Separation av natrium och klorid från vatten med hjälp

Naturfibrer från löv från den sydamerikanska sparrisväxten Furcraea andina har undersökts m a p deras förmåga att avskilja natrium och klorid från vattenlösningar. Effekter av storleken fyra gånger den som syntetiska jonbytare ger har uppmätts.

Av: Jörgen Hanaeus 

Furcraea andina är en vanlig, trädliknande sparrisväxt i sydamerikanska bergsområden. Fibrerna från dess löv har historiskt använts till textilt konsthantverk och varma kläder, särskilt populära i Colombia. Fibrerna har kapats, preparerats med vatten och etanol, torkats och sedan blandats med natriumkloridrikt vatten i skakförsök. Kinetiken för natrium- och kloridupptaget följde väl en Freundlichisoterm och Lagergrens ekvation medan Langmuirisotermer passade sämre. Vid mättnad kunde värden på 15 mMol natrium/g och 13 mMol klorid/g uppnås, vilket ansågs fyra gånger bättre än för jämförbara alternativ.

Artikeln

Hög salthalt i vatten är problem vid bland annat dricksvattenframställning och konstbevattning och kan också ge korrosionsproblem. Vanliga sätt att avsalta på är jonbyte och adsorbtion. Bland använda material kan nämnas skiktad ZnAl-NO₃-hydroxid som kan ta upp 1,3 mMol (milliekvivalenter) Cl^–/g och Amberlite IRA-420, en kommersiell jonbytare som kan ta upp till 4mMol/g. Värden mellan 1och 4 är vanliga för syntetiska anjonbytare.

Man söker gärna efter billigare alternativ, som kan finnas bland naturmaterial; biosorbenter. Sådana anjonbytare med en uppgiven kapacitet av kring 4 mMol/g är risskal, sockerrörsrester (efter pressning), ren cellulosa och rent, alkaliskt lignin. Alla biosorbenter innehåller cellulosa, hemicellulosa och/eller lignin.

Furcraea-fibrer har använts till konsthantverk, kläder och rep och är sammansatt av 63 % cellulosa, 17,5 % hemicellulosa, 14,5 % lignin och 5 % av några mindre beståndsdelar som pectin och vaxer. Hög cellulosahalt, stor specifik yta, stor och spridd tillgänglighet till låg kostnad var faktorer som motiverade deras användning i avsaltningsförsök.

Försök

Råa Furcraea-fibrer köptes från en lokal marknad och hackades till längder 0,2-0,8 mm.

De doppades i en blandning av ultrarent vatten och (90 %) etanol. Fibrerna torkades vid 103 °C och separerades via en 0,85 mm sikt.

Specifik yta, porstorlek och porvolym bestämdes. Fibrernas yta studerades med elektronmikroskopi (FESEM).

Natriumkloridlösningar av 0,001 – 0,9 M användes för att göra kinetikbestämningar och pH justerades till värdena 4,6 eller 8 med salpetersyra eller kaliumhydroxid. De gjordes som skakförsök i 2h (25 °C); 0,5 g fibrer i 50 mL av lösningen. Fibrer separerades med 0,45 µm filter och natrium och kloridhalter i lösningen bestämdes med jämna mellanrum. Alla försök gjordes som triplikat.

Resultat

Furcraea-fibrerna visade sig kunna avskilja 13 mMol klorid/g och 15 mMol natrium/g vilket är ca fyra gånger mer än vad som förväntats av syntetiska jonbytare eller andra naturmaterial.

Separationen var pH-beroende och fungerade bäst vid pH 8. Mikroskoperingen visade en heterogen yta och porvolymen bestämdes till 0,03 cm³²/g.      

Den tidsberoende adsorbtionen testades mot Freundlich-isoterm, Langmuir-isoterm samt Lagergrens ekvation. Freundlich-isotermen och Lagergrens ekvation föll väl ut; Langmuir-isotermen sämre.

För Freundlich-isotermen: q_e = k_f *C_eⁿ där  q_e är adsorbtionen (i t ex mg/g)vid jämvikt med lösningskoncentrationen C_e (mg/L). k_f  och n är konstanter. För kloridadsorbtionen erhölls k_f 0,0203 och n= 0,961 med korrelationen R² = 0,9798 och för natriumadsorbtionen k_f =0,2443 och n=0,611 med R² = 0,9802. Natriumadsorbtionen var altså en tiopotens högre än kloridadsorbtionen. Upptaget var snabbt den första halvtimmen och jämvikt nåddes efter en timme

Slutsatser

Resultaten visar att Furcraea-fibrerna kan användas till samtidigt upptag av natrium och klorid-joner och är alltså intressanta som avsaltningsmedium. Mer arbete återstår. Skakförsöken behöver kompletteras med kolonnförsök och nödvändigheten av den omsorgsfulla förbehandling av fibrerna som genomförts här bör provas.

Det är intressant att arbeta med lättillgängliga naturmaterial som adsorbenter; kostnaden kan hållas låg och lokal kunskap om materialen finns ofta.

Källa: Agudelo, N.¹⁾, Hinestroza, J.P.²⁾ & Husserl, J.¹⁾ (2016): Removal of sodium and chloride ions from aqueous solutions using fique fibres (Furcraea spp.) Water Science & Technology 73.5, pp 1197-2001.

Hela artikeln finns att köpa här.

Författarna från: 

1)    Civil and Environmental Engineering, Universidad de los Andes, Cr 1 Este # 19A-40, Bogota, Colombia.

2)    Department of Fiber Science and Apparel Design, Cornell University, NY 14850, Ithaca, USA.

Kontakt:  jhusserl@uniandes.edu.co