ЗАСТОСУВАННЯ СОРБЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ ЗОЛИ ВИНОСУ ТЕС У ПРОЦЕСАХ КОНДИЦІОНУВАННЯ ВИСОКОМІНЕРАЛІЗОВАНИХ СТІЧНИХ ВОД
DOI:
https://doi.org/10.31319/2519-2884.42.2023.20Ключові слова:
цеоліт, адсорбція, шахтні води, зола виносу, вугільні відходиАнотація
У роботі запропоновано ресурсозберігаючу технологію сумісної утилізації двох видів багатотоннажних відходів вугільної галузі — золи виносу ТЕС і кислотних дренажних стоків вугільних шахт. На основі цих двох відходів методом гідротермальної активації було синтезовано високоефективний неорганічний матеріал з сорбційними властивостями цеоліту. Встановлено, що поглинання важких металів синтезованим матеріалом складається в основному з процесів іонообміну та адсорбції, що супроводжується осадженням, особливо при високих початкових концентраціях іонів металу. Основні параметри, які впливають на утримування металу, включають ступінь гідратації іонів металу, хімічний склад розчину, величину мікропор цеоліту та міцність кисневих зв’язків між металом і адсорбентом. Збільшення значення кислотності (рН) при внесенні цеоліту у стічні води може було викликано одночасним поглинанням іонів водню цеолітом і його гідролізом (розчиненням). Показано, що оптимальний період досягнення адсорбційної рівноваги становить приблизно 60 хв. Підвищення температури призводить до збільшення поглинання металів, при цьому адсорбція Sr2+ була утруднена присутністю конкуруючого іона Ca2+; тоді як на сорбцію Al3+ та Fe3+ негативно впливала присутність Ca2+ і Mg2+. Аніонні полютанти були вилучені за рахунок утворення комплексів на поверхні сорбційного матеріалу. В результаті очищення, арсен було видалено нижче рівня ГДК для технічної води. Синтезований матеріал продемонстрував значну селективність до високотоксичних металів, зокрема хрому і ртуті.
Посилання
Грабітченко В. М. Комплексна переробка високомінералізованих стоків в екологічно безпеченому промисловому водоспоживанні : автореф. дис. канд. техн. наук : 21.06.01. Київ, 2017, 20 с.
Sharshir S. W. et al. New hydrogel materials for improving solar water evaporation, desalination and wastewater treatment: A review. Desalination. 2020. Т. 491. Art. no. 114564. https://doi.org/10.1016/j.desal.2020.114564
Masindi V. et al. Challenges and avenues for acid mine drainage treatment, beneficiation, and valorisation in circular economy: A review. Ecological engineering. 2022. Т. 183. Art. no. 106740. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2022.106740
Gupta V. et al. Study on the mineral phase characteristics of various Indian biomass and coal fly ash for its use in masonry construction products. Construction and Building Materials. 2020. Т. 235. Art. no. 117413. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117413
Dindi A. et al. Applications of fly ash for CO2 capture, utilization, and storage. Journal of CO2 Utilization. 2019. Т. 29. C. 82–102. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2018.11.011
Mikyskova E. et al. Equilibrium, kinetic and thermodynamic study of Pb2+ removal from aqueous solution by waste brick dust. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2022. Т. 634. Art. no. 127939. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.127939
Tauanov Z., Azat S., Baibatyrova A. A mini-review on coal fly ash properties, utilization and synthesis of zeolites. International Journal of Coal Preparation and Utilization. 2022. Т. 42. №. 7. С. 1968–1990. https://doi.org/10.1080/19392699.2020.1788545
Ndlovu N. Z. N. et al. Synthesis and characterisation of pure phase ZSM-5 and sodalite zeolites from coal fly ash. Materials Today Communications. 2023. Т. 34. Art. no. 105436. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.105436
