Karbon Diaktifkan: Penyingkiran Logam Berat

Dalam siri kedua dalam lima bahagian mengenai aplikasi karbon diaktifkan, penggunaan karbon diaktifkan untuk sequester logam berat diperiksa. Logam berat, sebagai contoh kadmium dan plumbum, sangat sukar untuk dikeluarkan dari penyelesaian dan terdapat akibat yang serius jika ini masuk ke dalam kursus air, air minuman atau laut. Karbon diaktifkan adalah sebahagian daripada penyelesaiannya.

Pengenalan

Logam berat dalam banyak kes toksik kepada tumbuhan dan hidupan akuatik. Larian dari amalan perlombongan, tapak sisa yang tidak diurus dengan baik dan aktiviti perindustrian yang tidak terkawal boleh menyebabkan kursus air dan tanah yang terhasil tidak dapat digunakan. Adalah penting bahawa logam berat dikeluarkan secepat mungkin - untuk mengelakkan penyakit dan kerosakan alam sekitar. Penggunaan penapis karbon diaktifkan adalah salah satu kaedah yang paling berkesan, boleh dipercayai dan berdaya tahan untuk menggerakkan logam berat. Sumber logam berat lain dalam air termasuk cuaca dari bangunan (terutamanya tembaga dan besi), pelepasan kenderaan dan dari pemasangan paip. Kaedah penapisan utama adalah pengecualian saiz dengan cara penjerapan. Banyak logam berat sangat sesuai untuk penapisan GAC kerana sifat elektronik percuma mereka (seperti elektronegativiti) dan saiz atom.

ciri gambar

Menambah Penapis Karbon


Penapis karbon diaktifkan
boleh digunakan dalam beberapa cara. Penapisan talian sebagai sebahagian daripada strategi rawatan industri atau sebagai kaedah pasca rawatan di mana air bertakung atau sebaliknya sisa disalurkan melalui penapis karbon diaktifkan sebelum pemprosesan lain. Adalah penting untuk diperhatikan bahawa pemprosesan lain biasanya diperlukan untuk memastikan kesesuaian air untuk kembali ke sungai atau laut. Ini dilakukan dengan cara tradisional seperti bagaimana kumbahan domestik dirawat.

Sisa industri adalah sumber utama pencemaran logam berat. Ion kromium(iii) adalah ciri umum dalam air sisa yang timbul daripada tanneries. Kerana kelaziman lokasi mereka di dunia membangun, beberapa rawatan air mungkin secara sejarahnya miskin. Dua jenis karbon aktif berbutir komersial ditunjukkan dalam penyelidikan untuk membuang 98.6 dan 93% kromium yang terdapat dalam air sisa (1). Kadar kejayaan yang tinggi ini secara langsung disebabkan oleh kawasan permukaan.

Kehadiran besi dan mangan di dalam air bawah tanah memberikan masalah yang sama kepada kromium. Air bawah tanah sedemikian sering kelihatan kemerahan akibat pengoksidaan. Apabila air bawah tanah dirawat dengan karbon diaktifkan berbutir, air menjadi hampir sepenuhnya jelas dalam masa enam jam pada suhu bilik, dengan GAC dilaporkan mengeluarkan sebanyak 3.60 dan 2.55 mg besi dan mangan masing-masing per gram karbon (2). Fe dan Mn sangat sesuai untuk dikeluarkan melalui GAC kerana elektronegativiti dan radii atom mereka.

Bahan yang lebih berbahaya termasuk kadmium dan plumbum. Kajian simulasi ke dalam penyingkiran mereka telah mencadangkan bahawa menggunakan GAC adalah berkesan apabila digunakan dalam lajur katil tetap (bertujuan untuk meniru dalam penapisan pemalar baris), dengan penyingkiran hampir lengkap (3). Menerapkan idea-idea ini di dunia nyata, para penyelidik dapat menunjukkan bahawa GAC boleh bergerak - dan oleh itu mengeluarkan - kadmium dan plumbum, sebagai tambahan kepada tembaga dan kromium, dari sedimen sungai. Penyelidik menyatakan bahawa saiz liang yang ideal untuk contoh dunia sebenar ini adalah di rantau 0.075 - 0.18 mm. Seperti penyelidikan lain, penulis membuat hipotesis bahawa gabungan tahap keliangan yang tinggi dan sifat elektronik yang serasi memainkan peranan penting dalam penyingkiran berkesan(4).

