Παρασκευή, χαρακτηρισμός και εφαρμογές μικτών υδροξυ-οξειδίων Fe-Mn στην απομάκρυνση αρσενικού από το νερό
Authors: Τρεσίντση Σοφία 
Published: September 2021

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρασκευάζονται νανοκρυσταλλικά μικτά υδροξυ-οξείδια Fe-Mn (Fe-MnOOH) μίας φάσης, ικανά να απομακρύνουν εξίσου αποτελεσματικά τόσο το As(V) όσο και το As(ΙΙΙ) από το νερό. Οι περισσότερες μέθοδοι απομάκρυνσης του αρσενικού παρουσιάζουν σημαντικά μειωμένη απόδοση στην απομάκρυνση του τοξικότερου As(III), λόγο της αδιάστατης μορφής του στις συνήθεις τιμές pH των φυσικών νερών. Η σύνθεση των προσροφητικών πραγματοποιήθηκε σε συνθήκες συνεχούς λειτουργίας και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, παρέχοντας υψηλή παραγωγικότητα και χαμηλό κόστος παραγωγής. Η αντίδραση που λαμβάνει χώρα είναι η οξείδωση διαλύματος ένυδρου δισθενούς θειικού σιδήρου (FeSO4∙H2O) με υπερμαγγανικό κάλιο (KMnO4). Η δομή που επικρατεί στα Fe-MnOOH είναι αυτή του φεροξύτη Mn4+, στον οποίο άτομα σιδήρου έχουν ισόμορφα υποκατασταθεί από άτομα μαγγανίου. Τα Fe-MnOOH είναι σε θέση να οξειδώσουν αποτελεσματικά και ταχύτατα το As(III) και να το προσροφήσουν στη συνέχεια ως As(V) μέσω χημειορόφησης. Για τη σύνθεση προσροφητικών με τις βέλτιστες ιδιότητες στην απομάκρυνση και των δυο μορφών του αρσενικού, μελετήθηκε η επίδραση διαφόρων παραγόντων όπως το pH σύνθεσης, το δυναμικό οξειδοαναγωγής καθώς και η περιεκτικότητα του μαγγανίου. Η σύνθεση σε χαμηλές τιμές pH (4 με 5) οδηγεί στη δημιουργία ισχυρά θετικά φορτισμένης επιφάνειας με συνέπεια την υψηλή απόδοση στην απομάκρυνση των οξυ-ανιόντων του As(V). Επίσης, η σύνθεσής τους σε υψηλές τιμές δυναμικού οξειδοαναγωγής ανάλογα με την τιμή του pH σύνθεσης, βάση του διαγράμματος φάσεων του μαγγανίου, οδηγεί σε τιμή σθένους μαγγανίου στην επιθυμητή τιμή 4. Το τετρασθενές μαγγάνιο μετά την οξείδωση του As(III) ανάγεται σε τρισθένες με συνέπεια να παραμένει στη δομή, χωρίς να εκπλένεται στο επεξεργασμένο νερό υποβαθμίζοντας την ποιότητά του. Καθώς το μαγγάνιο είναι αυτό που οδηγεί στην οξείδωση του As(III) αύξηση του ποσοστού του στα προσροφητικά από 0 σε 11,7 % wt οδηγεί και σε σημαντική αύξηση της απόδοσης απομάκρυνσης του As(III). Από την αξιολόγηση των βέλτιστων προσροφητικών σε συνθήκες που προσομοιάζουν τη λειτουργία των εγκαταστάσεων πλήρους κλίμακας, μέσω χρήσης στηλών προσρόφησης, διαπιστώθηκε η σημαντικά βελτιωμένη απόδοσή τους και στις δυο μορφές του αρσενικού συγκριτικά με δυο εμπορικά διαθέσιμα υδροξυ-οξείδια τα οποία καλύπτουν το μεγαλύτερο μέρος της παγκόσμιας αγοράς. Τέλος μελετήθηκε η δυνατότητα αναγέννησης κορεσμένων υδροξυ-οξειδίων μέσω μιας καινοτόμου διεργασίας. Η διεργασία στηρίζεται στην αξιοποίηση της υψηλής απόδοσης του οξειδίου του μαγνησίου (MgO) στο As(V) σε περιοχή pH 10 με 12, η οποία συνδυάσθηκε με τη δυνατότητα αλκαλικής έκπλυσης αρσενικού από την κορεσμένη στήλη προσρόφησης. Η τελική προτεινόμενη διαδικασία περιλαμβάνει την επιτόπια αναγέννηση κορεσμένης στήλης με διάλυμα NaOH, το οποίο με συνεχή ροή προς τα πάνω σε κλειστό κύκλωμα ξεπλένει το δεσμευμένο αρσενικό της στήλης, το οποίο στη συνέχεια συγκρατείται με ροή down-flow από μια στήλη που περιέχει MgO, καθιστώντας το διάλυμα NaOH έτοιμο για χρήση στον επόμενο κύκλο αναγέννησης. Τα πειραματικά αποτελέσματα της διαδικασίας αναγέννησης οδήγησαν σε ανάκτηση κατά 80 % της χωρητικότητας του αναγεννημένου υδροξυ-οξειδίου, η οποία συνεπάγεται αντίστοιχη μείωση του λειτουργικού κόστους. Επίσης διαπιστώθηκε ότι το απόβλητο MgO μπορεί να αδρανοποιηθεί με επιτυχία μέσω ενσωμάτωσης του σε εμπορικά αξιοποιήσιμα προϊόντα τσιμέντου.