Ighalo J. O. et al. A review of treatment technologies for the mitigation of the toxic environmen-tal effects of acid mine drainage (AMD). Process Safety and Environmental Protection. 2022. Т. 157. С. 37–58. https://doi.org/10.1016/j.psep.2021.11.008
Jiang C. et al. A hydrochemical and multi-isotopic study of groundwater sulfate origin and contribution in the coal mining area. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2022. Т. 248. Art. no. 114286. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.114286
Sánchez-España J. et al. Fe (III) Biomineralization in the Surface Microlayer of Acid Mine Wa-ters Catalyzed by Neustonic Fe (II)-Oxidizing Microorganisms. Minerals. 2023. Т. 13. №. 4. Art. no. 508. https://doi.org/10.3390/min13040508
Ogden D. D., Trembly J. P. Desalination of hypersaline brines via Joule-heating: Experimental investigations and comparison of results to existing models. Desalination. 2017. Т. 424. С. 149–158. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017.10.006
Masjedi M. R. et al. Post-consumption waterpipe tobacco waste as an unrecognized source of tox-ic metal (loid) s leachates into aquatic environments. Science of The Total Environment. 2023. Т. 879. Art. no. 163207. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.163207
Shumilova O. et al. Impact of the Russia–Ukraine armed conflict on water resources and water infrastructure. Nature Sustainability. 2023.С.1–9. https://doi.org/10.1038/s41893-023-01068-x
Hu X. et al. Treatment and recovery of iron from acid mine drainage: A pilot-scale study. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2022. Т. 10. №. 1. Art. no. 106974. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.106974
Ye S. et al. Effect of temperature on mixing and separation of stirred liquid/liquid dispersions over a wide range of dispersed phase fractions. Chemical Engineering Science. 2023. Т. 274. Art. no. 118676. https://doi.org/10.1016/j.ces.2023.118676
Sarker S. K. et al. Recovery of strategically important critical minerals from mine tailings. Jour-nal of Environmental Chemical Engineering. 2022. Т. 10. №. 3. Art. no. 107622. https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.107622
Li Z. H. et al. Fouling characteristic of reverse osmosis membrane for reclaimed water treatment operating under cold winter condition. Desalination. 2023. Т. 549. Art. no. 116309. https://doi.org/10.1016/j.desal.2022.116309
Ochedi F. O., Liu Y., Hussain A. A review on coal fly ash-based adsorbents for mercury and arsenic removal. Journal of cleaner production. 2020. Т. 267. Art. no. 122143. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122143
Somerset V., Petrik L., Iwuoha E. Alkaline hydrothermal conversion of fly ash filtrates into zeo-lites 2: Utilization in wastewater treatment. Journal of Environmental Science and Health, Part A. 2005. Т. 40. №. 8. С. 1627–1636. https://doi.org/10.1081/ESE-200060675
Манойленко Д. А., Єлатонцев Д. О., Гуляєв В. М. Екохімічні проблеми комплексної утиліза-ції високомінералізованих стічних вод та золи виносу ТЕС. Formation of innovative potential of world science: collection of scientific papers «SCIENTIA» with Proceedings of the IV International Scientific and Theoretical Conference, December 23, 2022. Tel Aviv, State of Israel: European Scientific Platform. C. 74–76. https://doi.org/10.36074/scientia-23.12.2022
Умланд Ф., Янсен А., Тириг Д., Вюнш Г. Комплексные соединения а аналитической химии. Теория и практика применения. Москва : МИР, 1975. 531 с.
Akgül M., Karabakan A. Promoted dye adsorption performance over desilicated natural zeolite. Microporous and Mesoporous Materials. 2011. Т. 145. №. 1–3. С.
