Ανάπτυξη και ενεργοποίηση μαγνητικών κόνεων με εφαρμογή σε τεχνικές επιλεκτικού μαγνητικού διαχωρισμού για την παγίδευση βαρέων και ελαφρών ιόντων, και οργανικών ουσιών σε υδατικά διαλύματα

Abstract

The main objective of this PhD is to synthetize complex magnetic powders by microwave assisted co-precipitation and to develop primary methods of trapping and separation of heavy and toxic metals, called "critical elements", such as arsenic, cadmium, chromium, etc., by selective magnetic separation technique, which are dissolved in industrial wastewaters. The method is based on selective binding of heavy metal ions to zeolite surfaces while releasing small ions such as Na, K, Mg and Ca (alkaline and alkaline earth elements). Zeolites develop as complex materials mixed with magnetic particles. An abudance of zeolites is available, as well as a variety of soft magnetic materials and organic compounds as coating agents for the formation of core-shell type reactive materials can be used for this cause. Ιn this research, composite nanoparticles with magnetite as magnetic phase in a zeolite matrix and core-shell type nanoparticles with beta-cyclodextrin and EDTA as shell on magnetite core are synthesized. These nanoparticles are structurally (XRD, SEM), chemically (FTIR), magnetically (VSM) and hydrodynamically (DLS) characterized. The second part of the research investigates the adsorption and ion exchange capacities of three species of zeolite in critical metal aqueous solutions with the aim of finding the most suitable adsorber to remove hexavalent chromium. Finally, conclusions are drawn from the analysis of the acquired data, and a possible future research is proposed on issues of concern.

Αντικείμενο και βασικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη σύμπλοκων μαγνητικών κόνεων μέσω μικροκυματικής συγκαταβύθισης καθώς και η πρωτογενής ανάπτυξη της μεθόδου παγίδευσης και διαχωρισμού βαρέων και επικίνδυνων μετάλλων, που ονομάζονται «κρίσιμα στοιχεία», όπως το αρσενικό, το κάδμιο, το χρώμιο κλπ., με την τεχνική του επιλεκτικού μαγνητικού διαχωρισμού, και τα οποία ευρίσκονται σε διαλύματα βιομηχανικών αποβλήτων. Η μέθοδος στηρίζεται στην επιλεκτική δέσμευση βαρέων μεταλλικών ιόντων σε επιφάνειες ζεόλιθων με την ταυτόχρονη αποδέσμευση ιόντων μικρής διαμέτρου όπως είναι το Na, K, Mg και Ca (αλκάλια και αλκαλικές γαίες). Οι ζεόλιθοι αναπτύσσονται ως σύμπλοκα υλικά αναμεμειγμένα με μαγνητικά σωματίδια. Είναι δυνατή η χρήση πλειάδας ζεόλιθων, καθώς επίσης και πλειάδας μαλακών μαγνητικών υλικών, αλλά και οργανικών ενώσεων ως μέσα επικάλυψης για δημιουργία σωματιδίων τύπου πυρήνα φλοιού, ικανά να δεσμεύσουν αντιδρώντα στην επιφάνειά τους ή στον όγκο τους. Στην παρούσα έρευνα συντίθενται σύνθετα νανοσωματίδια με μαγνητική φάση το μαγνητίτη σε ζεολιθική μήτρα, ή τύπου πυρήνα φλοιού με β-κυκλοδεξτρίνη και EDTA. