Modellvizsgálatok a természetes vizek arzénmentesítésére

Átírás

1 Modellvizsgálatok a természetes vizek arzénmentesítésére Készítette: Kauker Zsófia Témavezető: Oltiné dr. Varga Margit 2012.

2 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés 2. Irodalmi áttekintés 2.1 Az arzén 2.2 Az arzénmentesítés módszerei 2.3 Adszorpció 2.4 Az aktív szén 3. Gyakorlati munka bemutatása 3.1 Minták előkészítése 3.2 A minták mérése 3.3 Mérési eredmények 3.4 Az arzénnal telített aktív szén vizsgálata 3.5 A kapott eredmények krómmal való összevetése 4. Összegzés

3 A téma fontossága A szolgáltatott ivóvíz vonatkozásában nyilvántartott minőségi kifogással érintett települések As > 0,01 mg/l Forrás: 201/2001. (X. 25.) Korm. Rend.

4 Arzénmentesítési módszerek Koaguláció/szűrés Meszes lágyítás Ioncsere Fordított ozmózis Biológiai módszerek Adszorpció különböző felületeken Adszorpciós izotermák

5 Mérés célja Az aktív szénen való megkötődés kiindulási arzénkoncentrációtól való függése; az adszorpció változása a ph változtatásával; az arzén kötődésének vizsgálata; az aktív szén szerkezetének vizsgálata; eredmények összevetése hasonló körülmények között, krómmal korábban végzett vizsgálatok eredményeivel. Alkalmazott módszerek: AFS FTIR SEM

6 Mintaelőkészítés Lépései: törzsoldatok készítése (500 és 1000 ppm); aktív szén bemérése; megfelelő koncentrációjú mintaoldatok készítése; ph beállítása (1; 2; 3; 4; 5; 7; 9); rázatás; szűrés; hígítás (5000x).

7 Mintaelőkészítés st. konc. /ppm/ ph =4 szám As (III) /ml/ DV /ml/ oldat készítése NaOH /ml/ HCl /ml/ össztérfogat 0,1 N 0,01 N 0,1 N 0,01 N /ml/ szén tömege /g/ kezdeti ph 200 As-3-a ,6 1,1 26,7 0,0499 3,95 3, As-4-a ,5 25,5 0,0498 4,02 3, As-5-a ,5 0,2 25,7 0,0502 3,96 3, As-6-a ,4 0,6 0,3 27,3 0,0503 3,93 3,73 As-6-b ,4 0,4 26,8 0,0500 3,95 3,58 As-6-l ,09 0,15 0,1 25,34 0,0496 3,96 3, As-8-a ,06 25,06 0,0503 4,01 3, As-9-a 17,5 7,5 0,08 25,08 0,0505 3,95 3,50 As-9-b 17,5 7,5 0,04 25,04 0,0497 4,06 3, As-10-a ,05 25,05 0,0504 3,98 3, As-11-a 22,5 2,5 0,01 0,1 25,11 0,0496 4,01 3,63 As-11-b 22,5 2,5 0,01 0,1 25,11 0,0501 3,99 3, As-12-a ,02 0,14 25,16 0,0500 4,01 3,60 rázás utáni ph

8 Mérési eredmények ph =4 Kiindulási koncentráció (mg/l) C e : oldatbeli Askoncentráció (mg/l) q e : adszorbeált Askoncentráció (mg/g szén) C e /q e (g/l) Kezdeti ph Végső ph ,95 91,83 0,195 3,95 3, ,29 139,69 0,160 4,02 3, ,55 183,51 0,177 3,96 3, ,68 231,90 0,162 3,93 3, ,57 232,38 0,166 3,95 3, ,84 231,35 0,185 3,96 3, ,55 269,26 0,221 4,01 3, ,60 324,16 0,175 3,95 3, ,02 362,82 0,193 4,06 3, ,48 415,39 0,191 3,98 3, ,51 408,22 0,209 4,01 3, ,48 465,22 0,162 3,99 3,66 átlag 0,185 3,98 3,59 szórás 0,020 0,04 0,11

9 q e (mg/g szén) C e /q e (g/l) 4-es ph-n kapott eredmények 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 C e /q e 0, C e (mg/l) A megoszlási hányados 500,00 400,00 300,00 Az adszorpciós függvény Adszorpciós függvény 200,00 100,00 0,00 y = 0,4587x R² = 0, Kiindulási koncentráció (mg/l)

