Využití biocharu modifikovaného LDH pro dočištení důlních vod - kolonové experimenty

Bc. Marek Svoboda

Master's thesis

Use of biochar modified by LDH for mining water treatment - column experiments

Abstract:

Nedostupnost pitné vody díky globálnímu oteplování a změně klimatu představuje jedno z nejvýznamnějších rizik současnosti. Snahy o snížení nadlimitního obsahu toxických prvků v povrchových a podzemních vodách v blízkosti současných, ale i bývalých důlních děl, včetně průsaků skládek odpadů a průmyslových areálů vedou k využívání alternativních materiálů v remediačních technologiích. Biochar (dřevěné uhlí vzniklé pyrolýzou z biomasy) má skvělý potenciál pro čištění vod od velké škály kontaminantů včetně kovů. Biochar může být využitý buď jako samostatný adsorbent, nebo může být modifikovaný pomocí dalších materiálů včetně amorfního oxidu manganu nebo podvojného vrstevnatého hydroxidu. Podvojné vrstevnaté hydroxidy představují anorganické materiály složeny z pozitivně nabitých kovových hydroxidových vrstev s interkalovanými anionty a molekulami vody, které mají vysoký sorpční potenciál pro odstraňování arzenu, antimonu, kadmia mědi a dalších kovů a metaloidů.Primárním cílem diplomové práce bylo zhodnotit retenční kapacitu kompozitu tvořeného dřevným biocharem modifikovaným pomocí Mg-Fe podvojných vrstevnatých hydroxidů (LDHs) pro arzen a antimon v důlních vodách v dynamických podmínkách průtokového systému. Kolonové experimenty byly vykonané s důlními vodami pocházejícími z bývalých rudných dolů Pezinok a Dúbrava ve Slovenské republice. Experimenty v průtokovém systému mají simulovat reálné podmínky a byly připravované s cílem optimalizovat parametry experimentu před reálnou aplikací kompozitu biochar- LDH (dále jen Mg-Fe LDHs-biochar) v terénních podmínkách. Retenční účinnost kompozitu Mg-Fe LDHs-biochar byla porovnávaná s dalšími materiály včetně samotného dřevného biocharu před modifikací a biocharu modifikovaného amorfním oxidem manganu (AMOchar). Stejně testované byly i produkty vstupující do syntézy Mg-Fe LDHs-biocharu a to železité kaly (Fe-kal) a podvojné vrstevnaté hydroxidy syntetizované z tohoto kalu (Mg-Fe LDHs).Výsledky potvrdily, že nově vzniklý adsorbent Mg-Fe LDHs-biochar má oproti komerčně používaným adsorbentům na bázi uhlíku vyšší adsorpční potenciál pro As a Sb. Adsorbent Mg-Fe LDHs-biochar dosáhl pro As 98% retenční účinnost pro obě testované důlní vody v průtočných objemech pro jednotlivé experimenty 4,5 L (Dúbrava s adsorbentem Mg-Fe LDHs, Pezinok s adsorbenty Mg-Fe LDHs, Mg-FeLDHs-biochar, Fe-kal, biochar, AMOchar) a 8,5 L (Pezinok, adsorbent Mg-Fe LDHs-biochar 1:9) a pro Sb bylo dosaženo 40% retenční účinnosti. Potenciál studovaných kompozitů může být využitý v sanačních technologiích s cílem upravit kontaminované vody na vody užitkové.

Abstract:

Nowadays, the lack of drinking water due to global warming and climate change represents one of the most significant risks. Efforts to reduce excess of toxic elements in surface water and groundwater in the vicinity of the current or former mine waters sources including the leakage of waste dumps and industrial areas have led to the use of alternative materials in remediation technologies. Biochar (carbon-rich product obtained from the thermochemical conversion of biomass under oxygen-limited conditions.) has a great potential for water treatment from a large scale of contaminants including metals. Biochar can be used as an adsorbent or it can be modified by other materials including amorphous manganese oxide or layered double oxide. Layered double hydroxides represent inorganic materials composed of positively charged metal hydroxide layers with intercalated amions with water moleculs which have a high adsorption potential for the removal of arsenic, antimony, cadmium copper and other metals and metalloides.The main aim of the diploma thesis was to evaluate the retention capacity of woody biochar modified by Mg-Fe layered double hydroxides (LDHs) for arsenic and antimony in mine waters under dynamic conditions of through-flow system. The column experiments were performed with mine water effuents from the former ore mines Pezinok and Dubrava in Slovakia. Column experiments were designed to stimulate real conditions and to optimize the parameters of the experiment before real application of biochar – LDH (referred to as Mg-Fe LDHs - biochar) in the field. The retention efficiency of the Mg-Fe LDHs – biochar composite was compared with other materials including woody biochar before modification and biochar modified using amorphous manganese oxide (AMOchar). Products entering the synthesis of Mg-Fe LDHs – biochar such as Fe-sludge and layered double hydroxide synthesized from Fe-sludge (Mg-Fe LDHs) were also tested.Results comfirmed that new material of Mg-Fe LDHs – biochar has proven higher retention potential for As and Sb compared to commercially used carbon-based products. The Mg-Fe LDHs – biochar reached to 98% of retention efficiency for As for both tested mine waters in flow rate volume for singly experiments 4,5 L (Dubrava, Mg-Fe LDHs, Pezinok, Mg-Fe LDHs, Mg-Fe LDHs-biochar, Fe-sludge, biochar, AMOchar) and 8,5 L (Pezinok, Mg-Fe LDHs-biochar 1:9) for Sb was reached to 40% of retention efficiency. Potential of newly formed composites can beused in remendiaton technologies to treat contaminated waters to obtain non-potable water.

Keywords

biochar, podvojné vrstevnaté hydroxidy, adsorpce, metaloidy, kolonové experimenty

Keywords

biochar, double layered hydroxides, adsorption, metalloids, column experiments

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 5. 2020

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. Veronika Veselská, PhD.
• Reader: Bronislava Lalinská Voleková, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Master programme / field:
Landscape Engineering / Regional Environmental Administration