–164. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2011.05.012
Abbas Q. et al. Transformation pathways and fate of engineered nanoparticles (ENPs) in distinct interactive environmental compartments: A review. Environment international. 2020. Т. 138. Art. no. 105646. https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.105646
Uliana A. A. et al. Ion-capture electrodialysis using multifunctional adsorptive membranes. Science. 2021. Т. 372. №. 6539. С. 296–299. https://doi.org/10.1126/science.abf5991
Álvarez-Ayuso E. Stabilization and encapsulation of arsenic-/antimony-bearing mine waste: Overview and outlook of existing techniques. Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 2022. Т. 52. №. 20. С. 3720–3752. https://doi.org/10.1080/10643389.2021.1944588
Annaduzzaman M. et al. Sequential Fe2+ oxidation to mitigate the inhibiting effect of phosphate and silicate on arsenic removal. Groundwater for Sustainable Development. 2022. Т. 17. Art. no. 100749. https://doi.org/10.1016/j.gsd.2022.100749
Charykova M. V. et al. Thermodynamics of arsenates, selenites, and sulfates in the oxidation zone of sulfide ores: Part III: Eh-pH diagrams of the Me-As-H2O systems (Me = Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Pb) at 25°C. Geology of Ore Deposits. 2011. Т. 53. С. 501–513. https://doi.org/10.1134/S1075701511070051
Hrabitchenko, V.M. (2017). Kompleksna pererobka vysokomineralizovanykh stokiv v ekolo-hichno bezpechenomu promyslovomu vodospozhyvanni [Complex processing of highly mineralized wastewater in ecologically safe industrial water consumption]. Extended abstract of candidate’s thesis. Kyiv: KPI [in Ukrainian]
Sharshir, S.W., Algazzar, A.M., Elmaadawy, K.A., Kandeal, A.W., Elkadeem, M.R., Arunkumar, T., ... & Yang, N. (2020). New hydrogel materials for improving solar water evaporation, desalination and wastewater treatment: A review. Desalination, 491, 114564.
Masindi, V., Foteinis, S., Renforth, P., Ndiritu, J., Maree, J.P., Tekere, M., & Chatzisymeon, E. (2022). Challenges and avenues for acid mine drainage treatment, beneficiation, and valorisation in circular economy: A review. Ecological engineering, 183, 106740.
Gupta, V., Pathak, D.K., Siddique, S., Kumar, R., & Chaudhary, S. (2020). Study on the mineral phase characteristics of various Indian biomass and coal fly ash for its use in masonry construction products. Construction and Building Materials, 235, 117413.
Dindi, A., Quang, D.V., Vega, L.F., Nashef, E., & Abu-Zahra, M.R. (2019). Applications of fly ash for CO2 capture, utilization, and storage. Journal of CO2 Utilization, 29, 82–102.
Mikyskova, E., Dousova, B., Mikysek, P., Lhotka, M., & Kolousek, D. (2022). Equilibrium, kinetic and thermodynamic study of Pb2+ removal from aqueous solution by waste brick dust. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 634, 127939.
Tauanov, Z., Azat, S., & Baibatyrova, A. (2022). A mini-review on coal fly ash properties, utilization and synthesis of zeolites. International Journal of Coal Preparation and Utilization, 42(7), 1968–1990.
Ndlovu, N.Z., Ameh, A.E., Petrik, L.F., & Ojumu, T.V. (2023). Synthesis and characterisation of pure phase ZSM-5 and sodalite zeolites from coal fly ash. Materials Today Communications, 105436.
Ighalo, J.O., Kurniawan, S.B., Iwuozor, K.O., Aniagor, C.O., Ajala, O.J., Oba, S.N., ... & Igwegbe, C.A. (2022). A review of treatment technologies for the mitigation of the toxic environmental effects of acid mine drainage (AMD). Process Safety and Environmental Protection, 157, 37–58.
Jiang, C., Cheng, L., Li, C., & Zheng, L. (2022). A hydrochemical and multi-isotopic study of groundwater sulfate origin and contribution in the coal mining area. Ecotoxicology and Environmental Safety, 248, 114286.
Sánchez-España, J., Ilin, A. M., Yusta, I., van der Graaf, C. M., & Sánchez-Andrea, I. (2023). Fe (III) Biomineralization in the Surface Microlayer of Acid Mine Waters Catalyzed by Neustonic Fe (II)-Oxidizing Microorganisms. Minerals, 13(4), 508.
Ogden, D.D., & Trembly, J.P. (2017). Desalination of hypersaline brines via Joule-heating: Experimental investigations and comparison of results to existing models. Desalination, 424, 149–158.
Masjedi, M.R., Arfaeinia, H., Dobaradaran, S., Keshtkar, M., Soleimani, F., Novotny, T.E., & Torkshavand, Z. (2023). Post-consumption waterpipe tobacco waste as an unrecognized source of toxic metal (loid) s leachates into aquatic environments. Science of The Total Environment, 163207.
