогенних джерел з метою забезпечення безпечного середовища. У поточному дослідженні найвища адсорбція Hg 2+ SMRDP була відносно високою порівняно з іншими відомими адсорбентами.

Вступ

Зниження рівня ртуті з водного середовища є серйозною справою управління навколишнім середовищем через згубний вплив як довгострокових, так і короткочасних наслідків, які спричинені видами ртуті (Hg) на здоров'я людини, а також на водну екологію 1,2. Крім того, стрімкий промисловий розвиток у всьому світі спричинив критичну екологічну проблему ртуті у воді, в якій Hg (II) посідає шосте місце серед токсичних хімічних речовин у списку небезпечних сполук, вважаючи його одним з найнебезпечніших та найпоширеніших важких металів у світі. водне середовище 1. Такі галузі, як пластмасова промисловість, нафтопереробні заводи, целюлозна промисловість, цементна промисловість та різні інші галузі, також є джерелом ртуті в навколишньому середовищі 3. Крім того, ртутні клітини та люмінесцентні лампи також можуть стати джерелом ртуті після використання.

Дезактивація або відновлення ртуті, що міститься у склі, фосфорному порошку та торцевих кришках відпрацьованих люмінесцентних ламп, може стати джерелом ртуті в навколишньому середовищі. Відновлення відсотків ртуті залежить від методів вологої або сухої обробки. Собрал та ін. 4, витягували 99% ртуті з відпрацьованих люмінесцентних ламп методом електровилуговування, тоді як поєднання процесу електроутворення призвело до відновлення 81% ртуті 5. Більше того, 95% ртуті було вилучено комбінацією фотокаталітичного процесу з екстракційним розчином гіпохлориту натрію 6. У наших попередніх дослідженнях використовувалась технологія вилуговування ртуті з люмінесцентних ламп для біоремедіації за допомогою мікрохвильової печі, а результати показали ефективність вилуговування ртуті 76,4% 7 .

Ці галузі застосовували кілька різних звичайних методів видалення ртуті з води, таких як іонообмін, мембранна фільтрація та інші методології. Однак, згідно з Awual 13, ці методи є дорогими через вимогу етапу вторинної обробки, і все ж вони можуть лише зменшити рівень ртуті до µg/L у воді 1,2. Переваги та недоліки інших методів видалення іонів ртуті показані в таблиці 1. Видалення Hg (II) з води шляхом адсорбції визнано найбільш підходящою та простою методологією серед інших доступних варіантів обробки та вибору відповідного адсорбенту, який підходить Властивості іонів Hg (II) є необхідними для отримання максимальної потужності процесу адсорбції.

Ями для фініків як сільськогосподарські відходи можна використовувати як ефективні адсорбенти через їх низьку вартість порівняно з активованим вугіллям та їх адсорбційний потенціал для видалення забруднюючих речовин. Примітно, що фінікова пальма має велике значення в катарському та близькосхідному співтоваристві завдяки її відомій взаємозв'язку з релігією та культурною практикою. Фінікові кісточки вважаються відходами з нульовою економічною цінністю (з потенційними проблемами одноразового використання) і складають близько 15% від ваги фінікових фруктів 17. Кілька нещодавніх досліджень висвітлили потенційне використання фінікових ям у сирому або модифікованому стані для відновлення різних металів та забруднюючих речовин з різних джерел 18. Мохаммаді та ін. 19, використовували фінікові кісточки насіння для видалення важких металів, включаючи Pb, Cd, As та Hg з Кіпрін карпіо риби та результати показали зниження концентрації важких металів у рибі. Більше того, Аль-Гуті та ін. 17, дослідив використання обсмажених фінікових кісточок для виведення Br з води та результати ілюструє великий адсорбційний потенціал адсорбенту. Однак, наскільки нам відомо, раніше не проводилось жодних досліджень із застосування фінікових ям при видаленні ртуті з водного середовища.

