Δέσμευση και απομάκρυνση βαρέων μετάλλων από υδατικά διαλύματα με χρήση βιοεξανθρακωμάτων ως ροφητών

Removal of heavy metals from aqueous solutions using biochars as sorbents (Αγγλική)

  1. MSc thesis
  2. ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΥ, ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ
  3. Κατάλυση και Προστασία του Περιβάλλοντος (ΚΠΠ)
  4. 19 Σεπτεμβρίου 2020 [2020-09-19]
  5. Ελληνικά
  6. 111
  7. ΒΑΚΡΟΣ, ΙΩΑΝΝΗΣ
  8. ΠΟΥΛΙΟΣ, ΙΩΑΝΝΗΣ | ΜΠΟΥΡΙΚΑΣ, ΚΥΡΙΑΚΟΣ
  9. Βαρέα μέταλλα, βιορόφηση, βιοεξανθρακώματα
  10. 189
  11. ΠΕΡΙΕΧΕΙ ΣΧΗΜΑΤΑ 13, ΠΙΝΑΚΕΣ 4
    • Η ρύπανση των υδάτων με βαρέα μέταλλα, όπως το αρσενικό (As), το κάδμιο (Cd), το χρώμιο (Cr), ο χαλκός (Cu), ο υδράργυρος (Hg), το νικέλιο (Ni), ο μόλυβδος (Pb) και ο ψευδάργυρος (Zn) έχει αυξηθεί σημαντικά τις τελευταίες δεκαετίες, γεγονός που αποτελεί σοβαρό κίνδυνο για τον άνθρωπο, τα ζώα και τα φυτά. Οι φυσικές διεργασίες αλλά και οι ανθρώπινες δραστηριότητες έχουν οδηγήσει σε αύξηση των επιπέδων των βαρέων μετάλλων στα υπόγεια και επιφανειακά νερά, και η απομάκρυνσή τους από αυτά λαμβάνει ιδιαίτερης προσοχής από την επιστημονική κοινότητα. Για το λόγο αυτό, έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες τεχνικές επεξεργασίας υδάτων, όπως η καταβύθιση, η συσσωμάτωση, η ιονανταλλαγή και η διήθηση από μεμβράνη. Οι διεργασίες αυτές, όμως, παρουσιάζουν ορισμένα μειονεκτήματα, όπως η ατελής απομάκρυνση των βαρέων μετάλλων, το υψηλό λειτουργικό κόστος και οι μεγάλες ενεργειακές απαιτήσεις. Για το λόγο αυτό, τα τελευταία χρόνια έχει γίνει μεγάλη προσπάθεια για την ανάπτυξη πιο οικονομικών και πιο αποδοτικών τεχνικών, όπως είναι η βιορόφηση. Η βιορόφηση ορίζεται ως η ιδιότητα που έχουν συγκεκριμένα βιομόρια (ή τύποι βιομάζας) να απομακρύνουν ρυπογόνες ουσίες από υδατικά διαλύματα. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα της βιορόφησης έναντι των συμβατικών μεθόδων απομάκρυνσης των βαρέων μετάλλων είναι το χαμηλό κόστος, η υψηλή αποτελεσματικότητα, η ελαχιστοποίηση σχηματισμού χημικής ή βιολογικής λάσπης, η ικανότητα αναγέννησης των χρησιμοποιούμενων βιοροφητών και η δυνατότητα ανάκτησης του μετάλλου που προσροφάται. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει αυξανόμενο ενδιαφέρον για την εφαρμογή νέων βιοροφητικών για την απομάκρυνση βαρέων μετάλλων από νερά και απόβλητα, τα οποία να έχουν χαμηλό κόστος, να βρίσκονται σε αφθονία στη φύση, να προέρχονται από ανανεώσιμες πηγές και να μπορούν να αναγεννηθούν ή να ανακυκλωθούν, Τα βιοεξανθρακώματα είναι ανθρακούχα υλικά που παρασκευάζονται από πλούσια σε άνθρακα βιομάζα με θερμική αποικοδόμηση (π.χ. πυρόλυση), απουσία αέρα. Τα τελευταία χρόνια τυγχάνουν ιδιαίτερης προσοχής λόγω των πολλών εφαρμογών τους, συμπεριλαμβανομένης της αύξησης του άνθρακα στο έδαφος, της μείωσης των ατμοσφαιρικών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, της αύξησης της γονιμότητας του εδάφους, της παραγωγής βιοενέργειας και της αντιρρύπανσης του περιβάλλοντος. Λόγω της πορώδους δομής τους και της παρουσίας διάφορων δραστικών ομάδων στην επιφάνειά τους (καρβοξυλικές, υδροξυλικές και φαινολικές), είναι πολύ αποτελεσματικά στην απομάκρυνση βαρέων μετάλλων από νερά και απόβλητα. Τα βιοεξανθρακώματα παρασκευάζονται από διάφορες πρώτες ύλες σε διαφορετικές συνθήκες πυρόλυσης Για την απομάκρυνση των βαρέων μετάλλων, έχουν προταθεί πέντε μηχανισμοί: ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μετάλλων και της επιφάνειας του βιοεξανθρακώματος, ανταλλαγή κατιόντων μεταξύ του μετάλλου και των πρωτονίων που βρίσκονται στην επιφάνεια του βιοεξανθρακώματος, συμπλοκοποίηση των μετάλλων με δραστικές ομάδες, καταβύθιση του μετάλλου με σχηματισμό αδιάλυτων ενώσεων και αναγωγή του μετάλλου ακολουθούμενη από ρόφηση του ανηγμένου είδους στην επιφάνεια του βιοεξανθρακώματος. Ο μηχανισμός και η χωρητικότητα ρόφησης εξαρτώνται από τις ιδιότητες του βιοεξανθρακώματος και από το μέταλλο – στόχο. Σε σύγκριση με τον ενεργό άνθρακα, τα βιοεξανθρακώματα αποτελούν πολλά υποσχόμενα προσροφητικά, που έχουν χαμηλότερο κόστος και μεγάλη αποτελεσματικότητα. Για την αύξηση της χωρητικότητα ρόφησης των βαρέων μετάλλων, γίνονται προσπάθειες τροποποίησης των βιοεξανθρακωμάτων με εισαγωγή σε αυτά ιχνοστοιχείων και οργανικών δραστικών ομάδων, με φυσική τροποποίηση, χημική οξείδωση, επικάλυψη, ενεργοποίηση με ατμό και CO2. Ανάμεσα στα διάφορα είδη βιομάζας, τα βιοεξανθρακώματα ξύλου παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον λόγω των πλεονεκτημάτων τους (όπως μεγάλη ειδική επιφάνεια και μικρό περιεχόμενο σε τέφρα) συγκριτικά με άλλα βιοεξανθρακώματα, τα οποία πιθανών οφείλονται στη μεγάλη περιεκτικότητά τους σε λιγνίνη, κυτταρίνη και ημικυτταρίνη. Επομένως, τα βιοεξανθρακώματα που προέρχονται από ξύλο θεωρούνται χρήσιμα υλικά για την απομάκρυνση βαρέων μετάλλων από νερά και απόβλητα.
