Ανάπτυξη και μελέτη φυσικοχημικών ιδιοτήτων τροποποιημένων αργίλων ως προσροφητικών βαρέων μετάλλων από υγρά λύματα

Abstract

The continuous increase of the emitting toxic substances in the environment due to the increase and accumulation of industrial and urban activities have made imperative the proper waste processing before disposal. The pollution that heavy metals cause in the environment is conversely proportional to the percentage proportion of them in the earth. Metals like Cd, Cr, Pb and Hg are extremely toxic. Whereas, others like Zn and Cu accumulate gradually in the human body causing important harm when they exceed defined allowable limits. The purpose of the present thesis was to encase and vitrify the Zenith-Perlite minerals that have previously absorbed heavy metals in low temperature hyaline transition. The results have shown that: • For the first time we have succeeded vitrification with encasement of loaded Zenith-Perlite minerals to heavy metals. • We have observed great increase of durability to the corrosion of vitrificated systems, when there is an increase to the % w/w conciseness in loaded Zenith-Perlite minerals with heavy metals. • The new glasses have presented high physicochemical stability and improved mechanical characteristics. • Vitrification proved to be a safe method of neutralizing heavy metals. Furthermore, Cu²⁺ binding on soil component γ-Al₂O₃, was studied in the presence of common electrolyte ions PO₄³⁻, SO₄²⁻ and Mg²⁺. The experimental data reveal that Cu²⁺ binding on soil component γ-Al₂O₃ is modulated by the electrolyte ions in a complex manner. • At high electrolyte concentration, Cu²⁺ uptake by γ-Al₂O₃ is inhibited. Theoretical analysis by a Surface Complexation Model shows that this effect can be attributed partially to bulk, ionic strength, effect of the electrolyte while the most significant inhibition is due to direct competition between Mg²⁺ and Cu²⁺ ions for the ≡SO- surface sites of γ-Al₂O₃. • At low concentration of electrolyte ions, Cu²⁺ uptake by γ-Al₂O₃ can be enhanced due to synergistic co-adsorption of Cu²⁺ and electrolyte anions, particularly PO₄³⁻ and to a lesser extent SO₄²⁻. The theoretical analysis shows that this co-adsorption is due to formation of ternary surface species (≡SOH₂PO₄Cu) and (≡SOH₂SO₄Cu) which enhance Cu-uptake at pH values well below the point of zero charge of the γ-Al₂O₃.

Η συνεχής αύξηση των ποσοτήτων τοξικών ουσιών που διαχέονται στο περιβάλλον λόγω της ανάπτυξης βιομηχανικής δραστηριότητας και της συσσώρευσης δραστηριοτήτων στα αστικά κέντρα, καθιστά επιτακτική την ανάγκη κατάλληλης επεξεργασίας των αποβλήτων πριν την διάθεση τους. Η ρύπανση που προκαλούν στο περιβάλλον τα βαρέα μέταλλα είναι αντιστρόφως ανάλογη με την ποσοστιαία αναλογία που έχουν στο γήινο περιβάλλον. Μέταλλα, όπως το Cd, το Cr, ο Pb και ο Hg είναι εξαιρετικά τοξικά. Ενώ άλλα, όπως ο Zn και ο Cu, συσσωρεύονται σταδιακά στον ανθρώπινο οργανισμό και προκαλούν σημαντικές βλάβες όταν ξεπεράσουν ορισμένα επιτρεπτά όρια. Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν να πραγματοποιηθεί ο εγκιβωτισμός και η υαλοποίηση των αργιλοπυριτικών ορυκτών (Zenith και Περλίτη) που έχουν προσροφήσει βαρέα μέταλλα, σε χαμηλές θερμοκρασίες υαλώδους μετάβασης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι: • Επετεύχθη για πρώτη φορά υαλοποίηση με εγκιβωτισμό φορτωμένων αργιλοπυριτικών υλικών σε βαρέα μέταλλα. • Παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση της αντοχής στην διάβρωση των υαλοποιημένων συστημάτων, όταν αυξάνεται η επί τις % κ.β. περιεκτικότητα τους σε φορτωμένα αργιλοπυριτικά ορυκτά με βαρέα μέταλλα. • Οι νέες ύαλοι παρουσίασαν υψηλή φυσικοχημική σταθερότητα και βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. • Η υαλοποίηση αποδείχτηκε ασφαλής μέθοδος αδρανοποίησης βαρέων μετάλλων. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η επίδραση ιόντων ηλεκτρολύτη (PO₄³⁻, SO₄²⁻ και Mg²⁺) στη δέσμευση χαλκού στην γ-Al₂O₃. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η δέσμευση του Cu²⁺ στη γ-Al₂O₃ ρυθμίζεται από τα ιόντα ηλεκτρολύτη μέσω ενός πολύπλοκου μηχανισμού. • Σε υψηλές συγκεντρώσεις ηλεκτρολύτη, η πρόσληψη του Cu²⁺ από τη γ-Al₂O₃ παρεμποδίζεται. Η θεωρητική ανάλυση μέσω των Μοντέλων Επιφανειακής ∆έσμευσης έδειξε ότι το φαινόμενο αυτό αποδίδεται μερικώς στα φαινόμενα υψηλής ιοντικής ισχύος, ενώ η μεγαλύτερη παρεμπόδιση οφείλεται στον άμεσο ανταγωνισμό μεταξύ των ιόντων Mg²⁺ και Cu²⁺ για τις επιφανειακές θέσεις ≡SO⁻ της γ-Al₂O₃. • Σε χαμηλές συγκεντρώσεις ηλεκτρολύτη, η πρόσληψη του Cu²⁺ από τη γ-Al₂O₃ ενισχύεται εξαιτίας της συνεργιστικής συμπροσρόφησης του Cu²⁺ και των ιόντων ηλεκτρολύτη, κυρίως για τα PO₄³⁻ και σε μικρότερο βαθμό για τα SO₄²⁻ ιόντα. Η θεωρητική ανάλυση έδειξε ότι η συμπροσρόφηση αυτή αποδίδεται στο σχηματισμό των τριαδικών επιφανειακών χημικών ειδών (≡SOH₂PO₄Cu) και (≡SOH₂SO₄Cu), τα οποία ενισχύουν την πρόσληψη του Cu²⁺ σε τιμές pH μικρότερες από το σημείο μηδενικού φορτίου της γ-Al₂O₃.