A Miskolci Egyetem Közleménye, A sorozat, Bányászat, 81. kötet (2011) TŐZEGEN VÉGBEMENŐ NEHÉZFÉM ADSZORPCIÓ JELLEMZŐI Mikita Viktória doktorandusz, GOP junior kutató Miskolci Egyetem, Műszaki Földtudományi Kar, Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék, Uni-Flexys Kft., 3515 Miskolc, Miskolc-Egyetemváros, hgmv@uni-miskolc.hu Abstract This paper summarizes the results of measurements which are investigates the adsorption of metal ions on Swedish peat from solution with low concentration of heavy metal. The adsorption of Zn (II) was measured in column tests at constant ph~5 value and the adsorption isotherms were determined. In these mono- component experiments the shape of adsorption isotherms of the Zn (II) correlated strongly with the Langmuir- expression. From the test results it can be stated that the peat is an effective natural material as a reactive barrier filling material for the heavy metal adsorption treatments. 1. Bevezetés A talaj nehézfémekkel való szennyezése a kémiai környezetterhelés jelentős egészségügyi, ökológia kockázatokat magában rejtő formája (Filep, 2002). A toxikus fémek feldúsulása a talajban természetes (geológiai) és antropogén hatásra következhet be, pontszerűen, illetve diffúz módon. A természetes eredetű szennyezések lassú hatásával szemben az antropogén hatások gyorsan és drasztikusan változtatják meg a talaj funkcióit, összetételét (Simon, 1999). A talajremediációs technológiák célja a talaj multifunkcionalitásának megőrzése, helyreállítása, olyan módon, hogy a beavatkozással ne történjen újabb környezetterhelés (Várallyay, 2006). A technológia területspecifikus adaptációjának elengedhetetlen része a többlépcsős kísérletsorozatok (laboratóriumi, on-site) elvégzése. Jelen tanulmány célja a nehézfémek tőzegen való adszorpciójának vizsgálata laboratóriumi keretek között, melyek során az adszorbens alkalmassága kémiai vizsgálatokkal ellenőrizhető. 357
Mikita Viktória 2. Módszerek és a mérés kivitelezése A mérések kivitelezésére a svédországi Umea-i Egyetem Kémia tanszékén került sor, a vizsgálatokat Zn (II) ionokat tartalmazó folyadék-eleggyel végeztük el. Három rétegből (két homok réteg közöttük tőzeg és homok keveréke) álló abszorpciós oszlopot készítettünk, mely segítségével szimuláltuk a reaktív gát töltőanyagának megkötő képességét a rajta átvezetett nehézfémes oldattal szemben (Lakatos, 2004). Homok hozzáadásával a célunk elsősorban a tőzeg porozitásának állandó szinten tartása volt, valamint másodlagos szűrő funkciókat is betöltött a tőzeg réteg végein. A tőzeg-homok keveréket víz hozzáadásával homogenizáltuk. A mérések során konstans sebességgel (0.096 cm 3 /min) működtetett perisztaltikus pumpa segítségével vezettük át a pufferált oldatban lévő Zn (II) ionokat a rendszeren, s az oszlopon átfolyt oldatot egy mintavevő segítségével folyamatosan gyűjtöttük (1. ábra). 1.ábra. A reaktív gátas oszlop mérések során használt mérőrendszer. A felhasznált teszt-oldatok összetételét az 1. táblázat foglalja össze. Enyhén savas közeg modellezése céljából acetát pufferrel biztosítottuk az oldat megfelelő ph-ját, túl alacsony ph mellett ugyanis a tőzeg képtelen fém-ionokat megkötni a huminsav erős H + ion adszorbeáló képessége miatt. Az adszorpciós mérést követően az adszorpciós - oszlop regenerálása 10 mmol-os HCl oldattal történt. 358
Tőzegen végbemenő nehézfém adszorpció jellemzői 1. táblázat. A adszorpciós kísérletek során használt oldat összetétele. A teszt-oldatok összetétele Vegyület 1 mmol Zn(N0 3 ) 2 *6 H 2 O Puffer 20 mmol CH 3 COONa rendszer 10 mmol HCl Desztillált víz A adszorpciós oszlopon átfolyt oldat minták nehézfém tartalmát ICP-OES OPTIMA 2000 DV készülékkel határoztuk meg. A tőzegen adszorbeálódott Zn (II) - ion mennyiséget a következő összefüggések alapján számítottuk (Carl, 1990). ahol, Befolyt koncentráció Kifolyó koncentráció = Adszorbeált koncentráció M V M = ( C0 C) V ; q = = ( C 0 C) m m q: megkötődött adszorbátum mennyisége az adszorbeáns tömegére vonatkoztatva [mmol/g] M: megkötődött adszorbátum tömege [mmol]; C 0 : az adszorbátum kezdeti koncentrációja [mmol/dm 3 ]; C: az adszorbátum egyensúlyi koncentrációja [mmol/dm 3 ]; V: oldat térfogata [dm 3 ]; m: száraz adszorbens tömege [g]. 3. Mérési eredmények A Zn (II) - ionos oldattal történt telítést követően az adszorpciós oszlop regenerálása megtörtént HCl oldattal, majd megismételtük a regenerált oszlopon az adszorpciós mérést. Az első kísérlet során 66 mintát vizsgáltunk, a második mérésnél 71 minta fémtartalmát határoztuk meg. A két teszt eredményei a 2. ábrán láthatóak, ahol az adszorpciós oszlopon összesen átfolyt oldat térfogatát ábrázoltuk az átfolyt Zn (II) koncentráció és a ph függvényében. A mérések kezdetén a tőzeg a rajta átvezetett összes Zn (II) iont adszorbeálta az oldatból, majd 15 cm 3 átfolyt oldat térfogatnál látható az adszorpciós képesség meredek csökkenése. Mindkét kísérlet esetében az adszorpciós görbe meredeksége 60 cm 3 átfolyt oldat térfogatnál csökkenni kezd, majd egyenessé válik elérve a maximumát, mely a tőzeg telítettségét jelzi. Az ábrán látható, hogy a regenerációt követően a második adszorpciós mérés során a tőzeg több fém-iont tudott megkötni, mint az első teszt alatt. 359