Apabila didepositkan ke jenis karbon lain seperti nanotube karbon dan nanopartikel magnetik berkapsul karbon, GAC juga boleh berkesan untuk mengeluarkan ion kobalt daripada larutan. Walau bagaimanapun, penulis mencatatkan bahawa cantuman pada jenis karbon lain bermanfaat untuk GAC, tetapi penambahan GAC kepada nanotubes, katakan, tidak akan meningkatkan tingkah laku penjerapan nanotube tersebut (5). Walau bagaimanapun, penulis dengan jelas menyatakan bahawa saiz zarah bahan cemar adalah arbiter utama sama ada ia boleh dikeluarkan oleh penapisan atau tidak.

proses penulenan air
titisan air memukul air

Penapis Karbon Diaktifkan Terhidu Dalam Tetapan Biologi

Logam berat cenderung untuk tidak bermain dengan baik dengan sistem biologi (tidak termasuk mereka yang terlibat secara langsung, sudah tentu) dan oleh itu penyingkiran mereka adalah kunci.

Menggunakan sistem biologi untuk meningkatkan penyingkiran dengan GAC telah ditunjukkan apabila menggunakan yis. Gabungan GAC-biosorben ini telah terbukti berkesan untuk mengeluarkan kadmium, tembaga dan zink daripada larutan. Apabila menggunakan penapis heterogen gabungan GAC-yis-alginate, kira-kira 90% ion logam dikeluarkan daripada larutan(6). Proses bio-adsoprtion selanjutnya dengan karbon diaktifkan berbutir telah ditunjukkan sesuai untuk penyingkiran pelbagai logam berat dari kumbahan utama yang dirawat. Dos GAC 5 g L-1 bertanggungjawab untuk 54% dan 96% penyingkiran bahan cemar oleh penjerapan dan bio-penjerapan masing-masing (7).

Ion plumbum dan nikel boleh dikeluarkan daripada larutan akueus dan larian melalui penggunaan reaktor batch penjujukan yang menggunakan bio-enapcemar dan karbon diaktifkan berbutir. Sistem kompaun ini dalam banyak cara serupa dengan reaktor katil tetap, walaupun satu yang berbeza dalam heterogeniti dan suhu operasinya. Menariknya, penjerapan bahan cemar meningkat dengan masa pengekalan hidraulik yang lebih besar. Iaitu semakin lama dibelanjakan dalam penapis, semakin baik penyingkiran. Ini dijangka, sehingga jumlah kapasiti penapis. Melebihi 800 dan 750 mg nikel dan plumbum masing-masing mudah dikeluarkan setiap gram karbon diaktifkan - komposit biosludge. Ion logam kemudiannya pulih dari penapis kompaun dengan rawatan dengan asid nitrik cair. (8).

Karbon diaktifkan berbutir boleh diperoleh daripada cara bukan komersial, dan karbon diaktifkan yang telah disediakan dari batu aprikot berkesan merentasi pelbagai logam berat. Penyelidikan telah menunjukkan bahawa GAC dari sumber bukan komersial mengalami kekurangan homogeniti dan kecenderungan untuk memerlukan julat pH yang lebih jelas di mana untuk bekerja dengan berkesan (9).

Pengubahsuaian Kepada Penapis Karbon Diaktifkan Tradisional Disediakan

Seperti yang dibincangkan secara meluas di atas, hakikat bahawa karbon diaktifkan mempunyai kawasan permukaan yang besar berbanding dengan jumlahnya adalah kunci dalam keupayaannya untuk menyerap logam berat dari larutan. Keupayaan ahli kimia atau jurutera untuk menjalankan pengubahsuaian permukaan pada karbon diaktifkan berbutir - iaitu, mengubah sifat permukaan melalui tindak balas kimia atau rawatan fizikal - untuk meningkatkan lagi sifat-sifat yang telah ditetapkan mewakili perkembangan yang menarik. Faktor-faktor seperti kawasan permukaan yang lebih besar, tahap ketidakupayaan kimia yang lebih tinggi dan kekuatan mekanikal yang lebih kuat adalah semua sifat umum yang dicari (10) untuk rawatan air sisa.

