Demir Giderimi için Aktif Karbon

Sanayileşme ekonomik ve sosyal kalkınmayı teşvik eder, ancak büyüyen endüstriyel tesisler kirletici emisyonları yoğunlaştırarak tüm ekosistemi etkiler. Su kirliliği sanayileşmenin yıkıcı etkilerinden biridir.

Veriler, yüzey suyunun yaklaşık 60%'sinin ve içme suyunun 50%'sinin demir iyonu içerdiğini gösteriyor. Madencilik faaliyetleri, arıtma tesisleri ve diğer faaliyetler nedeniyle bazı bölgelerde su kaynaklarındaki demir içeriği önemli ölçüde arttı. Aşırı demir birikimi ciddi sağlık sorunlarına neden olabilir.

Bu çalışmada sudaki demirin arıtılması için aktif karbon adsorpsiyon teknolojisi kullanılmıştır. Deney sırasında, demir iyonlarının kesikli ve sabit yataklı adsorpsiyonla uzaklaştırılmasının fizibilitesi araştırıldı.

Demirin tanıtılması

Periyodik tablodaki 26. element olan demir önemli bir elementtir. Yer kabuğunun yaklaşık 5%'sini kaplar ve elementler arasında oksijen, silikon ve alüminyumdan sonra en bol bulunan ikinci metaldir.

Elementel demir bir geçiş metalidir. Temel oksidasyon durumları +2 (demir) ve +3 (ferrik) olmakla birlikte +4 (demir) ve +6 (ferrat) oksidasyon durumları da vardır. +2 durumundaki demir bileşikleri ferröz olarak etiketlenir ve açık yeşil Fe iyonlarından oluşur; +3 durumundaki demir bileşikleri ise ferrik olarak etiketlenir ve demirin derecesine bağlı olarak sarıdan turuncuya ve sonunda kahverengiye dönüşen Fe kompleksi iyonları içerir. hidroliz.

Oksijenli suda Fe2+ iyonları Fe3+ iyonlarına oksitlenir. Oksidasyon hızı esas olarak H+ iyon konsantrasyonuna ve çözelti sıcaklığına bağlıdır. Demirli iyonlar genellikle çözeltide ferrik iyonlara göre daha yüksek miktarda demir tutar ve demirli elementler, elementel demirle karşılaştırıldığında daha yüksek çözünürlüğe sahip olma eğilimindedir.

Demir giderimi için adsorpsiyon

Demir oldukça zehirlidir ve bu nedenle bu kirleticinin emisyon düzeylerinde kontrol edilmesi gerekir. İyon değişimi ve su yumuşatma, süperkritik sıvı ekstraksiyonu, havalandırılmış oksidasyon, mikrofiltrasyon/ultrafiltrasyon, havalandırılmış partikül filtreleri ve biyolojik iyileştirme gibi içme suyundan ve belediye atıklarından demirin uzaklaştırılması için birçok teknoloji mevcuttur.

Bu teknolojilerin en büyük dezavantajı pahalı olmaları ya da elektriksiz kullanılamayacak olmalarıdır. Adsorpsiyon, adsorplanan bir maddenin (adsorbat) katı bir yüzeye yapışmasıdır. Adsorbatlar sıvı fazda sıvı veya gazlarda çözünmüş çözünmüş maddeler olarak bulunur. Kullanım kolaylığı, basit tasarımı, yüksek kapasitesi, düşük maliyeti, yan ürün oluşumunun düşük olması ve terapötik etkinliğinin yüksek olması nedeniyle diğer tedavilere göre tercih edilmektedir.

Bu, atık sudaki kirleticilerin adsorbanın yüzeyinde birikmesini gerektiren bir yüzey olgusudur. Metal iyonlarının adsorban üzerinde birikmesi, adsorbanın ara yüzeyinde meydana gelir ve iki boyutlu bir yapı elde edilir. Bu, yüzey yükü, yüzey alanı ve yüzey işlevselliği gibi adsorbanın özelliklerine bağlıdır.

Adsorpsiyon aynı zamanda yüksek verimliliği ve adsorbanı yeniden üretme ve adsorbatı geri kazanma olasılığı nedeniyle diğer uzaklaştırma işlemlerinden de üstündür. Bu zorlukların üstesinden gelmenin yollarından biri demirin çeşitli adsorbanlar tarafından adsorpsiyonudur. Çok işlevli davranışı nedeniyle aktif karbonun atık su arıtımında oldukça aktif olduğu tespit edilmiştir.

Aktif karbon yapısı

Su ve hava temizlemedeki ticari önemine rağmen aktif karbonun kesin atomik konfigürasyonu bilinmemektedir. Karbon konfigürasyonu piroliz ile hazırlanır. Bu karbonlar grafitleşmiş ve grafitleşmemiş olmak üzere iki ayrı gruba ayrılabilir. Aktif karbondan türetilen karbon grafitleştirilemez; bu, çok yüksek sıcaklıklarda (≥3000°C) bile kristal grafite dönüşebileceği anlamına gelir.

Nötron kırınımı çalışmaları, Şekil 1'de gösterildiği gibi, grafitleşemeyen karbonların fullerenlere benzer bir çerçeveye sahip olduğunu göstermiştir. Ancak atomların beşgen veya altıgen halkalar şeklinde bağlandığına dair net bir kanıt sağlanamamıştır.

