Дослідження використання природного сорбенту для відновлення катіонів заліза з водних розчинів

Івета Пандова

1 Факультет виробничих технологій Кошицького технічного університету, 080 01 Прешов, Словаччина; [email protected] (І.П.); [email protected] (М.Р.); [email protected] (AP)

Мирослав Рімар

Антон Панда

Ян Валічек

2 Інженерний факультет Словацького сільськогосподарського університету, 949 76 Нітра, Словаччина; [email protected] або

3 Технологічний факультет Коледжу технологій та бізнесу в Чеських Будейовицях, 370 01 Чеські Будейовиці, Чеська Республіка; [email protected]

Мілена Кушнерова

Марта Гарнічарова

Анотація

1. Вступ

Забруднення ґрунтів, підземних вод, поверхневих вод та повітря небезпечними токсичними хімічними речовинами представляє значні проблеми для здоров'я людини та навколишнього середовища. Зокрема, важкі метали вважаються небезпечними забруднювачами [1].

Їх присутність у стічних водах відбувається внаслідок різних промислових процесів завдяки розвитку промислових технологій. Різні адсорбенти, такі як активоване вугілля [2], астрагал [3], вуглецеві нанотрубки [4,5] та велика кількість біосорбентів [6], використовувались у різних дослідженнях для видалення забруднюючих речовин, особливо важких металів, зі стічних вод.

2. Тенденції використання сорбентів для виведення іонів заліза з водних розчинів

Принцип методів, що застосовуються для видалення заліза з води, полягає в окисленні спочатку розчиненого заліза до нерозчинених сполук, які можна видалити за допомогою одного або двоступеневого поділу. Окислення та гідроліз цих сполук відбувається в суворо визначених умовах. Процеси випадання опадів можуть забезпечити видалення іонів Fe 3+, але їх залишкові концентрації все ще можна виявити в рідкій фазі. Отже, існує потреба в очищенні, наприклад, шляхом іонного обміну або сорбції. Методи, які зазвичай використовуються для зниження рівня заліза, також пов'язані з іншими проблемами, такими як утворення токсичних проміжних речовин хімічних речовин, що виникають в результаті хімічних реакцій, високі експлуатаційні витрати, необхідні для підтримання фізичних та хімічних умов, та відносно тривалий час біологічної обробки техніка. Розробка сорбційних матеріалів та технологій для ефективного видалення солей та небажаних забруднень із води є перспективним способом вирішення глобальної водної кризи [7].

Цеоліти з чудовою адсорбційною та іонообмінною здатністю знайшли широке застосування в цих областях. Найчастіше застосовуваний сорбент - це активоване вугілля та синтетичні цеоліти. Ці сорбенти відносно дорогі. У цьому відношенні природні цеоліти, чиї багаті ресурси знаходяться в різних регіонах Землі, можуть бути більш перспективними. В усьому світі цеоліти вважаються широко застосовуваними в різних галузях науки і техніки, а також екологічних наук. Згідно з літературою, цеоліт Y-типу придатний для видалення катіонів важких металів з промислової води [8,9]. До вивчення видалення іонів заліза шляхом сорбції звертаються кілька авторів, які аналізують дані рівноважної адсорбції у своїх роботах, використовуючи модель ізотерми Ленгмюра та Фрейндліха [10,11,12,13].

Для поліпшення здатності цеолітів поглинати важкі метали використовують оксиди заліза. Вони або додаються до реакційної суміші під час самого синтезу цеоліту, або осідають на поверхні цеоліту. На основі різних досліджень було показано, що цеоліт з оксидом заліза на поверхні має вищу сорбційну здатність для Cu, Pb, Zn, Mn і Cd. Причиною цього явища є збільшення місць зв'язування Fe-OH, що містяться в оксидах заліза. Деякі важкі метали можуть адсорбуватися до цеоліту не тільки шляхом іонного обміну, але і шляхом зв'язування з певними ділянками, що містять AlOH, SiOH або FeOH [14].

Для опису адсорбції забруднюючих речовин з водних розчинів можна використовувати кілька моделей. Одним із них є модель псевдо-другого порядку. Перевага використання цієї моделі полягає в тому, що не потрібно знати рівноважну ємність з експериментів, оскільки це можна розрахувати за моделлю [15]. Дуже часто застосовуваним способом видалення заліза з води є контактна фільтрація, а саме фільтрація на марганцевих фільтрах. Додавання перманганату калію утворює покриття на поверхні картриджа фільтра, яке служить каталізатором окислення. Ступінь окиснення покриття наповнювача MnOx відіграє важливу роль у видаленні розчиненого заліза [16].

Сорбція - один із новітніх методів технології очищення води. Це реалізується за допомогою фізико-хімічних механізмів, таких як хемосорбція, іонообмін, осадження та фізична адсорбція. Фізична адсорбція базується виключно на поверхневих фізичних (електростатичних) силах (наприклад, силах Ван дер Ваальса). Молекули адсорбату (пов'язаної речовини) не пов'язані з певними ділянками на поверхні адсорбенту. Може утворюватися кілька шарів адсорбату (багатошарова або багатомолекулярна адсорбція). Під час фізичної адсорбції молекули адсорбованої речовини не руйнуються; зокрема, характерним є багатошаровий характер адсорбованої речовини. На цеолітах катіони металів іммобілізуються двома механізмами - іонообміном та хемосорбцією [18]. Таким чином, як і в інших мікропористих матеріалах, також у цеолітах, відбувається іонообмінна сорбція між компонентами рідкої та твердої фаз відповідно до поверхневої дифузії та механізму внутрішньої дифузії. Механізм сорбції катіонів заліза на сорбенті діоксиду кремнію описаний у публікації [25].

Для переривчастого влаштування процесу необхідно знати кінетичний хід адсорбції та ізотерми адсорбції. Тому основною метою представлених експериментів є отримання цих важливих характеристик механізмів адсорбції та дослідження можливості технологічного використання природного цеоліту-кліноптилоліту в процесі очищення води.

Відома сорбція на синтетичних цеолітах, але досліджується можливість їх заміни на природні при очищенні води. У статті досліджено сорбцію катіонів заліза в конкретному типі природного цеоліту, а саме кліноптилоліті з Ніжного Грабовця, який має кристалічну структуру, ідентичну кліноптилоліту, тобто гевландиту, багатому на Si (за Чернічем).

На підставі проведених досліджень ми визначили мету отримати нову модель прогнозування залежності досягнутої рівноважної концентрації від початкової концентрації розчину. На основі досягнення цієї мети можна передбачити параметри для предметної групи матеріалу, який може бути використаний у сфері застосування (наприклад, для очищувачів води).

3. Матеріали та методи

3.1. Природний цеоліт-кліноптилоліт

Для того, щоб дослідити сорбцію катіонів заліза на природному цеоліті, проводили лабораторні експерименти з використанням природного цеоліту-кліноптилоліту в зернистій формі з розміром зерен від 2,5 до 5 мм (рис. 1). Цеоліт із цієї місцевості містить 84% кліноптилоліту, 3% –4% польових шпатів, 8% кристобаліту, 2% –5% кварцу та 13% –30% вулканічного скла. Основним катіоном природного кліноптилоліту з цього родовища є калій. Співвідношення Si/Al кліноптилоліту з цього родовища коливається від 4,0 до 5,2 [26].