Απομάκρυνση υδραργύρου από το πόσιμο νερό με προσρόφηση σε υδροξυ-οξείδια σιδήρου και σιδήρου μαγγανίου
Creators: name: Κόκκινος, Ευγένιος Γαβριήλ
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: Προσρόφηση υδραργύρου
Υδροξυ-οξείδια σιδήρου
Υδροξυ-οξείδια σιδήρου-μαγγανίου
Mercury removal
Ferric oxy-hydroxides
Ferric –manganese oxy-hydroxides

description: Η γνώση της επιστημονικής κοινότητας για την βιογεωχημικό κύκλο του υδραργύρου έχει αυξηθεί σημαντικά κατά την τελευταία δεκαετία. Αυτός ο κύκλος έχει τέσσερα αλληλένδετα μέρη: τον αέρα, τη γη, το νερό και την διαβίωση, ενώ στο νερό, στα οποία επικεντρώνεται η μελέτη, κυριαρχούν ιόντα Hg(II). Οι γνωστές μέθοδοι για την απομάκρυνση του Hg(II) συνοψίζονται στη φυτο-αποκατάσταση, της ρητίνες ανταλλαγής ιόντων, την απογύμνωση με αέρα, την καθίζηση και την προσρόφηση επί ενεργού άνθρακα, οξείδια του μαγγανίου, οξυ-υδροξείδια σιδήρου, νανοπορώδη υλικά πυριτίου, γεωργικά και δασικά απόβλητα. Από τις παραπάνω αναφερθείσες διεργασίες, η περισσότερο δοκιμασμένη μέθοδος φαίνεται να είναι η προσρόφηση. Εντούτοις, στη βιβλιογραφία, τα περισσότερα από τα προσροφητικά υλικά δοκιμάζονται σε υψηλές αρχικές συγκεντρώσεις Hg, καταλήγοντας σε πολύ υψηλότερες υπολειμματικές σε σχέση με τη Μέγιστη Επιτρεπτή Συγκέντρωση (MCL), που είναι νομοθετικά καθορισμένη (1 μg/L για το πόσιμο νερό). Επιπλέον, ένα σημαντικό μέρος των προσροφητικών δεν έχει την ικανότητα για την επεξεργασία του πόσιμου νερού. Μεταξύ των συμβατών προσροφητικών, τα υδροξυ-οξείδια και οξείδια σιδήρου είναι τα πλέον ελπιδοφόρα υλικά για την απομάκρυνση του υδραργύρου. Ο σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων σύνθεσης των υδροξυ-οξειδίων σιδήρου (FeOOH) και σιδήρου τετρασθενούς μαγγανίου [FeMn(IV)OOH] για την απομάκρυνση του υδραργύρου από το νερό. Τα πειραματικά αποτελέσματα αποκάλυψαν την βελτιωμένη ικανότητα προσρόφησης του Hg από το FeMnΟΟΗ, σε σύγκριση με το FeOOH, καθώς διαθέτουν υψηλότερη συγκέντρωση επιφανειακού φορτίου. Επιπλέον, οι παράμετροι της σύνθεσης των FeOOH έδειξαν μία μικρή επίδραση στην αποδοτικότητα της απομάκρυνσης του Hg, ενώ το pΗ και το δυναμικό οξειδοαναγωγής κατά την σύνθεση των FeMnOOH επηρεάζουν σημαντικά την προσροφητική τους ικανότητα. Συγκεκριμένα, η απόδοση της απομάκρυνσης του Hg αυξήθηκε βαθμιαία σε pΗ σύνθεσης των προσροφητικών υλικών που βρίσκονται στην αλκαλική περιοχή και σε υψηλό δυναμικό οξειδοαναγωγής (600-800 mV). Αυτό αποδόθηκε στην αντίστοιχη αύξηση του συνολικού φορτίου επιφάνειας και κυρίως της συγκέντρωσης των αρνητικών ενεργών κέντρων. Το pH ισορροπίας του διαλύματος βρέθηκε να επηρεάζει επίσης την προσρόφηση των δύο υλικών. Η ικανότητα προσρόφησης μειώνεται απότομα σε τιμές pΗ κάτω του 6, παραμένει σχεδόν σταθερή στην περιοχή pΗ 6-9, που απαντώνται συνήθως σε πόσιμο νερό και ομαλά μειώνεται σε υψηλότερες τιμές pH. Τα κινητικά δεδομένα έδειξαν ότι η προσρόφηση προχώρησε με ταχύ ρυθμό κατά την διάρκεια της πρώτης ώρας, με περίπου το 60% να προσροφώνται εντός 5 λεπτών και 86% μέσα σε 1 ώρα, φθάνοντας σε ισορροπία σε περίπου 6 ώρες και ακολουθώντας αντίδραση ψευδο-δεύτερης τάξης. Το μοντέλο υποθέτει την ύπαρξη χημικής προσρόφησης, με την δημιουργία ομοιοπολικών δεσμών και την ανταλλαγή ιόντων.
description: The knowledge of the scientific community for the biogeochemical cycle of mercury has increased significantly over the last decade. This cycle has four interrelated parts: air, land, water and living, while in the water, on which this study focuses, the Hg(II) ion dominates. The known methods for Hg(II) removal are summarized in phyto-remediation, ion exchange resins, air stripping, precipitation and adsorption onto activated carbon, manganese oxides, iron oxy-hydroxides, silicon nanoporous materials, agricultural and forest wastes. By the above mentioned processes, the most frequently tested method appears to be the adsorption. However, in literature, most of the adsorbents were practiced in high initial concentrations, resulting in residual concentrations much higher than the Maximum Contaminant Limit (MCL) for Hg of 1 μg/l in drinking water. In addition, a significant part of the adsorbents are not qualified for potable water treatment. Among the compatible adsorbents, iron oxy-hydroxides and oxides are the most promising materials for mercury removal. The aim of this study was the investigation of the influence of single iron oxy-hydroxides (FeOOH) and tetravalent manganese feroxyhyte [FeMn(IV)OOH] synthesis parameters on mercury removal meeting the MCL for drinking water. The experimental results revealed improved adsorption capacity for Hg by the FeMnOOH compared to FeOOH, as they have a higher concentration of surface charge. In addition, the synthesis parameters of FeOOH showed a little effect on Hg removal efficiency, whereas both pH and redox synthesis of FeMnOOH significantly influence their adsorption capacity. More specifically, the removal capacity for Hg was gradually increased by setting synthesis pH in the alkaline region and the redox at the point that results in some excess of KMnO4 (600-800 mV). This was attributed to the respective increase of the total surface charge and mainly the concentration of negative active centers. Solution’s equilibrium pH was found to similarly influence the adsorption capacity of both single Fe and binary Fe/Mn oxy-hydroxides. The adsorption capacity sharply diminishes at equilibrium pH values below 6, remains almost constant in the pH range 6-9, commonly encountered in drinking water, and smoothly decreases at higher pH values. Kinetic data showed that the adsorption proceeded at a rapid rate during the first 1 h, with about 60 % being adsorbed within 5 min and 86 % within 1 h, and then considerably slow down, reaching equilibrium at about 6 h and following the pseudo-second order. The model assumes the existence of chemisorption, creating covalent bonds and ion exchange.