Contohnya termasuk di mana penyelidik berusaha untuk meningkatkan keasidan di permukaan karbon diaktifkan. Dengan menggunakan proses pengasidan asid nitrik, didahului oleh de-ashing dan diikuti dengan merawat pada 1,273 K, mereka menyatakan bahawa penjerapan logam berat termasuk kadmium jauh lebih kuat manakala penjerapan aromatik lebih buruk (11). Peningkatan prestasi lain seperti itu telah diperhatikan dengan karbon diaktifkan berbutir yang telah diubah suai oleh rawatan gelombang mikro, pengaktifan wap dan rawatan ultrasound. Setiap satu daripadanya telah terbukti berkesan dalam persekitaran makmal untuk meningkatkan profil penyingkiran logam berat tertentu dan sebatiannya (12).

Contoh utama pengubahsuaian permukaan yang lebih mudah ialah rawatan bahan karbon diaktifkan berbutir dengan asid sitrik. Para penyelidik mendapati bahawa doping sederhana meningkatkan kawasan permukaan karbon aktif sebanyak 34% dan meningkatkan kapasiti penjerapan tembaga kepada hampir 15 mg Cu per g (13), kira-kira 140% lebih baik daripada karbon yang tidak diubah suai. Begitu juga, penyingkiran ion logam berat dari larutan akueus telah dipercepatkan apabila menggunakan karbon diaktifkan berbutir dirawat natrium sulfida sebagai penyerap untuk penyingkiran merkuri, plumbum dan nikel (14). Menariknya juga, kajian ini menunjukkan bahawa penjerapan dalam kes ini sama sekali tidak bergantung kepada suhu. Rawatan asid dan bes adalah pilihan yang popular, dengan pretreatment GAC dengan asid nitrik 1.0 M dan kalium hidroksida menunjukkan penjerapan yang dipertingkatkan merentasi pelbagai logam berat, terutamanya kadmium dan tembaga (15).

Walaupun pengubahsuaian permukaan karbon diaktifkan berbutir menjadi popular, perlu diperhatikan bahawa ia menambah kos tambahan dan kerumitan. Tambahan pula, ia menimbulkan masalah bagaimana bahan kimia yang digunakan untuk melakukan rawatan itu sendiri harus dilupuskan. Kajian yang lebih besar ke atas kos berbanding faedah perlu dipertimbangkan (16).

loji rawatan air
bersih ditapis air yang dicurahkan

Ringkasan

  • Karbon diaktifkan berbutir adalah bahan yang sangat baik untuk penapisan pelbagai jenis bahan dan bahan cemar dari air
  • Antara bahan pencemar yang paling merosakkan yang berlaku daripada aktiviti seperti perlombongan termasuk logam berat. Sisa besi dan mangan mudah dikeluarkan oleh penapisan GAC
  • Logam berat yang lebih toksik (dengan itu bermasalah) menimbulkan lebih banyak bahaya dan juga dikeluarkan dari air berdiri atau mengalir oleh penapisan GAC
  • Menggabungkan penapisan GAC dengan sistem biologi seperti yis boleh menyediakan laluan penapisan yang lebih berkesan untuk beberapa bahan cemar yang paling sukar untuk mengasingkan
  • GAC mudah diubah suai di permukaan, contohnya dengan pengasidan, yang boleh membantu memodulasi sifat permukaan GAC untuk mempunyai kes penggunaan yang lebih luas.
Periuk yang penuh dengan imrasite

Rujukan

1 N. F. Fahim et al., J. bahaya. Mater., 2006, 136, 303

2 A.bin Jusoh et al., Penyahgaraman, 2005, 182, 347

3 L. S. Shiung et al., Penyahgaraman, 2007, 206, 9

4 W.-F. Chen et al., Env. Mini. Pencemaran Res., 2016, 23, 1460

5 M, Bystrzejewski et al., Koloid dan Surf. Mini. A, 2010, 162, 102

6 E. Wilkins dan Q. Yang, J. env. Mini. dan Kesihatan A, 1996, 31, 2111

7 H. H. Ngo et al., Bioresource Tech., 2008, 99, 8674

8 S. Sirinantapiboon et al., Bioresource Tech., 2007, 98, 2749

9 E. Demirbas et al., Bioresource Tech., 2005, 96, 13

10 W. S. Chai et al., J. Cleaner Prod., 2021, 296, 126589

11 M. Machida et al., APPL. Surf. Mini., 2007, 8554

12 A. Khalil et al., J. Air Proc. Eng., 2021, 102221

13 J. P. Chen et al., Karbon, 2003, 41, 1979

14 G. K. Mishra et al., JSIR, 2010, 69, 449

15 S. H. Kwon et al., J. Ind. Eng. Chem., 2008, 14, 131

16 S.-J. Park et al., Salutan, 2019, 103