Iveta Pandová

1 Facultatea de tehnologii de fabricație, Universitatea Tehnică din Košice, 080 01 Prešov, Slovacia; [email protected] (IP); [email protected] (M.R.); [email protected] (A.P.)

utilizării

Miroslav Rimár

1 Facultatea de tehnologii de fabricație, Universitatea Tehnică din Košice, 080 01 Prešov, Slovacia; [email protected] (IP); [email protected] (M.R.); [email protected] (A.P.)

Anton Panda

1 Facultatea de tehnologii de fabricație, Universitatea Tehnică din Košice, 080 01 Prešov, Slovacia; [email protected] (IP); [email protected] (M.R.); [email protected] (A.P.)

Jan Valíček

2 Facultatea de Inginerie, Universitatea Slovacă de Agricultură, 949 76 Nitra, Slovacia; [email protected] sau

3 Facultatea de tehnologie, Colegiul de tehnologie și afaceri din České Budějovice, 370 01 České Budějovice, Republica Cehă; [email protected]

Milena Kushnerova

3 Facultatea de tehnologie, Colegiul de tehnologie și afaceri din České Budějovice, 370 01 České Budějovice, Republica Cehă; [email protected]

Marta Harničárová

2 Facultatea de Inginerie, Universitatea Slovacă de Agricultură, 949 76 Nitra, Slovacia; [email protected] sau

3 Facultatea de tehnologie, Colegiul de tehnologie și afaceri din České Budějovice, 370 01 České Budějovice, Republica Cehă; [email protected]

Abstract

1. Introducere

Contaminarea solurilor, a apelor subterane, a apelor de suprafață și a aerului cu substanțe chimice toxice periculoase prezintă probleme semnificative pentru sănătatea umană și pentru mediu. În special, metalele grele sunt considerate poluanți periculoși [1].

Prezența lor în apele uzate provine din diverse procese industriale datorate dezvoltării tehnologiilor industriale. Diverși adsorbanți, cum ar fi cărbunele activ [2], astragalul [3], nanotuburile de carbon [4,5] și un număr mare de bio-sorbenți [6] au fost folosiți în diferite studii pentru a elimina poluanții, în special metalele grele din apele uzate.

2. Tendințe în utilizarea sorbanților pentru îndepărtarea ionilor de fier din soluțiile apoase

Principiul metodelor folosite pentru îndepărtarea fierului din apă este oxidarea fierului dizolvat inițial în compuși nedizolvați, care pot fi îndepărtați printr-o separare în două sau două etape. Oxidarea și hidroliza acestor compuși au loc în condiții strict definite. Procesele de precipitații pot realiza îndepărtarea ionilor Fe 3+, dar concentrațiile lor reziduale sunt încă detectabile în faza lichidă. Prin urmare, este nevoie de purificare, de exemplu, prin schimb de ioni sau sorbție. Tehnicile utilizate în mod obișnuit pentru reducerea nivelului de fier sunt, de asemenea, asociate cu alte probleme, cum ar fi formarea intermediarilor toxici ai substanțelor chimice rezultate din reacțiile chimice, costurile ridicate de funcționare necesare pentru menținerea condițiilor fizice și chimice și timpul relativ lung de tratament biologic. tehnică. Dezvoltarea de materiale și tehnologii de sorbție pentru îndepărtarea eficientă a sărurilor și a contaminanților nedoriti din apă este o modalitate promițătoare de a aborda criza globală a apei [7].

Zeoliții cu adsorbție excelentă și capacitate de schimb ionic au găsit o largă aplicare în aceste domenii. Cel mai frecvent utilizat absorbant este cărbunele activ și zeoliții sintetici. Acești sorbanți sunt relativ scumpi. În acest sens, zeoliții naturali, ale căror resurse abundente sunt situate în diferite regiuni ale Pământului, ar putea fi mai promițătoare. Zeoliții sunt considerați la nivel mondial ca fiind aplicabili pe scară largă în diverse domenii ale științei și tehnologiei, precum și științele mediului. Conform literaturii, zeolitul de tip Y este potrivit pentru îndepărtarea cationilor de metale grele din apa industrială [8,9]. Studiul îndepărtării ionilor de fier prin absorbție este abordat de mai mulți autori care analizează datele de adsorbție a echilibrului în lucrarea lor folosind modelul de izotermă Langmuir și Freundlich [10,11,12,13].