Shumilova, O., Tockner, K., Sukhodolov, A., Khilchevskyi, V., De Meester, L., Stepanenko, S., ... & Gleick, P. (2023). Impact of the Russia–Ukraine armed conflict on water resources and water infrastructure. Nature Sustainability, 1–9.
Hu, X., Yang, H., Tan, K., Hou, S., Cai, J., Yuan, X., ... & Yan, S. (2022). Treatment and recovery of iron from acid mine drainage: A pilot-scale study. Journal of Environmental Chemical Engineering, 10(1), 106974.
Ye, S., Hohl, L., Charlafti, E., Jin, Z., & Kraume, M. (2023). Effect of temperature on mixing and separation of stirred liquid/liquid dispersions over a wide range of dispersed phase fractions. Chemical Engineering Science, 118676.
Sarker, S. K., Haque, N., Bhuiyan, M., Bruckard, W., & Pramanik, B. K. (2022). Recovery of strategically important critical minerals from mine tailings. Journal of Environmental Chemical Engineering, 107622.
Li, Z. H., Ni, G. W., Wang, J. L., Zhou, L., Yang, Q., Li, P. Z., ... & Bi, X. J. (2023). Fouling characteristic of reverse osmosis membrane for reclaimed water treatment operating under cold winter condition. Desalination, 549, 116309.
Ochedi, F.O., Liu, Y., & Hussain, A. (2020). A review on coal fly ash-based adsorbents for mercury and arsenic removal. Journal of cleaner production, 267, 122143.
Somerset, V., Petrik, L., & Iwuoha, E. (2005). Alkaline hydrothermal conversion of fly ash filtrates into zeolites 2: Utilization in wastewater treatment. Journal of Environmental Science and Health, Part A, 40(8), 1627–1636.
Manoylenko, D.A., Yelatontsev, D.O., & Hulyayev, V.M. (2022). Ekokhimichni problemy komplek-snoyi utylizatsiyi vysokomineralizovanykh stichnykh vod ta zoly vynosu TES [Ecochemical problems of complex utilization of highly mineralized wastewater and TPP waste ash]. Formation of innovative potential of world science: collection of scientific papers «SCIENTIA» with Proceedings of the IV International Scientific and Theoretical Conference, Tel Aviv, State of Israel: European Scientific Platform. 74-76. [in Ukrainian]
Umland, F., Yansen, A., Tirig, D., & Vyunsh, G. (1975). Kompleksnyye soyedineniya a analitiche-skoy khimii. Teoriya i praktika primeneniya [Complex compounds in analytical chemistry. Theory and practice of application] Moskva: MIR [in Russian]
Akgül, M., & Karabakan, A. (2011). Promoted dye adsorption performance over desilicated natural zeolite. Microporous and Mesoporous Materials, 145(1-3), 157-164.
Abbas, Q., Yousaf, B., Ali, M.U., Munir, M. A. M., El-Naggar, A., Rinklebe, J., & Naushad, M. (2020). Transformation pathways and fate of engineered nanoparticles (ENPs) in distinct interactive environmental compartments: A review. Environment international, 138, 105646.
Uliana, A.A., Bui, N. T., Kamcev, J., Taylor, M.K., Urban, J.J., & Long, J.R. (2021). Ion-capture electrodialysis using multifunctional adsorptive membranes. Science, 372(6539), 296–299.
Álvarez-Ayuso, E. (2022). Stabilization and encapsulation of arsenic-/antimony-bearing mine waste: Overview and outlook of existing techniques. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 52(20), 3720–3752.
Annaduzzaman, M., Rietveld, L.C., Hoque, B. A., & van Halem, D. (2022). Sequential Fe2+ oxidation to mitigate the inhibiting effect of phosphate and silicate on arsenic removal. Groundwater for Sustainable Development, 17, 100749.
Charykova, M.V., Krivovichev, V.G., Yakovenko, O.S., & Depmeier, W. (2011). Thermodynamics of arsenates, selenites, and sulfates in the oxidation zone of sulfide ores: Part III: Eh-pH diagrams of the Me-As-H2O systems (Me= Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Pb) at 25° C. Geology of Ore Deposits, 53, 501–513.