10 Adszorbeált mennyiség (mg/g szén) Különböző ph értékeken mért eredmények összehasonlítása Az adszorpciós függvény A szorpciós együttható Adszorpciós függvény különböző ph értékeken Kiindulási koncentráció (mg/l) ph1 ph2 ph3 ph4 ph5 ph7 ph9

11 Eredmények összevetése (As Cr) q e As(III) Cr(VI) mg/g szén 474, ,061 mmol 6,32 4,17

12 FT-IR spektrumok Cr-os aktív szén FT-IR spektruma As-es aktív szén FT-IR spektruma

13 SEM vizsgálat eredményei Granulált aktív szén

14 Összegzés Az aktív szénen való megkötődés kiindulási arzénkoncentrációtól nem függ lineáris adszorpciós izoterma; az adszorpció ph-függő: szorpciós együttható, adszorpciós egyenesek meredeksége; As az aktív szén karboxil-csoportjához kapcsolódik; az aktív szén granulált típusú, nagy felületű; krómmal összevetve hasonlóságok és eltérések.

15 KÖSZÖNÖM A MEGTISZTELŐ FIGYELMET!

16 Válasz a bíráló kérdéseire 1. Mi a maximális hatásfoka a modellkísérletben bemutatott arzénmentesítési eljárásnak? Reális vízmintán (200 ppb) Veress Alíz környezettudomány szakos hallgató (Dr. Varga Imre témavezetésével) végzett erre vonatkozó vizsgálatokat. 100%-os hatásfokot lehetett elérni. Kísérleteimben az As koncentráció három nagyságrenddel nagyobb volt, mint a reális érték, én ezért nem értem el 100%-os hatásfokot. A szén/as tömegarány növelésével azonban meg lehetne valósítani.

17 Válasz a bíráló kérdéseire 2. Mi az oka annak, hogy az As(III) kizárólag a karboxil csoportokhoz kötődik? Kísérleteimben arzenit oldatot használtam. A vizsgált feltételek között az As 100%-ban arzénessav formájában volt jelen a modell oldatokban (hasonlóan, mint a reális mintákban). Valószínű, hogy az arzénessav a karboxil-csoport hidroxilcsoportjával víz kilépéssel reakcióba lép savanhidrid keletkezése közben. Az eredmények alapján ez tűnik a legvalószínűbb kötődési mechanizmusnak. Ennek tisztázásához azonban további vizsgálatok szükségesek.

18 Válasz a bíráló kérdéseire 3. Minek köszönhetően képes az As(III)-nál kevesebb Cr(VI) megkötődni az aktív szén ugyanazon helyein? Az As arzénessavként a Cr pedig főleg dikrómsavként volt jelen a modell oldatokban a vizsgált feltételek között. Ha feltételezzük, hogy a kötődési mechanizmus azonos a két anionnál, akkor a dikrómsavnak először disszociálnia kell krómsavvá, majd vízkilépéssel reagálni a karboxil-csoporttal. Miután a dikrómsav elég stabil, ezért valószínűleg kevésbé reagál, mint az arzénessav. Ennek eldöntéséhez az As és a Cr szorpciójának további összehasonlító vizsgálata szükséges.

19 ph-változás

20 Irodalmi adatok A method for preparing ferric activated carbon composites adsorbents to remove arsenic from drinking water

21 Irodalmi adatok The removal of As(III) and As(V) from aqueous solutions by waste materials M.S. Rahaman, A. Basu, M.R. Islam

22 Irodalmi adatok Arsenic removal from water/wastewater using adsorbents A critical review Dinesh Mohan, Charles U. Pittman Jr.

23 Irodalmi adatok Sorption materials for arsenic removal from water:a comparative study Birgit Daus, Rainer Wennrich, Holger Weiss

24 Irodalmi adatok As(V) Sorption of As(V) from aqueous solution using acid modified carbon black Dipu Borah, Shigeo Satokawa, Shigeru Kato, Toshinori Kojima

25 Irodalmi adatok As(V) Experimental and modelling analysis of As(V) ions adsorption on granular activated carbon F. Di Natale, A. Erto, A. Lancia, D. Musmarra

26 Irodalmi adatok As(V) Importance of carbon surface chemistry in development of iron carbon composite adsorbents for arsenate removal