Razvoj metoda i postupaka za uklanjanje arsena iz vode za piće

Abstract

Predmet istrazivanja ove disertacije je proučavanje fizičko-hemijskih procesa kojima se mogu ukloniti različiti oblici arsena iz voda koje se koriste za vodosnabdevanje. Za uklanjanje arsena iz vode primenjuju se razliciti postupci, u većoj ili manjoj meri efikasni. Izbor tehnologije prečišćavanja vode ne zavisi samo od efìkasnosti pojedinih postupaka već i od drugih faktora koji su podjednako važni za praktičnu implementaciju procesa u realnom sistemu za prečišćavanje vode. Zbog visoke efìkasnosti i jednostavnosti upravljanja procesom u realnim sistemima za prečišćavanje vode, eksperimentalna istraživanja u okviru ove doktorske disertacije su fokusirana na uklanjanje arsena iz vode adsorpcijom. Bez obzira na veliki broj komercijalnih sorbenata za uklanjanje arsena iz vode, iznalaženje novih, alternativnih materijala, jeftinih i dostupnih predstavlja naučni i stručni izazov u aktuelnim istraživanjima sorpcije arsena. Efikasnost uklanjanja arsena iz vode sorpcijom je ispitivana na nekonvencionalnim materijalima: prirodnim (zeolit, bentonit, sepiolit, limonit, piroluzit), otpadnim (otpadna šljaka, otpadni filtarski pesak) i modifikovanim (modifìkovana otpadna šljaka, kvarcni pesak i aktivni ugalj impregnisani gvožđe(lll)-hidroksidom). Pod istim uslovima paraleino su ispitivani komercijalni sorbenti radi poređenja rezultata. Uklanjanje arsena iz vode sorpcijom je ispitivana u tri faze: u šaržnom sistemu, protočnom sistemu i u realnom sistemu za prečišćavanje vode na konkretnom izvorištu. Dodatno, ispitivana je i mogućnost fizičkog modelovanja sorpcionih reaktora sa ispunom od sorbenata kompleksne fizičko-hemijske strukture metodologijom Rapid Small Scale Column Test (RSSCT). Najbolji rezultati u šaržnom sistemu dobijeni su sa otpadnim materijalima: 50 pg/g za otpadnu šljaku i 30 pg/g za otpadni filtarski pesak (za početne koncentracije arsena 0,5 mg/L), sto je u nivou vrednosti koje su dobijene za komercijalne sorbente. Zbog visokog sadržaja CaO, otpadna šijaka značajno povećava pH vrednost vode (pH= 11). Neutralizacijom otpadne šljake dobijen je nov materijal, modifìkovana otpadna šljaka, većeg sorpcionog kapaciteta: 55 pg/g. I u protočnom sistemu najbolji rezultati su dobijeni na otpadnoj šljaci. Za početne koncentracije arsena u vodi 0,5 mg/L, radni kapacitet šljake (do proboja MDK za arsen, 10 pg/g) je oko 10 pg/g a otpadnog filtarskog peska oko 1 pg/g. Radni kapacitet komercijalnog sorbenta na bazi granularnog gvožđe(lll)-hidroksida je oko 35 pg/g. Ispitivanja u konkretnom realnom sistemu za vodosnabdevanje, gde su ulazne koncentracije arsena nekoliko puta vece od MDK, su pokazala da sorpcija na otpadnom filtarskom pesku i komercijalnom GFH ne predstavlja održivo rešenje za uklanjanje arsena ispod MDK zbog relativno kratkog veka trajanja sorbenata. Za početne koncentracije arsena u sirovoj vodi vece od 40 pg/L, uklanjanje arsena iz vode sorpcijom bez prethodnog predtretmana nije održivo rešenje na postrojenjima malog kapaciteta. Istraživanja su pokazala da primena kućnih filtara sa ispunom od otpadnog peska i komercijalnog GFH, za prečišćavanje vode za piće i kuvanje u individualnim domaćmstvima mogu predstavljati održivo rešenje u sistemima za vodosnabdevanje gde nisu primenjive složenije tehnike prečišćavanja.

The subject of this thesis is to study physical and chemical processes that can remove various forms of arsenic from drinking water. Due to the high efficiency and simplicity of process control, experimental research in this dissertation is focused on arsenic removal from water by adsorption. Efficiency of arsenic removal from water by adsorption is investigated with: natural materials (zeolite, bentonite, sepiolite, limonite, pyrolusite), waste materials (waste iron slag, waste sand filter) and modified materials (neutralized waste iron slag, iron(III)-hydroxide coated sand and activated carbon). Investigations are conducted in the batch reactor, the continuous flow reactor and in a real water supply system on the pilot model. Waste iron slag and waste filter sand exhibited equilibrium sorption capacities of 50 µg/g and 30 µg/g, respectively, which is nearly equal to values obtained for the commercial sorbents. In order to minimize its deteriorating impact on the initial water quality, the waste iron slag was neutralized. The new, modified waste iron slag exhibited the highest sorption capacity, 55 µg/g. The highest adsorption capacities in continuous flow reactor were obtained for waste iron slag as well. Operational capacity exhibited by waste iron slag and waste filter sand were 10 µg/g and 1 µg/g, respectively.Higher capacities were obtained with commercial granular ferry(III)-hydroxide, 35 µg/g. Investigations in real water supply system have shown that adsorption, with no pretreatment applied, is not sustainable treatment solution when initial arsenic concentration exceeds 40 µg/L. Adsorption is considered as a tertiary water treatment, designed for fine water quality adjustment. Arsenic removal by adsorption applied with initial arsenic concentrations several times higher than MCL, will lead to a fast exhaustion and frequent replacements of adsorption media.