Modellvizsgálatok a természetes vizek arzénmentesítésére Készítette: Kauker Zsófia Témavezető: Oltiné dr.Varga Margit
2012.
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
A téma fontossága A szolgáltatott ivóvíz vonatkozásában nyilvántartott minőségi kifogással érintett települések
As > 0,01 mg/l
Forrás: 201/2001. (X. 25.) Korm. Rend.
Arzénmentesítési módszerek • • • • • •
Koaguláció/szűrés Meszes lágyítás Ioncsere Fordított ozmózis Biológiai módszerek Adszorpció különböző felületeken
← Adszorpciós izotermák
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
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).
Mintaelőkészítés pH =4 oldat készítése NaOH /ml/ HCl /ml/
st. konc. /ppm/
szám
200
As-3-a
10
15
0,6
300
As-4-a
15
10
0,5
400
As-5-a
20
5
0,5
0,2
As-6-a
25
0
1,4
0,6
As-6-b
25
0
1,4
0,4
As-6-l
25
0
0,09
0,15
As-8-a
15
As-9-a
500
600
700 800 900 1000
0,01 N
össztérfogat /ml/
szén tömege /g/
kezdeti pH
rázás utáni pH
1,1
26,7
0,0499
3,95
3,53
25,5
0,0498
4,02
3,50
25,7
0,0502
3,96
3,40
27,3
0,0503
3,93
3,73
26,8
0,0500
3,95
3,58
0,1
25,34
0,0496
3,96
3,47
10
0,06
25,06
0,0503
4,01
3,60
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
3,73
As-10-a
20
5
0,05
25,05
0,0504
3,98
3,73
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
3,66
As-12-a
25
0
0,02
0,14
25,16
0,0500
4,01
3,60
As (III) DV /ml/ /ml/
0,1 N
0,01 N
0,1 N
0,3
Mérési eredmények pH =4 Kiindulási koncentráció (mg/l) 200 300 400 500 500 500 600 700 800 900 900 1000
Ce: oldatbeli Askoncentráció (mg/l) 17,95 22,29 32,55 37,68 38,57 42,84 59,55 56,60 70,02 79,48 85,51 75,48
qe: adszorbeált Askoncentráció (mg/g szén) 91,83 139,69 183,51 231,90 232,38 231,35 269,26 324,16 362,82 415,39 408,22 465,22 átlag szórás
Ce/qe (g/l)
Kezdeti pH
Végső pH
0,195 0,160 0,177 0,162 0,166 0,185 0,221 0,175 0,193 0,191 0,209 0,162 0,185 0,020
3,95 4,02 3,96 3,93 3,95 3,96 4,01 3,95 4,06 3,98 4,01 3,99 3,98 0,04
3,53 3,50 3,40 3,73 3,58 3,47 3,60 3,50 3,73 3,73 3,63 3,66 3,59 0,11
4-es pH-n kapott eredmények Ce/qe 0,2 0,15
0,185
0,1 0,05
Az adszorpciós függvény
0 0
20
40 60 Ce (mg/l)
80
A megoszlási hányados
100
Adszorpciós függvény 500,00 qe (mg/g szén)
Ce/qe (g/l)
0,25
400,00 300,00 200,00
y = 0,4587x R² = 0,9987
100,00 0,00 0
200 400 600 800 1000 1200 Kiindulási koncentráció (mg/l)
Különböző pH értékeken mért eredmények összehasonlítása
Az adszorpciós függvény
A szorpciós együttható
Adszorbeált mennyiség (mg/g szén)
Adszorpciós függvény különböző pH értékeken 600 500
pH1
400
pH2
300
pH3
200
pH4
100
pH5
0
pH7 0 500 1000 1500 Kiindulási koncentráció (mg/l)
pH9
Eredmények összevetése (As–Cr)
qe
As(III)
Cr(VI)
mg/g szén
474,137
217,061
mmol
6,32
4,17
FT-IR spektrumok
Cr-os aktív szén FT-IR spektruma
As-es aktív szén FT-IR spektruma
SEM vizsgálat eredményei
↓ Granulált aktív szén
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.
KÖSZÖNÖM A MEGTISZTELŐ FIGYELMET!
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.
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.
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.
pH-változás
Irodalmi adatok
A method for preparing ferric activated carbon composites adsorbents to remove arsenic from drinking water
Irodalmi adatok
The removal of As(III) and As(V) from aqueous solutions by waste materials M.S. Rahaman, A. Basu, M.R. Islam
Irodalmi adatok
Arsenic removal from water/wastewater using adsorbents—A critical review Dinesh Mohan, Charles U. Pittman Jr.
Irodalmi adatok
Sorption materials for arsenic removal from water:a comparative study Birgit Daus, Rainer Wennrich, Holger Weiss
Irodalmi adatok As(V)
Sorption of As(V) from aqueous solution using acid modified carbon black Dipu Borah, Shigeo Satokawa, Shigeru Kato, Toshinori Kojima
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
Irodalmi adatok As(V)
Importance of carbon surface chemistry in development of iron–carbon composite adsorbents for arsenate removal