Відновлювальна здатність смажених фінікових кісточок (ППР) потребує деяких хімічних модифікацій, щоб бути більш ефективними. Ці хімічні модифікації включають модифіковану сіркою смажену фініку (SMRDP) та модифіковану сіланом смажену фініку (SIMRDP) 17,20. Враховуючи велику кількість фінікових ям та одноразових проблем у Катарі та багатьох країнах Аравійського півострова, зараз необхідно розробити потенціал фінікових ям у техніці адсорбції для очищення води. Отже, цілі цього документу сформульовані таким чином: (i) модифікувати та активувати смажені фінікові кісточки для отримання сірчано-фірмових смажених фінікових кісточок (SMRDP) та модифікованих силаном смажених фінікових кісточок (SIMRDP); (ii) охарактеризувати нещодавно отримані адсорбенти з точки зору скануючої електронної мікроскопії (SEM) та інфрачервоної (FTIR) спектроскопії перетворення Фур’є (iii) для застосування новостворених адсорбентів для адсорбції ртуті з води та дослідити їх ізотерми адсорбції, і адсорбційні механізми та шляхи.

Матеріали і методи

Збір і підготовка адсорбенту

Катарські фінікові фрукти, Фенікс дактиліфера Л. отримували з місцевих ринків. Хімічним складом кісточок фініків на основі сухої речовини була целюлоза: 21,2 ± 0,1, геміцелюлози: 28,1 ± 0,1; та лігнін: 19,9 ± 0,1% мас. Тверда яма була єдиною частиною, яка використовувалася для приготування адсорбентів. Для того, щоб видалити бруд та домішки з фінікових ям, їх кілька разів промивали дистильованою водою, а потім надлишки води видаляли сушкою фінікових ям протягом 2 годин у печі при 65 ° C. Після цього висушені кісточки фініків смажили при 130 ° С протягом 3 годин у печі, щоб отримати кісточки смажених фініків (RDP). RDP подрібнювали і подрібнювали у вигляді порошку, а потім передавали в кавоварку, де його подрібнювали далі, щоб отримати розмір частинок від грубих до дрібних частинок. Впродовж експериментів використовувався один розмір частинок (0,250 мм – 0,125 мм). Більше того, комерційне активоване вугілля (AC), яке доступне на місцях, було використано в якості еталонного матеріалу, завдяки чому воно широко використовується для відновлення та видалення декількох різних забруднювачів.

Підготовка модифікованого RDP

Модифіковані сіркою смажені кісточки фініків (SMRDP)

Сорок грамів RDP зважували і додавали до 300 см 3 2 М NaOH. Потім суміш перемішували в шейкер-інкубаторі протягом 4 годин при 30 ° C і 165 об/хв. Після цього до суміші додавали 20 см 3 сірководню і повторно інкубували ще 4 години в тих же умовах. Після цього надосадову рідину кілька разів промивали дистильованою водою, зливали і поміщали в піч на 70 ° С на 24 години.

Модифіковані силаном смажені кісточки фініків (SIMRDP)

Розчин, виготовлений з попередньо гідролізованого 1,5% Vol 3-меркаптопропілтріетоксисилану, додавали до середовища 50/50% Vol етанол/вода з pH 4,5, регульованим 5% оцтовою кислотою. Після цього 31 г RDP зважували і додавали до розчину. Потім суміш перемішували протягом 3 годин у шейкері-інкубаторі при 25 ° C і 165 об/хв. Після цього модифікований RDP промивали тим же середовищем і поміщали в піч при 60 ° C.

Характеристика адсорбентів

Загалом, характеристика адсорбенту в будь-якій системі адсорбції забезпечує суттєве розуміння залученого процесу та механізмів, що його регулюють 17. Тому характеристики поверхні адсорбентів (AC, RDP, SMRDP та SIMRDP) визначали до та після процесу адсорбції. Спектри інфрачервоного перетворення Фур'є (FTIR) адсорбентів реєстрували з використанням моделі FTIR Perkin Elmer 2000. Аналіз FTIR проводили для інтерпретації функціональних груп, що мали місце в адсорбентах. Вимірювання FTIR проводили понад 4000–400 см -1. Крім того, скануюча електронна мікроскопія (SEM) також була використана для оцінки морфології поверхні адсорбентів за допомогою моделі JEOL JSM-6390LV.