Mikita Viktória Az adszorpciós izotermák alakja hasonló, a Langmuir kifejezéssel közelíthetőek (Füleky, 1996): x Q b C q = = m 1+ b C ahol: q: a megkötött adszorbát mennyisége egységnyi tömegű adszorbensen, adszorbát tömege/ adszorbens tömege; C: az adszorbát egyensúlyi koncentrációja az oldatban az adszorpciót követően, adszorbát tömege [mg / L]; Q: maximális adszorpciós kapacitása az adszorbensnek, adszorbát tömege/ adszorbens tömege; b: tapasztalati konstans érték, 1 / koncentráció [L/mg]. 1200 4.8 The effluent Zn (II) concentration [µmol/dm 3 ] 800 400 Zn (II) concentration 1. test Zn (II) concentration 2. test ph 1.test ph 2.test 4.4 4 3.6 3.2 ph 0 2.8 0 40 80 120 160 Total volume flow through the column [cm 3 ] 2.ábra. Az ismétléses Zn (II) adszorpciós tesztek eredményeinek összehasonlítása. (Adszorbens tömege: 0.2 g tőzeg és 2 g homok; kezdeti oldat koncentráció: 1 mmol; a reaktív töltőanyag teljes térfogata az adszorpciós oszlopban: 3.063 cm 3 ). A 3. ábrán a tőzegen megkötött Zn (II) koncentráció látható az adszorpciós oszlopon összesen átfolyt oldat térfogata és a ph függvényében. A kummulatív 360
Tőzegen végbemenő nehézfém adszorpció jellemzői görbe maximuma 80 cm 3 térfogat értéknél látható, mely a tőzeg telített állapotát jelzi majd egy lefelé ívelő szakasz következik, ami a tőzeg instabilitására utal. A ph alakulása az első teszt alatt nem mutat jelentős változásokat, ph~4.6 körüli értéken marad végig a mérés során, viszont a második esetben 20 cm 3 körüli átfolyt oldatmennyiségnél látható egy jelentős ph csökkenés (ph~3), amely jelenség c. 2.5 4.8 The adsorbed Zn(II) concentration in peat [mmol/g] 2 1.5 1 0.5 0 Zn(II) concentration 1. test Zn(II) concentration 2. test ph 1. test ph 2. test 4.4 4 3.6 3.2 2.8 0 40 80 120 160 Total volume flow through the column [cm 3 ] 3. ábra. Az ismétléses Zn (II) adszorpciós tesztek eredményeinek összehasonlítása. (Adszorbens tömege: 0.2 g tőzeg és 2 g homok; kezdeti oldat koncentráció: 1 mmol; a reaktív töltőanyag teljes térfogata az adszorpciós oszlopban: 3.063 cm 3 ). 4. Összefoglalás Összefoglalásként megállapítható, hogy mindkét mérés során az adszorpciós görbe hasonló jelleget mutatott, a maximuma 80 cm 3 átfolyt oldat térfogatnál adódott, mely a tőzeg telítettségét jelzi. Az adszorpciós izotermák alakja a Langmuir kifejezéssel közelíthető (Lehocine, 1989). A regenerációt követően a második adszorpciós mérés során a tőzeg több fém-iont tudott megkötni, mint az első teszt alatt, viszont egy kezdeti ph csökkenés jelentkezett, mely Zn (II) komplex képződésre utal. 361
Mikita Viktória A kummulatív görbe - a tőzeg telítettségét jelző - maximum pontja után következő lefelé ívelő szakasz pontos magyarázata további vizsgálatokat igényel, de valószínűsíthető a tőzeg instabilitása. 5. Köszönetnyilvánítás A kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. Irodalomjegyzék Carl E. Hensman, Jason F. Mihalic and Gary D. Rayson:Atomic Absorption Measurements in an Inductively Coupled Plasma Using Spatial Dispersion of the Plasma Image Filep Gy., Kovács B., Lakatos J., Madarász T., Szabó I.[szerk.] (2002): Szennyezett területek kármentesítése, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc Füleky Gy. Stefanovits P. Micheli E. Czinkota I. Tolner L. (1996): Ásványi és szerves talajalkotórészek nehézfém adszorpciója. Agyagásvány Workshop, Budapest. Lakatos J. (2004): Ásványi szenek és széntartalmú hulladékok környezetvédelmi hasznosítása reaktív gátakban, Otka zárójelentés, Miskolc Lehocine M.B. (1989): Zinc Removal Using Peat Adsorption", Environmental Technology Letters, Vol. 10, pp. 101-108, Sepler Ltd. Simon L. (1999): Talajszennyeződés, talajtisztítás. Környezetügyi Műszaki Gazdasági Tájékoztató, Környezetgazdálkodási Intézet, Budapest. Várallyay Gy. (2006): Life quality soil - food chain. Cereal Research Communications. 34-1. 334-339. 362