Investigation of mass transfer phenomenna during sorption of Cu (II)-ions onto inorganic sorbents
Year: 2012
Type: dissertation
Abstract: Datum odbrane: __________________ Ova doktorska disertacija urađena je u okviru Instituta za nuklearne nauke "Vinča", u Laboratoriji za zaštitu od zračenja i zaštitu životne sredine, kojoj dugujem zahvalnost na finansijskoj pomoći.Zahvaljujem se mentoru, dr Srđanu Pejanoviću, vanrednom profesoru TMF-a , u Beogradu na korisnim savetima i velikom angažovanju na obradi rezultata koji se odnose na fenomene prenosa mase i pomoći pri pisanju teze.Posebnu zahvalnost dugujem dr Ivani Smičiklas, višem naučnom saradniku iz INN "Vinča" na korisnim savetima i neizmernoj pomoći u planiranju eksperimenata, pisanju teze i publikacija i stalnom podsticanju na rad.Ovom prilikom se zahvaljujem i dr Željku Grbavčiću, redovnom profesoru TMFa, u Beogradu, kao i dr Iliji Plećašu, naučnom savetniku INN "Vinča", na korisnim savetima i sugestijama tokom pisanja teze.Na kraju, od srca zahvaljujem mojoj porodici, naročito roditeljima, na beskrajnom poverenju i strpljenju.Istraživanje fenomena prenosa mase pri sorpciji Cu(II)-jona neorganskim sorbentima REZIME Predmet rada ove doktorske disertacije je bio ispitivanje sorpcije Cu (II)-jona sintetičkim HAP-om i prirodnim sorbentima zeolitom, glinom i dijatomitom, u cilju definisanja ravnoteže i kinetike procesa pri različitim uslovima.Fizičko-hemijska karakterizacija je pokazala da se sintetički HAP sastoji od čistog nestehiometrijskog, kalcijum deficitarnog, kalcijum-hidroksiapatita, zeolit od klinoptilolita, dok je glina kompozit ilita, kaolinita i montmorilonita.Glavna faza u dijatomitu je amorfni silicijum-dioksid.Takođe, HAP i zeolit su okarakterisani kao mezoporozni sorbenti specifičnih površina 58 m 2 /g i 23 m 2 /g, redom, dok su se glina i dijatomit pokazali neporozni, nižih specifičnih površina od 8 m 2 /g i 5 m 2 /g.Definisana je pH PZC koja iznosi 6,6 za HAP, glinu i dijatomit, dok je kod zeolita nešto viša i iznosi 7,5.Dobijene vrednosti pH PZC HAP-a, gline i zeolita su u dobroj saglasnosti sa literaturom, dok pH PZC dijatomita do sada nije objavljena.Ispitivanjem uticaja inicijalne pH vrednosti rastvora na ravnotežu, pokazano je da se finalne pH vrednosti razlikuju u zavisnosti od ispitivanog sorbenta.Generalno, ravnotežne pH vrednosti najviše rastu sa porastom inicijalnih pH rastvora u oblasti 2 -4.Oblast platoa, u kome su finalne pH vrednosti nezavisne od inicijalnih i koja ukazuje na puferska svojstva sorbenata, zavisi od vrste sorbenta i koncentracije jona metala u rastvoru.Dalje povećanje polaznih pH prouzrokuje porast i finalnih.Krive zavisnosti sorbovane količine od inicijalnih pH su istog oblika kao i krive pH finalno-pH inicijalno, što se objašnjava povećanom rastvorljivoću sorbenata ili njihovih komponenti i kompeticijom Cu(II) i H + jona u jako kiselim rastvorima.Porast finalnih pH iznad 6 dovodi do precipitacije bakar -hidroksida što rezultira 100% uklanjanjem jona metala iz rastvora.Maksimalni sorpcioni kapaciteti prema Cu(II)-jonima, na sobnoj temperaturi, opadaju u nizu: HAP (0,585 mmol/g) > zeolit (0,128 mmol/g) > glina (0,098 mmol/g) > dijatomit (0,047 mmol/g).U datim eksperimentima je utvrđen pad pH vrednosti rastvora u odnosu na početnu, što ukazuje na postojanje mehanizma specifične sorpcije, koji je najdominantniji tokom sorpcije na dijatomitu.Za vezivanje jona metala ispitivanim materijalima, odgovoran je i mehanizam jonske izmene, gde se Cu(II)-joni izmenjuju sa Ca 2+ jonima sa površine HAP-a, odnosno sa jonima Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ sa površine prirodnih sorbenata.Stabilnost