Пряма адсорбція ртуті

Було досліджено кілька різних параметрів санації, таких як рН (2, 4, 6, 8 та 10), початкова концентрація (0,5–8,0 мг/дм 3) та температура (25, 35 та 45 ° C). 0,05 г адсорбенту (RDP, SMRDP або SIMRDP) і 50 мл розчину хлориду ртуті (HgCl2) при різних початкових концентраціях поміщали в підкислену скляну пляшку і струшували при 165 об/хв за допомогою шейкера з контрольованою температурою протягом 48 годин. Усі зразки фільтрували і визначали концентрацію Hg 2+ за допомогою атомно-абсорбційного спектрофотометра холодної пари (CVAAS). Концентрація ртуті була обрана виходячи з наявної концентрації ртуті у відпрацьованих люмінесцентних лампах 16 .

Термодинамічні дослідження адсорбції ртуті

Термодинамічні дослідження процесу адсорбції дуже важливі для визначення спонтанності процесу адсорбції. Одним з основних критеріїв спонтанності є зміна вільної енергії Гібба ∆G °. При даній температурі спонтанна реакція виникає, якщо ∆G ° має негативне значення. Більше того, зміна ентальпії ∆H ° та зміна ентропії ∆S ° є необхідними термодинамічними параметрами. За словами Тран та ін. 21, термодинамічні параметри ∆G °, ∆H ° та ∆S ° були розраховані з наступних рівнянь:

Де R - газова постійна (8,314 Дж/моль К), T - температура в Кельвінах (K), а Ka - постійна Ленгмюра.

Ізотерма адсорбції адсорбції ртуті

Взаємозв'язок між рівноважною концентрацією та рівноважною адсорбційною здатністю при постійній температурі у водному середовищі описувались за допомогою ізотерм адсорбції. Чотири моделі ізотерми використовувались для визначення найкращої моделі процесу адсорбції, в якій експериментальні дані рівноваги встановлювались на моделі ізотерми Ленгмюра, Фрейндліха, Дубініна-Радушкевича та Темкіна 22. Лінійні форми чотирьох моделей ізотерми адсорбції, а також їх константи та параметри адсорбції наведені в таблиці 2.

Статистичний аналіз

Через те, що експериментальна схема експериментів була повністю рандомізованою (CRD), а експерименти факторіальними, для оцінки залежності між початковою концентрацією та температурою використовували дисперсійний аналіз (ANOVA) для двох факторів. З іншого боку, вивчення впливу рН на адсорбційну здатність іонів Hg 2+ було однофакторним експериментом, в якому температура та концентрація були постійними протягом експерименту, в результаті було використано ANOVA для одного фактора.

Результати і обговорення

Механізм адсорбції

Кілька дослідників виявили взаємодію Hg 2+ на поверхнях адсорбенту за допомогою хімічної взаємодії 20,23,24,25,26. Це включає електростатичну, іонообмінну взаємодію та/або комплексоутворення або гідрофобний процес, особливо для HgO. Було показано, що адсорбенти з функціональними групами кисню та сірки були кращими при адсорбції Hg 2+ 20. З результатів FTIR можна зрозуміти, що функціональні групи кисню та сірки у фініках та його модифікованих формах доступні. Цей висновок узгоджується з попередніми дослідженнями, які вказували на наявність оксигенованих функціональних груп в адсорбенті, що сприяє кращій адсорбції Hg 2+ 20,27 .

Целюлоза - основний склад RDP з емпіричною формулою (C6H10O5) n. Крім того, лігнін є ще одним компонентом сирих фінікових кісточок, його приблизний відсоток становить 11,0% сухої маси, тоді як на RDP його можна знайти у відсотках від 16,9 до 26,2% 6,17,28. Для одержання модифікованої форми з дисульфідом вуглецю RDP обробляють водним NaOH з утворенням «лужної целюлози» [C6H9O4-ONa] n. Потім лужну целюлозу обробляють дисульфідом вуглецю з утворенням ксантату целюлози натрію (SMRDP), як показано на (3) та рис. 1.