Nanofibrilloitu selluloosa adsorbenttina resurssiviisaassa vesienkäsittelyssä : adsorptiokyky ja -mekanismit
| Title: | Nanofibrilloitu selluloosa adsorbenttina resurssiviisaassa vesienkäsittelyssä : adsorptiokyky ja -mekanismit |
| Author(s): | Heinonen, Reija |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences |
| Degree program: | Master's Programme in Environmental Change and Global Sustainability |
| Specialisation: | Environmental Change |
| Language: | Finnish |
| Acceptance year: | 2020 |
| Abstract: |
Sulfidimineraalien louhinnassa syntyy suuria määriä happamia ja metallipitoisia prosessivesiä, jotka ovat käsittelemättöminä ympäristölle haitallisia. Perinteisesti vedet neutraloidaan ja metallit saostetaan alkalikäsittelyllä. Käsittelyn seurauksena syntyy suuria määriä käyttökelvotonta sakkaa, jonka mukana menetetään myös arvokkaita metalleja. Adsorbentit, kuten nanofibrilloitu selluloosa (NFC), ovat saostuskemikaaleja kestävämpi ratkaisu vesien käsittelemiseksi ja ympäristön suojelemiseksi. Selluloosa on luonnon yleisin polymeeri ja NFC:aa voidaan valmistaa mm. puu- ja paperiteollisuuden sivuvirroista kiertotalousajattelun mukaisesti. NFC:n on osoitettu voivan pidättää haitta-aineita sekä puhtaista metallisuolaliuoksista että kaivosteollisuuden happamista prosessivesistä.
Adsorptiomekanismien ja -voimakkuuden tunteminen on edellytys NFC-adsorbenttien kehittämiselle ja niiden tehokkaalle ja resurssiviisaalle käytölle osana vesienkäsittelyä. Aikaisemmissa tutkimuksissa NFC:n on havaittu pidättävän vesistä samanaikaisesti huomattavia määriä sekä metallikationeja että sulfaattianioneja. Mekanismeja, joilla NFC pidättää ioneja metallipitoisuuksiltaan korkeista prosessivesistä ei kuitenkaan tunneta vielä kunnolla. Tässä opinnäytetyössä tutkittiin anionisoidun NFC:n kykyä adsorboida metallikationeja ja niiden vasta-anioneja väkevistä metallisuolaliuoksista. Tutkimukseen valittiin aikaisempien tutkimusten perusteella viisi kemiallisilta ominaisuuksiltaan erilaista kationia: Na⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Al³⁺ ja Fe³⁺. Adsorptiomekanismien selvittämiseksi suoritettiin adsorptiokoe metallipitoisuuksiltaan kasvavilla (0–800 mM) sulfaatti- ja kloridiliuoksilla. Eri suoloilla haluttiin tarkastella vasta-anionien mahdollista vaikutusta kationien adsorptioon. Kationien adsorptiota NFC-geeliin mallinnettiin Freundlichin adsorptioisotermin avulla, minkä lisäksi laskettiin sekä kationien että anionien suhteelliset poistumat liuoksista.
NFC pidätti yhtä tehokkaasti kaikkia metallikationeja niiden erilaisista ominaisuuksista ja liuosten pH-arvoista riippumatta. NFC-käsittelyllä saavutetut metallien ja anionien suhteelliset poistumat liuoksista olivat keskimäärin noin 14–20 %. Vaikka suhteellinen poistuma jäi melko alhaiseksi, pidättyneet metallimäärät (mmol/g kuiva-ainetta) olivat moniin aikaisempiin tutkimuksiin verrattuna jopa kymmenkertaisia. Pidättyminen heikentyi lisäysliuosten pitoisuuksien kasvaessa vain vähän ja kaikki metallit pidättyivät lähes lineaarisesti koko pitoisuusalueella. Tulosten perusteella on todennäköistä, että suurissa metallisuolapitoisuuksissa kationit adsorboituvat NFC:aan epäspesifisesti heikoilla vuorovaikutuksilla, jolloin adsorption luonne on lähempänä fysikaalista kuin kemiallista adsorptiota. Kationien positiivisen varauksen mukana adsorptiopinnalle pidättyi myös vastaava määrä negatiivista varausta anionien muodossa, joten anionien adsorption todettiin olevan elektrostaattista.
Mining of sulfide minerals produces acidic effluents rich in soluble metals and sulfate. The effluents pose a risk to the environment and must therefore be treated prior to their release. Conventionally, effluents are neutralized, and remaining metals are precipitated as hydroxides by means of alkaline minerals or industrial chemicals. The process leads to a formation of large amounts of disposable sludge containing valuable metals. Efforts are needed for more sustainable and resource efficient water treatment in the spirit of circular economy. Nanofibrillated cellulose (NFC) adsorbents are a promising and sustainable alternative to conventional treatments as cellulose is the most abundant natural polymer. In addition, NFC can be prepared from industrial byproducts and its surface properties can easily be modified to adsorb pollutants with different chemical properties.
Understanding the adsorption mechanisms is essential for the rational development and use of NFC in water treatment and environmental protection in the future. Based on previous studies, anionic NFC retains metal cations and sulfate anions simultaneously from aqueous solutions. However, the adsorption mechanisms in conditions comparable to e.g. authentic mining water with high metal salt concentrations are poorly understood. In this Master’s Thesis work, adsorption experiments with pure metal salt solutions of increasing metal concentrations (0-800 mM) were carried out to investigate the adsorption mechanisms of metal cations and anions. Based on previous studies five cations with different chemical properties were chosen: Na⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Al³⁺ ja Fe³⁺. The adsorption was examined in both metal chloride and sulfate solutions to also elucidate the co-adsorption of counter ions and their possible effects on metal adsorption on NFC. The Freundlich adsorption isotherm model was utilized to analyze the adsorption of metals. In addition, removal percentages were calculated for both metal cations and their counter anions.
NFC was observed to retain all metal cations equally regardless of their different properties and pH-values of the metal salt solutions. The removal percentage of both cations and anions ranged mainly between 14–20 % and the removal capacity of NFC decreased only slightly with increasing initial concentrations. No remarkable differences were observed in the adsorption isotherms of different metals and the adsorption was almost linear in the whole concentration range. Despite the relatively low removal percentages, the amounts of metals adsorbed by NFC (mmol/g dry weight) were tenfold compared to those previously obtained in many studies. According to the results, NFC adsorbed cations non-specifically with weak interactions and the dominating adsorption mechanism resembles physical rather than chemical adsorption. Upon the adsorption of cations, an equal amount of negative charge was co-adsorbed and hence the adsorption of anions was deemed electrostatic in nature.
|
| Keyword(s): | adsorptio adsorptiomekanismit nanofibrilloitu selluloosa metallit vesienkäsittely kiertotalous |
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| Heinonen_Reija_Pro_gradu_2020.pdf | 1.582Mb |