Využití biocharu modifikovaného železem pro záchyt arsenu a antimonu z kontaminovaých vod

Bc. Tereza Dudková

Master's thesis

The use of biochar modified with iron for sorption of arsenic and antimony from contaminated waters

Abstract:

Znečištění vod arsenem (As) a antimonem (Sb) je globální problém, který představuje významné riziko pro životní prostředí a zejména zdraví člověka. Jedním z možných řešení je využití účinných sorbentů pro záchyt těchto prvků v prostředí. Z tohoto důvodu jsou produkovány a intenzivně testovány nové, přírodě blízké materiály pro účely odstranění sledovaných kontaminantů z vod.Cílem této diplomové práce bylo porovnat vybrané sorpční materiály, konkrétně nanoželezo (nZVI), biochar (BC) a zejména jeho modifikace (nZVI/BC, Fe/FeS/BC), a to z hlediska jejich schopnosti adsorpce či dalších forem záchytu kontaminantů. Provedeny byly kinetické a rovnovážné experimenty s laboratorními roztoky za použití různých koncentrací As a/nebo Sb a různých podmínek pH (přirozené pH, 6, 7). Účinnost materiálů byla testována také na důlních vodách z lokality Poproč na východním Slovensku. Výtoky důlních vod na této lokalitě svým obsahem As a Sb znehodnocují kvalitu vody a života v ní. Sledovány byly jak změny v chemickém složení roztoků, tak změny pevné fáze materiálů po interakci s kontaminovanými roztoky, respektive důlními vodami.Na základě výsledků z kinetických a rovnovážných experimentů byl jako nejvíce efektivní materiál určen biochar modifikovaný železem a sulfidy železa (tj. Fe-FeS/BC) při pH 6. Přestože rychlost adsorpce byla poměrné nízká, tento materiál byl schopen naadsorbovat vyšší množství kontaminantů v porovnání s ostatními materiály. Na základě výsledků z experimentů s důlními vodami nebylo možné určit, který z materiálů je nejefektivnější. Výsledky ukázaly, že záchyt As/Sb ovlivňuje celá řada faktorů včetně pH roztoku, počátečních koncentrací sledovaných prvků a délky interakce materiálu s kontaminovanou vodou. Zároveň bylo zjištěno, že velmi záleží na vývoji koncentrací hlavních prvků (např. Fe), které jsou schopny vytvářet sloučeniny s As/Sb a ovlivňovat tak účinnost jejich záchytu spolu s testovanými sorbenty, ale i bez použití sorbentů. Závěrem lze říci, že prakticky nevhodným materiálem pro sorpci As/Sb je čistý BC, zatímco účinnost materiálů obsahujících Fe byla pro záchyt As či Sb poměrně vyrovnaná. Jako nejperspektivnější pro další aplikaci se jeví Fe/FeS/BC.

Abstract:

Water pollution by arsenic (As) and antimony (Sb) is a global issue that poses a significant risk to the environment and especially human health. One of the possible solutions is the use of effective sorbents for capturing these elements in the environment. For this reason, new, environment-friendly materials are produced and intensively tested for the removal of target contaminants from water.The aim of this thesis was to compare the selected sorption materials, namely nanoscale zero-valent iron (nZVI), biochar (BC) and especially its modifications (nZVI/BC, Fe/FeS/BC), in terms of their adsorption ability or other forms of contaminant retention. Kinetic and equilibrium experiments with laboratory solutions were performed using different concentrations of As and/or Sb and different pH conditions (natural pH, 6, 7). The effectiveness of the materials was also tested in mine waters from the Poproč area in eastern Slovakia. Mine water effluents in this locality degrade the water quality and life in it due to the content of As and Sb. Both changes in the chemical composition of solutions and changes in the solid phase of the materials after their interaction with contaminated solutions and mine waters were investigated.Based on the results of kinetic and equilibrium experiments, biochar modified with iron and iron sulfides (i.e., Fe/FeS/BC) at pH 6 was identified as the most effective material. Although the adsorption rate was relatively low, this material was able to adsorb higher amounts of contaminants compared with other materials. Regarding the results of experiments with mine waters, it was not possible to determine which of the materials is the most effective. The results showed that the capture of As/Sb is influenced by a number of factors, including the pH of the solution, the initial concentrations of the selected elements and the duration of the material interaction with contaminated water. At the same time, it was found that the development of concentrations of the main elements (e.g., Fe), which are able to form compounds with As/Sb and thus to affect the retention efficiency together with or even without the tested sorbents, is very important. We can conclude that pure BC is the practically unsuitable material for As/Sb sorption, while the efficiency of Fe-containing sorbent materials was relatively equal for As or Sb retention. The Fe/FeS/BC appears to be the most promising material for further application.

Keywords

nanoželezo, oxidy železa, kontaminanty, důlní vody, biouhel

Keywords

boichar, nanoscale zero-valent iton, iron oxides, contaminants, mine water

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 6. 2020

Thesis defence

• Supervisor: doc. Mgr. Martina Vítková, Ph.D.
• Reader: Ľubomír Jurkovič, Mgr., externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Master programme / field:
Environmental Sciences / Applied Ecology