Σύνθεση και αξιολόγηση σύνθετων προσροφητικών Fe/Zn για δέσμευση αρσενικού
Creators: name: Χατζηαγγελόγλου, Αγγελος Παντελεήμονος
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Προσρόφηση Αρσενικού
Διαστρωματικά Υδροξυ - οξείδια
Σύνθετα Fe/Zn προσροφητικά
Arsenic Adsorption
Layered Hydroxides
Composite Fe/Zn adsorbents

description: Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή μελετά τη σύνθεση και το χαρακτηρισμό σύνθετων προσροφητικών Fe/Zn με ενσωμάτωση ιοντοεναλλάξιμων ανθρακικών ιόντων και συγκεκριμένα διφασικών υλικών α-Fe2O3/Zn5(OH)6(CO3)2 καθώς και την διερεύνηση της ικανότητάς τους να απομακρύνουν πεντασθενές αρσενικό As(V) από το νερό περιορίζοντας το κάτω από το όριο ποσιμότητας. Τα σύνθετα αυτά υλικά παρασκευάστηκαν από άλατα σιδήρου και ψευδαργύρου με την μέθοδο της ιζηματοποίησης, σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας και πλήρους ανάμειξης δύο σταδίων. Εφόσον διαπιστώθηκε ότι η συνύπαρξη Fe και Zn δεν ήταν δυνατή στην ίδια δομή διπλού διαστρωματικού υδροξυ-οξείδιού, εξετάστηκε η δυνατότητα ρύθμισης των παραμέτρων σύνθεσης που να οδηγεί στη συνύπαρξη μιας φάσης οξειδίου του Fe και μιας απλής διαστρωματικής φάσης Zn που να λειτουργούν συνεργιστικά στην συγκράτηση αρσενικού. Για το σκοπό αυτό έγινε παραγωγή διαφόρων δειγμάτων μεταβάλλοντας τις αναλογίες αντιδραστηρίων Fe και Zn καθώς και την αναλογία NaOH και Na2CO3 που χρησιμοποιήθηκαν ως ρυθμιστικά του pH και το δεύτερο ως πηγή ανθρακικών ιόντων. Τα δείγματα που προέκυψαν χαρακτηρίστηκαν με περίθλαση ακτίνων Χ και διαπιστώθηκε ότι αποτελούνται από διαφορετικές φάσεις, ZnO, Zn5(OH)6(CO3)2, ZnFe2O4 και α-Fe2O3 ανάλογα με την αναλογία Zn/Fe κατά την διαδικασία της σύνθεσης. Η αξιολόγηση της απόδοσης των δειγμάτων για απομάκρυνση αρσενικού πραγματοποιήθηκε με πειράματα καταγραφής των ισοθέρμων προσρόφησης σε νερό με όμοια χαρακτηριστικά με ένα τυπικό φυσικό νερό για τιμή pH ισορροπίας ίση με 7,5. Η προσροφητική ικανότητα για τα δείγματα με αναλογία Zn/Fe 2.5 φαίνεται να ενισχύεται καθώς αυξάνεται το ποσοστό ανθρακικών ιόντων (Na2CO3/NaOH=3) προσεγγίζοντας την τιμή 6,8 mg/g για υπολειμματική συγκέντρωση As(V) ίση με το όριο ποσιμότητας των 10 μg/L. Σε μικρότερα ποσοστά ανθρακικών η απόδοση μειωνόταν κάτω από αυτήν των αντίστοιχων δειγμάτων χωρίς ανθρακικά. Ακόμα μεγαλύτερη απόδοση παρατηρήθηκε σε μεγαλύτερες αναλογίες Zn/Fe 4 όπου η απόδοση έφτασε τα 9,4 mg/g ξεπερνώντας κατά πολύ αντίστοιχες τιμές των υδροξυ-οξειδίων που είναι τα πλέον διαδεδομένα προσροφητικά απομάκρυνσης αρσενικού από το νερό. Επομένως, η ενσωμάτωση ανθρακικών ιόντων επεκτείνει την χωρητικότητα των υλικών να συγκρατούν αρσενικό και εσωτερικά στη δομής ενώ σε συνδυασμό με την καλή συνάφεια του αρσενικού με το σίδηρο που συνυπάρχει στο σύνθετο υλικό συνολικά επιτυγχάνεται βελτίωση της απόδοσης
description: The present MSc thesis, studies the synthesis and the characterization of Fe/Zn composite adsorbents by incorporating ion-exchangeable carbonates and specifically, two-phase α-Fe2O3/Zn5(OH)6(CO3)2 materials, as well as their ability to remove pentavalent arsenic As(V) from drinking water below the regulation limit. These composites were prepared from iron and zinc salts by a coprecipitation process in a two-stage continuous-flow stirred tank reactor. Since it was observed that coexistence of Fe and Zn was not possible in the same layered-double hydroxide structure, the ability to adjust the synthesis parameters in order to obtain a single phase Fe oxide and a single-layered Zn hydroxide that contribute synergistically in arsenic uptake, was examined. On this purpose, various samples were produced by varying the Fe and Zn reagent ratios as well as the ratio of NaOH and Na2CO3 used as pH buffer solutions, with the second one serving as a source of carbonate ions. The resulting samples were characterized by X-ray powder diffraction and were found to consist of different ZnO, Zn5(OH)6(CO3)2, ZnFe2O4 and α-Fe2O3 phases depending on the Zn/Fe ratio, used in the synthesis process. The evaluation of the samples in arsenic removal was carried out by experiments that recorded the adsorption isotherms in water with similar characteristics of a typical natural water for the equilibrium pH value of 7.5. The adsorption capacity for samples with a Zn/Fe 2.5 ratio appears to be enhanced as the carbonate ion (Na2CO3 / NaOH = 3) is increased by approaching 6.8 mg/g for residual As (V) concentrations equal to the limit of the 10 μg/L. At lower levels of carbonates, the performance diminishes below that of the corresponding carbon-free samples. Even higher performances were observed at higher Zn/Fe = 4 ratios where the performance reached 9.4 mg/g, surpassing by far the equivalent values of the iron oxy-hydroxides which are the most commonly used for arsenic removal from water. Therefore, the incorporation of carbonate ions expands the capacity of the materials to retain arsenic in their internal structure while in combination with the good affinity of arsenic with the iron that coexists in the composite material, the performance improves overall
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)