    • Water pollution with heavy metals such as arsenic (As), cadmium (Cd), chromium (Cr), copper (Cu), mercury (Hg), nickel (Ni), lead (Pb) and zinc (Zn) has significantly increased over the last decades, which represents a health risk to humans, animals, and plants. Both natural processes and anthropogenic activities have led to elevated levels of heavy metals in surface and groundwater and their removal from contaminated water and wastewater has received increasing attention among the scientific community. Various water treatment technologies such as chemical precipitation, coagulation/filtration, ion exchange and membrane separation have been used to remove heavy metals from water and wastewater. However, these processes have significant disadvantages, for instance, incomplete removal, high operating cost and high energy requirements. Recently, numerous approaches have been investigated for the development of cheaper and more effective technologies to remove pollutants from water, such as biosorption. Biosorption is the property of certain biomolecules (or types of biomass) to bind and concentrate selected ions or other molecules from aqueous solutions and has been used as one of the cost-effective, eco-friendly, and more efficient approaches than other treatment technologies for removal of heavy metals from potable water and wastewater. In recent years, there is an increasing demand for new, applicable, and cheap waste-derived sorbents and biosorbents for the removal of heavy metals from water and wastewater. These materials should be abundant in nature, locally available, originate from renewable sources, and be potentially recyclable or renewable. Biochar is a carbon-rich and porous material which is produced by thermal decomposition of biomass under oxygen-limited conditions at temperature <900 C. It has received increasing attention due to its ability to store large amount of carbon, increase crop yield, reduce soil emission of greenhouse gases and improve soil quality. Due to the presence of highly-porous structure and various functional groups (e.g., carboxyl, hydroxyl, and phenolic groups), biochar shows a great affinity for heavy metals. Biochars are produced from various feedstocks (wood bark, dairy manure, sugar beet tailing, pinewood, and rice husk) at different pyrolysis conditions. Five mechanisms governing metal sorption from water have been proposed. They include electrostatic interactions between metals and biochar surface, cation exchange between metals and protons on biochar surface, metal complexation with functional groups, metal precipitation to form insoluble compounds and reduction of metal species and subsequent sorption of the reduced metal species. The sorption mechanisms and capacity vary considerably with biochar properties and target metals. Compared to activated carbon, biochar is a promising adsorbent with lower cost for metal removal from water. Biochars have been modified to enhance their metal sorption capacity by loading biochar with minerals, organic functional groups, reductants, and nanoparticles, and by activating biochar with alkali solution. Among different types of biomass feedstocks, woody materials are commonly available resources for recycling as sorbents and applicable amendments. The removal efficiency of raw woody materials is much lower than that of the pyrolysed ones (wood biochar), possibly because the pyrolysis process might improve their physical and chemical properties. Wood-based biochar has some advantages (e.g. high surface area and lower ash) compared to other biochars, which might be due to the higher proportions of lignin, cellulose, and hemicellulose in wood biochars than other biochars. Therefore, biochar derived from wood can be considered as a suitable material for the removal of heavy metals from water and wastewater.
  13. Items in Apothesis are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.