Glaskolonner i labskala, fyllda med olika material, har använts för att med syntetiskt grundvatten simulera avskiljningen av metalljoner i barriärmaterialen. Kadmium- och zinkhaltigt vatten testades genom zeolit, GAC och jonbytarmassa (resin). Den senare utföll bäst.
Av: Jörgen Hanaeus
En glaskolonn med kontinuerligt flöde, 10 mL/h av preparerat vatten innehållande zink- och kadmiumjoner fylldes med GAC, zeolit resp jonbytarmassa. pH var 6,2, initiella halter av Cd och Zn var 25 mg/L och total salthalt 560 mg/L. Efter en veckas drift kunde konstateras att jonbytarmassan var effektivast med en metallavskiljning av >99,5 %. Break-through inträffade ungefär en tiopotens snabbare för zeoliten och för det granulära aktiva kolet jämfört med jonbytarmassan som var Amberlite IR 120 H.
Av de provade modellerna för adsorptionen fungerade Thomas modell bäst med R2 >
0,99 för flera metaller.
Bakgrund
För att separera tungmetaller från grundvatten är reaktiva barriärer kostnadseffektiva lösningar jämfört med uppumpning och bassängbehandling. Barriären placeras vinkelrätt mot grundvattnets strömriktning.
De vanligast använda materialen är granulärt aktiverat kol (GAC), zeoliter och jonbytarmassor (resins). Jonbytarmassor är förhållandevis dyra, men har hög kapacitet, hög reaktionshastighet och är gott selektiva. Härigenom kan igensättning av barriären bromsas.
Målet för här aktuell studie var att utvärdera effekten av barriärer – här i form av kolonner – fyllda med tre olika sorbenter och belastade med 25 mg/L Zn- och Cd-haltigt vatten i form av zinknitrat, kadmiumnitrat, kalciumklorid, magnesiumklorid, kaliumsulfat och natriumklorid till sammanlagt 560 mg/L.
Utvärderingen bestod av resp sorbents inverkan på metallavskiljningen liksom dess uthållighet samt av att jämföra olika matematiska modeller för förloppen.
Material och metod
Försökskolonnen var av glas med längden 250 mm och innerdiametern 10 mm (ca 20 mL). Uppströmsflöde tillämpades. Break-through ansågs föreligga när 3-5 % av ingående metallkoncentration lämnade i utgående vatten och då bestämdes jämviktsupptaget för sorbentmaterialet, qe, i mg/g (t ex mg Cd/g GAC).
De använda sorbenterna hade följande karakteristika:
GAC Baqua 1, specifik area 950-1 080 m2/g, volymvikt 500 g/dm3 och partikelstorlek 1,0 mm. Porositet 0,39. 11,5 g fylldes i kolonnen.
Zeolit: naturlig klinoptilolit med partikelstorlek 0,5-1,0 mm och sammansättning SiO2 47,7 %, Al2O3 7,3 %, Fe2O3 20,7 %, MgO 9,4 %, CaO 9,0 %, MnO 0,3 %, P2O5 0,2 %, Na2O 1,2 %, K2O 0,6 % och TiO 3,6 %. Porositet 0,43. 20,8 g fylldes i kolonnen.
Jonbytarmassa: Amberlite 120 H. Av geltyp. Starkt sur katjonbytare av sulfonerad polystyren med partikelstorlek 0,62-0,83 mm. Porositet 0,49. 17,4 g fylldes i kolonnen.
Det använda grundvattnet höll ett pH av 6,2. Utöver målparametrarna analyserades Ca, Mg och Na samt anjonerna nitrat, sulfat och klorid.
Regenerering utfördes med 0,1 M HCl lösning i ett flöde av 2 mL/min genom kolonnen.
Resultat
För modellering av uppmätta förlopp testades Adams-Boharts modell, Thomas’ modell samt Yoon-Nelsons modell.
Thomas’ modell var klart mest framgångsrik och formuleras:
C/C0 = 1/(1 + exp (kThqem/Q – kThC0t)) där
C0 och C är in- resp utgående metallkoncentration i mg/L
kTh är mass-transfer koefficienten i mL/mg, min
qe är kapacitet vid jämvikt i mg/g
m är den sorbentmassa som packats i kolonnen i g och
Q är flödet genom kolonnen i mL/min.
Break-through inträffade för GAC efter 535 min för Cd och 475 min för Zn.
För zeoliten efter 840 min för Cd och 1 785 min för Zn.
För jonbytarmassan efter 8 750 min för Cd och 12 500 min för Zn.
För GAC var jämviktsupptagen, qe, 4,66 mg Cd/g och 4,74 mg Zn/g
För zeoliten var qe 9,69 mg Cd/g och 75,60 mg Zn/g
För jonbytarmassan var qe 1 902 mg Cd/g och 355 mg Zn/g.
Beträffande pH sänkte jonbytarmassan pH från 6,2 till ca 2,3 efter 2 h, ett värde som kvarstod under försökstiden. Zeoliten gav en svag och avtagande pH-höjning medan GAC-kolonnen gav en måttlig pH-sänkning.
Desorptionen med HCl var snabb och mer än 98 % av adsorberad Cd och Zn kunde snabbt desorberas för alla materialen. För fullskaledrift föreslår författarna dock utbytbara materialkassetter.
Slutsatser
Jonbytarmassa var den klart mest effektiva sorbenten för Cd och Zn av de prövade. Mer än 99 % av tillförda metallmängder sorberades under den försöksvecka jonbytarkolonnen kördes.
Källa: Zawierucha, Iwona & Nowik-Zajac, Anna (2019): Evaluation of permeable sorption barriers for removal of Cd (II) and Zn (II) ions from contaminated groundwater. Water Science & Technology, 80.3, pp 448-457.
Författarna från:
Institute of Chemistry, Health and Food Sciences, Jan Dlugosz University in Czrestochowa, Armil Krakowej 13/15, 42-200 Czestochowa, Polen.
Kontakt: i.zawierucha@ajd.czest.pl