Aktif karbon gözenekleri

Aktif karbonun kristalizasyonu ve kimyasal konfigürasyonunun yanı sıra gözenekli yapısı da çeşitli uygulamalarda önemli bir rol oynar. Aktif karbonun emme kapasitesi, yüzey alanı, gözenek hacmi ve gözenek boyutu dağılımı ile büyük ölçüde ilişkilidir.

Esas olarak hammaddelerin doğasına ve kimyasal işlemlerine bağlıdır. Aktif karbonun gözenekli yapısı, karbonizasyon sırasında hammaddedeki karbon olmayan maddelerin ortadan kaldırılmasıyla üretilir, bu da temel gözenek yapısına sahip sabit bir karbon bloğu üretir ve aktivasyon işlemi sırasında daha da geliştirilir.

Aktivasyon işlemi, karbonizasyon sırasında oluşan gözeneklerin çapını büyütür ve aynı zamanda bazı yeni gözenekler oluşturarak iyi gelişmiş gözenekli bir yapıya neden olur. Aktif karbondaki gözenekler çeşitli boyut ve şekillerde dağılmıştır. Ortaya çıkan aktif karbonun gözenek boyutu dağılımı esas olarak emprenye derecesinden etkilenir. Aktivasyon ve karbonizasyon koşulları, elde edilen aktif karbonun gözenek tipini etkileyen en kritik parametrelerdir.

Aktif karbonlar gözenek boyutlarına göre şu şekilde sınıflandırılır: makro gözenekler (>50 nm), mezo gözenekler (2-5 nm) ve mikro gözenekler (<2 nm). Mikro gözenekler ayrıca ultra mikro gözeneklere (<0,5 nm) ve ultra mikro gözeneklere (1-2 nm) bölünebilir. Mezogözenekler, adsorbat moleküllerinin mikro gözenekli ağdan geçmesi için yollar görevi görür. Makro gözenekler hiçbir amaca hizmet etmez ancak metal iyonlarının mezo gözeneklere ve mikro gözenekli yüzeylere yönlendirilmesine yardımcı olurlar. Aktif karbonun karakteristik gözenek boyutu dağılımı Şekil 2'de gösterilmektedir.

Demir için aktif karbonun çalışma durumu

Adsorpsiyon prosesi büyük ölçüde pH, sorbent dozajı, başlangıç konsantrasyonu, temas süresi ve sıcaklık gibi çeşitli kısıtlamalara bağlıdır. Bu parametrelerin demirin aktif karbon tarafından adsorpsiyonu üzerindeki etkisi, optimal koşulları belirlemek için ayrıntılı olarak incelenmiştir.

Aktif karbon, 2 ila 6 arasındaki çeşitli pH aralıklarında Fe(II) iyonlarını sulu fazdan çıkarmak için kullanıldı. pH<3'te çıkarma verimliliğinin en düşük olduğu bulundu. Çözeltinin pH değeri arttıkça giderim yüzdesi önemli ölçüde arttı ve maksimum giderim oranına pH5,0'da ulaşıldı.

Aktif karbon üzerinde adsorbe edilen demir miktarı temas süresiyle artar. Çözeltideki adsorban ve metal iyonları arasındaki yüksek itici kuvvet nedeniyle adsorpsiyon hızı ilk 90 dakikada hızlıydı.

Başlangıçta erişilebilen adsorpsiyon bölgeleri yavaşlar ve yaklaşık 150 dakika içinde dengeye ulaşır. Çalışma süresinin 6 saate uzatılmasının metal iyonlarının kalıntı konsantrasyonu üzerinde hiçbir etkisi olmamıştır; bu, 150 dakikada dengeye ulaşıldığını ve bu sürenin ötesinde demir iyonlarının birikmesinin sorbent içerisine difüzyonunu zorlaştırdığını göstermektedir. Difüzyon direnci, geliştirilmiş mikro gözenek dolgusu ile artar, bu da temas süresinin etkisiyle çelişir.

Metal iyonlarının uzaklaştırılması, kütle aktarımının bir etkisi olarak kabul edilebilecek, yüksek oranda konsantrasyona bağlı bir işlemdir. Adsorpsiyon, aktif karbon sorbent sınırındaki moleküllerin tek katmanlı kaplamasıyla düzenlenir.

Bu nedenle adsorpsiyon prosesi başlangıçta çok hızlıdır. Daha yüksek konsantrasyonlarda karbon yüzeyindeki boşluklar daha fazla adsorbatla çevrelenecektir. Bu nedenle, metal iyonları yalnızca aktif karbon adsorbanın çevresel yüzeyindeki tek tabaka tarafından adsorbe edilmedi, aynı zamanda aktif karbon parçacıklarının iç kısmına da yayıldı.

Çözüm

Aktif karbon adsorbe ederek demirin çevre üzerindeki etkisini ortadan kaldırır. Demir insanlar için önemli bir mineral olmasına rağmen, sudaki demir içeriğinin belli bir düzeyi aşması suyu içilemez hale getirerek çeşitli sağlık bozukluklarına yol açacaktır. İnsanlara güvenli içme suyu sağlamak evrensel bir insani ihtiyaçtır. Bu nedenle, güvenli içme suyu sağlamak amacıyla sudaki demiri uzaklaştırmak amacıyla su arıtımında aktif karbonun kullanılması için verimli ve uygun fiyatlı teknolojiler gereklidir.