Naturlig, svårlöslig humus har provats för manganadsorption med gott resultat. Inverkan av pH och koncentrationer av komponenterna har undersökts i lab och adsorptionsisotermer har anpassats.
Av: Jörgen Hanaeus
Svårlöst humussyra är ett miljövänligt adsorptionsmaterial som kan lämpa sig för adsorption av mangan. Det har provats i laboratorieskala med variation av doser av mangan och humus samt med variation av pH och kontakttid.
Modellering av adsorptionsförloppen visade att både Freundlich- och Langmuirisotermerna gav god anpassning, vilket också visade på en komplex process.
Reaktionsprodukterna har undersökts med spektroskopi (FTIR) och elektronmikroskop.
Bakgrund
Bindningen mellan tungmetaller och organiskt material är väl undersökt medan kopplingen mellan mangan och organiskt material är mindre klarlagd. Målet för denna studie är denna samverkan, i form av adsorption.
Höga halter mangan är ohälsosamma och kan ge förgiftningssymptom. WHO:s gränsvärde för mangan i dricksvatten är 0,5 m/L. Flera metoder finns att avskilja mangan i vatten t ex kemisk oxidation, biooxidation, adsorption och koagulering+sedimentering. Här har valts att studera adsorption på humusmaterial; en miljövänlig, snabb och förhållandevis billig metod.
Naturligt humusmaterial innehåller ett spektrum av funktionella grupper, såsom karboxyl-, alkohol-, hydroxyl-, fenol-hydroxyl-, aldehyd- och etergrupper. Det medför en komplex men god reaktivitet gentemot metaller, inklusive mangan. Här användes svårlösligt (insolubilized)
humusmaterial (IHA) och följande faktorer som bedömdes påverka adsorptionen undersöktes: pH, initialkoncentration av Mn2+ och tillsats av humusmaterial (adsorbent).
Metod och material
Försöken genomfördes satsvis i laboratorieskala med skakapparat, i kolvar om 250 mL, med avsikten att finna optimala betingelser för manganadsorptionen och att testa modeller för denna.
pH justerades mellan 2,5-7,5 med saltsyra eller natronlut. Efter skakförsök filtrerades vätskan genom 0,45 µm membranfilter och manganhalten analyserades i filtratet.
Adsorbtionskapaciteten bestämdes som skillnaden mellan manganhalten före och efter behandlingen multiplicerat med volymen och dividerat med doserad mängd (vikt) humus (IHA). Humusmaterialet anlyserades före och efter försöket via torkning och malning; FTIR-spektra 400-4000 cm-1 togs upp och elektronmikroskopering utfördes.
1g humusadsorbent doserades till 200 mL vatten med Mn-koncentrationen 100 mg/L.
Resultat
Vid pH 2,5 var Mn-avskiljningen 22 % och jämviktsupptaget (qe) 6,5 mg Mn/g humus (IHA). Dessa båda parametrar ökade ungefär linjärt med ökat pH till pH 4,5, varefter ökningstakten avtog påtagligt till pH 6,5. Därefter större ökning igen till pH 7,5 vilket (tyvärr) var det högsta som testades. För fortsatta försök valdes pH 5,5. Med temperaturen 25 ºC och Mn-koncentrationen 100 mg/L fortsatte försöken med en IHA-koncentration som varierades mellan 0,2 och 1,2 g till 200 mL vatten.
Mn-avskiljningen ökade i dosintervallet från 20 till 60 %, långsammare ökning vid högre dosvärden, medan jämviktskapaciteten qe sjönk från 56 till 14 mg Mn/g IHA.
Vidare testades, vid IHA-koncentrationen 1 g/200 mL vatten och pH 5,5, effekterna av varierande Mn-tillsats (2-120 mg/L) och temperaturerna 25,35 och 45 ºC.
Mn-avskiljningen sjönk från ca 93 % vid inkommande 2 mg Mn/L till ca 3 % vid 120 mg Mn/L in. Jämviktsupptaget qe ökade från 2 mg/g till ca 21 mg/g över samma intervall. Temperaturökningen gav måttligt högre värden (några %) i alla positioner.
Kinetiken testades vid pH 5,5, 100 mg Mn/L och humusdoser 0,6-1,2 mg IHA/L. Den första halvtimmen steg avskiljningen snabbt, högre ju högre humusdos och till ca 60 %. Därefter mycket långsam komplettering av adsorptionen till en jämvikt vid ca 240 min. Fyra modeller testades och man fann att pseudo-first-order modellen: ln (qe -qt) = ln qe-K1*t beskrev det initiala skedet väl, medan pseudo-second-order modellen: t/qt = 1/ k2qe2 + t/qe gav bättre värden för den mätta, senare delen av förloppet inklusive jämviktsvärdet qe.
Langmuirs och Freundlichs adsorptionsisotermer provades och båda visade god anpassning (R2 = 0,99) till experimentdata. Det indikerar att flera adsorptionsmekanismer är aktiva; att processen är heterogen. Den maximala kapaciteten vid 25 ºC bestämdes till (qe=) 42 mg Mn/g IHA.
FTIR-spektroskopin visade att karboxyl- och hydroxylgrupperna var viktiga vid Mn-IHA-adsorptionen och att såväl fysiska som kemiska effekter bidrog, men att den kemiska adsorptionen dominerade.
Den termodynamiska analysen visade att den studerade adsorptionen var icke-spontan och endoterm.
Slutsatser
Adsorptionen av mangan på naturlig, svårlöslig humus var heterogen, men effektiv med ett maxvärde vid 25 ºC av 25 mg Mn/g humus. Såväl Langmuir- som Freundlichisotermen fungerade väl.
De flesta försöksvärdena togs fram med mycket höga manganhalter om dricksvattenbehandling fokuseras och författarna hänvisar också till användning för
industriellt avloppsvatten.
Källa: Zhao, Wenlin 1,2), Ren, Bozhi1,2), Hursthouse, Andrew1,3) & Jiang, Feng 1,2) (2020): The adsorption of Mn (2+) by insolubilized humic acid. Water Science & Technology, 82.4, pp 747-758.
Författarna från:
School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan, 411 201, China.
Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Exploitation, Xiangtan, 411 201 China.
Computing Engineering & Physical Sciences, University of the West of Scotland, Paisley PA1 2BE, United Kingdom.
Kontakt: bozhiren@126.com
