In the World the availability of the clean drinking water is a serious problem. The appearance of this problem is different in developed and developing countries. Even though water treatment technologies are widely studied and improved, the developing countries do not have the same economic capacities to utilize the sufficient treatment methods. This thesis concentrates on the utilization of secondary materials in water treatment as adsorbents. These materials are potential for the low-cost treatment of water.
For the testing of the secondary materials, two pollutants were chosen as model compounds: organic pharmaceutical diclofenac and inorganic arsenic As(V), since they have been recognized to be problematic in water treatment. Two industrial by-products were chosen as secondary materials to be tested as adsorbents. Sachtofer is a by-product from titanium dioxide TiO2 production and Red mud is a waste material originating from aluminium oxide Al2O3 production. Third material tested was sand from Brazil obtained via cooperation with the Federal Institute of Goias in Goiania, Brazil. In this thesis a commercial adsorbent CFH-12 (Kemira) was chosen as a reference material.
The literature part of the thesis contains theoretical considerations on the utilization of adsorption in water treatment. In addition the effect of organic and inorganic impurities in water bodies are discussed in a general level.
The experimental part of the thesis presents first the characterization results of the secondary materials. The specific surface areas (BET) were measured for all the secondary materials. The surface structures were studied with scanning electron microscopy (SEM). For some of the adsorbents, the pH of the point of zero charge was determined as well as the elemental composition with XRF. One part of this thesis concentrated on studying the effect of pre-treatment on the adsorption efficiency of the materials. In this case, the adsorption materials were washed with distilled water and treated with hydrochloric acid. The adsorption experiments were carried out as batch experiments.
Diclofenac concentration during the experiments was analyzed with spectrophotometry and HPLC. The best removal, i.e. 16% of diclofenac was achieved with HCl-activated Brazilian sand. With Red mud the HCl-activated sample was the most effective with 8% removal. The HCl-activated Sachtofer removed only 4% of diclofenac. The change in the arsenic concentration during the experiments was analyzed by ICP-MS. With Sachtofer, all three pre-treated samples removed 100% of arsenic. All Red mud and Brazilian sand samples were able to remove arsenic in significant amount. Though, after HCl-activation, the removal of arsenic was higher giving 98% for Red mud and 100% for the Brazilian sand.
The diclofenac removal was assumed to be difficult and the 16% removal was a quite good result. The problem seems to be too high pH. By adjusting pH to a lower level, the higher removal efficiency might be achievable. All arsenic removal results were promising, and with all the material samples the removal was higher than 90%. These results confirm that the secondary materials are potential adsorbents for in water treatment. With certain adsorbents, the removal was high even without any pre-treatment. This is economically interesting possibility that should be studied more, especially due to the possibility of improving the water treatment in developing countries. / Puhtaan juomaveden puute on todellinen ongelma maailmassa. Se on ongelma jossa erityisesi kehittyvät ja kehittyneet maat ovat eriarvoisessa asemassa. Vaikka vedenpuhdistusprosesseja tutkitaan paljon ja ne ovat pitkälle kehittyneitä, ei kehittyvillä mailla ole välttämättä taloudellisia resursseja hyödyntää riittävää vedenpohditus tekniikkaa. Tässä työssä on tutkittu kierrätysmateriaalien hyötykäyttöä adsorbentteinä vedenpuhdistuksessa.
Puhdistettaviksi malliaineeksi valittiin orgaaninen lääkeaine diklofenakki sekä epäorgaaninen arseeni As(V), koska niiden on havaittu aiheuttavan ongelmia nykyisissä vedenpuhdistusprosesseissa. Adsorptiomateriaaleina tässä työssä käytettiin teollisuuden sivutuotteina syntyneitä Sachtoferia joka on titaanidioksidin valmistuksen sivutuote, sekä punaliejua, joka alumiinioksidin valmistuksessa syntynyttä jätemateriaalia. Kolmantena materiaalina testattiin Brasilialaista -hiekkaa, jota saatiin tutkimustarkoituksiin yhteistyön kautta, Federal Institute of Goias, Goiania, Brasilia toimittamana. Työhön haluttiin valita myös yksi kaupallinen adsorptiomateriaali joka toimisi referenssimateriaalina, ja tämän vuoksi valitsimme adsorptiomateriaaliksi Kemiran CFH-12 -tuotteen.