sistema sorbent/jon metala je ispitana u kiselom rastvoru za izluživanje i zavisi od vrste sorbenta, kao i prethodno sorbovane količine Cu(II)-jona.Sa porastom sorbovane količine na uzorcima HAP-a i dijatomejske zemlje, raste i procenat desorbovane količine, dok desorpcija sa zeolita i gline pokazuje suprotan trend -u kiseloj sredini su stabilniji uzorci sa većom sorbovanom količinom jona metala.Ako posmatramo desorbovanu količinu izraženu u mmol/g ili mg/g, ona je veća na uzorcima koji su više zasićeni, nezavisno od vrste sorbenta.Kinetika procesa je ispitana u različitim šaržnim sistemima.Prvi sistem su pojedinačne šarže sa mešanjem na horizontalnom šejkeru, gde je proces sorpcije ispitan u funkciji od početne koncentracije Cu(II)-jona na svim ispitanim sorbentima.Drugi šaržni sistem je sud sa mešalicom u kom je ispitana kinetika procesa sorpcije HAP-om i zeolitom u funkciji od koncentracije sorbata, mase sorbenta, brzine mešanja, a za zeolit i od granulacije sorbenta.Pokazano je da je sorpcija glinom i dijatomitom, kao neporoznim sorbentima, limitirana otporom u filmu fluida.Nasuprot tome, difuzija u filmu fluida tokom sorpcije na šejkeru HAP-om i zeolitom je značajna na početku procesa, tokom prvih 15 minuta.Vrednosti zapreminskog koeficijenta prenosa mase su izračunate Boyd-ovim modelom.Dobijene vrednosti k f •a su nezavisne od početne koncentracije Cu(II)-jona u rastvoru i variraju oko srednje vrednosti 0,046 1/min za HAP, 0,023 1/min za zeolit, 0,017 1/min za glinu i 0,031 1/min za dijatomit.Iz prethodno navedenog proizilazi da je k f •a kod neporoznih sorbenata funkcija veličine čestica, tj.najveći je za najsitnije čestice jer je i specifična površina veća.Primenom jednačina za difuziju u porama, pokazano je da efektivne difuzivnosti blago opadaju sa porastom c 0 za sorpciju HAP-om, dok za sorpciju zeolitom D eff nije funkcija c 0 .Zavisnost D eff od c 0 i nezavisnost k f a od c 0 kod HAP-a može se objasniti suprotnostrujnom difuzijom odlazećih katjona sa površine sorbenta, kao i elektrostatičkim odbijanjem istoimenih naelektrisanja koji su zanemarljivi u masi fluida, ali se ne mogu zanemariti u unutrašnjosti pora.Analizom rezultata sorpcije HAP-om u sudu sa mešanjem, dobijeno je da k f •a za prvih 10 minuta procesa ne zavisi od mase sorbenta i brzine mešanja, a blago opada sa porastom početne koncentracije metala u rastvoru, što je najverovatnije uslovljeno postojanjem otpora difuzije u porama.Nasuprot tome, k f •a izračunat za zeolit ne zavisi od mase sorbenta, kao ni početne koncentracije, ali raste sa porastom brzine mešanja i padom veličine čestica sorbenta.Efektivne difuzivnosti i kod HAP-a i kod zeolita ne zavise od mase sorbenta, kao ni brzine mešanja.D eff opada sa porastom c 0 usled postojanja suprotnostrujne difuzije u porama, a raste sa porastom veličine čestica.Kao krajnji zaključak, može se izvesti da je za procese sorpcije HAP-om i zeolitom na šejkeru u prvih 15 minuta limitirajući otpor u filmu fluida, a zatim difuzija u porama sorbenta, pri čemu se dešava sorpcija u mezoporama.Takođe, šejker ne obezbeđuje dovoljno efikasno mešanje, te su vrednosti k f a i D eff značajno niže od vrednosti dobijenih za sud sa mešanjem.Sorpcija HAP-om u sudu sa mešanjem je limitirana samo difuzijom u porama jer se difuzija u filmu fluida i zasićenje površine dešava skoro trenutno.Tokom sorpcije zeolitom u sudu sa mešanjem, prvih 10 minuta procesa značajan je otpor u filmu, a nakon toga otpor u porama sorbenta.
Author: Marija Sljivic-Ivanovic
Language: English
Subfield: Water Science and Technology
Field: Environmental Science
Domain: Physical Sciences
Open Access status: gold
OpenAlex ID: W4235741140