Pentru a îmbunătăți capacitatea zeoliților de a absorbi metalele grele, se utilizează oxizi de fier. Ele sunt fie adăugate la amestecul de reacție în timpul sintezei zeolitului în sine, fie depuse pe suprafața zeolitului. Pe baza diverselor studii, s-a demonstrat că zeolitul cu oxid de fier la suprafață are o capacitate mai mare de sorbție pentru Cu, Pb, Zn, Mn și Cd. Motivul acestui fenomen este creșterea siturilor de legare a Fe-OH conținute în oxizii de fier. Unele metale grele se pot adsorbi la zeolit ​​nu numai prin schimb de ioni, ci și prin legarea la site-uri specifice care conțin AlOH, SiOH sau FeOH [14].

Mai multe modele pot fi utilizate pentru a descrie adsorbția poluanților din soluții apoase. Unul este modelul de pseudo-al doilea ordin. Avantajul utilizării acestui model este că nu este necesar să se cunoască capacitatea de echilibru din experimente, deoarece poate fi calculată din model [15]. O metodă foarte frecvent utilizată de îndepărtare a fierului din apă este prin filtrare de contact, și anume filtrarea pe filtre de mangan. Adăugarea de permanganat de potasiu formează un strat pe suprafața cartușului de filtrare, care servește drept catalizator de oxidare. Starea de oxidare a stratului de umplutură MnOx joacă un rol important în îndepărtarea fierului dizolvat [16].

Sorbția este una dintre cele mai noi metode de tehnologie de tratare a apei. Se realizează prin mecanisme fizico-chimice, cum ar fi chemisorbția, schimbul de ioni, precipitațiile și adsorbția fizică. Adsorbția fizică se bazează exclusiv pe forțe fizice (electrostatice) de suprafață (de exemplu, forțele van der Waals). Moleculele de adsorbat (substanță legată) nu sunt legate de site-uri specifice de pe suprafața adsorbantului. Se pot forma mai multe straturi de adsorbat (adsorbție multistrat sau multimoleculară). În timpul adsorbției fizice, moleculele substanței adsorbite nu se descompun; în special, caracterul multistrat al substanței adsorbite este tipic. Pe zeoliți, cationii metalici sunt imobilizați prin două mecanisme - schimbul de ioni și chemisorbție [18]. În acest fel, ca și în alte materiale microporoase, de asemenea în zeoliți, sorbția cu schimb de ioni între componentele de fază lichidă și solidă are loc în funcție de difuzia suprafeței și mecanismul de difuzie internă. Mecanismul sorbției cationilor de fier pe un absorbant de silice este descris în publicație [25].

Pentru dispunerea discontinuă a procesului, este necesar să se cunoască cursul cinetic de adsorbție și izotermă de adsorbție. Prin urmare, obiectivul principal al experimentelor prezentate este de a obține aceste caracteristici importante ale mecanismelor de adsorbție și de a explora posibilitatea utilizării tehnologice a zeolitului-clinoptilolitului natural în procesul de purificare a apei.

Se cunoaște absorbția pe zeoliți sintetici, dar se cercetează posibilitatea înlocuirii acestora cu cele naturale în purificarea apei. Lucrarea investighează absorbția cationilor de fier într-un anumit tip de zeolit ​​natural, și anume clinoptilolitul de la Nižný Hrabovec, care are o structură cristalină identică cu clinoptilolitul, adică heulanditul bogat în Si (conform lui Tschernich).

Pe baza cercetărilor efectuate, am definit scopul de a obține un nou model de predicție pentru dependența concentrației de echilibru realizate de concentrația inițială a soluției. Pe baza îndeplinirii acestui obiectiv, este posibil să se prevadă parametrii pentru grupul de materiale care ar putea fi utilizat în sfera aplicației (de exemplu, pentru purificatoarele de apă).

3. Materiale și metode

3.1. Zeolit ​​natural-clinoptilolit

Pentru a investiga absorbția cationilor ferici pe zeolit ​​natural, s-au efectuat experimente de laborator folosind zeolit-clinoptilolit natural sub formă granulară cu o mărime a bobului de 2,5 până la 5 mm (Figura 1). Zeolitul din această localitate conține 84% clinoptilolit, 3% –4% feldspati, 8% cristobalit, 2% –5% cuarț și 13% –30% sticlă vulcanică. Cationul primar din clinoptilolitul natural din acest depozit este potasiul. Raportul Si/Al al clinoptilolitei din acest depozit variază de la 4,0 la 5,2 [26].