Työn kirjallisuus osiossa selvitetään adsorption teoriaa sekä sen hyödyntämistä vesienpuhdistuksessa. Myös orgaanisen ja epäorgaanisten haitta-aineiden vaikutuksia veden laatuun tarkastellaan yleisellä tasolla.
Kokeellisen osan alussa työssä käytettyjen adsorbenttien ominaisuuksia tutkittiin erilaisilla menetelmillä, joilla arvioitiin materiaalien kykyä adsorboida malliaineita. Materiaaleille määritettiin mm. pH jossa materiaalin pintavaraus on nolla (point of zero charge). Lisäksi materiaaleille tehtiin BET-analyysi ominaispinta-alan selvittämiseksi ja niiden pintaa ja rakennetta tutkittiin elektronimikroskoopilla. Osalle aineista tehtiin myös alkuaineanalyysi. Työssä haluttiin myös tutkia vaikuttaisiko materiaalien esikäsittely adsorptiotehokkuuteen. Tämän vuoksi adsorptiomateriaaleja pestiin tislatulla vedellä sekä käsiteltiin suolahapolla. Adsorptiokokeet toteutettiin laboratoriomittakaavassa panoskokeina.
Diklofenakin pitoisuutta seurattiin kokeen aikana spektrofotometrillä sekä HPLC analyysi menetelmällä. Paras tulos diklofenakin poistossa saatiin HCl -aktivoidulla Brasilialaisella hiekalla, jolloin poistuma oli 16 %. Punaliejulla käsitellyistä näytteistä paras poistuma, 8 %, saatiin myös HCl -aktivoidulla näytteellä. HCl -aktivoidulla Sachtoferilla poistuma oli vain 4 %. Arseenin pitoisuuden muutosta kokeen aikana analysoitiin ICP-MS menetelmällä. Kaikkilla kolmella Sachtofer -näytteellä arseenin poistuma oli 100 %. Kaikki punalieju ja Brasilialainen hiekka näytteet adsorboivat arseenia merkittävästi. Kuitenkin HCl -käsitellyillä näytteillä poistuma oli paras, punaliejulle 98 % ja Brasilialaiselle hiekalle 100 %.
Diklofenakin poistamisen vedestä oletettiin olevan haastavaa, ja saavutettu 16 % poistuma oli hyvä tulos. Ongelmana diklofenakin poistossa oli todennäköisesti liian korkea pH ja mikäli pH:ta onnistutaan säätämään enemmän happamaksi, poistuma voisi olla korkeampi. Arseenin adsorptio kokeiden tulokset olivat todella lupaavia, ja kaikilla materiaaleilla poistuma oli vähintään 90 %. Näiden tulosten perusteella voidaan todeta että kierrätysmateriaalit ovat hyvin potentiaalinen vaihtoehto vedenkäsittelyadsorbenteiksi. Osa materiaaleista toimi arseenin poistossa tehokkaasti myös ilman esikäsittelyä. Tämä on taloudelliselta kannalta mielenkiintoinen tulos, jota tulisi tutkia lisää, erityisesti kehittyvien maiden vedenpuhdistuksen tehokkuuden parantamiseksi.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:oulo.fi/oai:oulu.fi:nbnfioulu-201702071114 |
| Date | 13 February 2017 |
| Creators | Välikangas, T. (Taru) |
| Publisher | University of Oulu |
| Source Sets | University of Oulu |
| Language | English |
| Detected Language | Finnish |
| Type | info:eu-repo/semantics/masterThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, © Taru Välikangas, 2017 |
Page generated in 0.0031 seconds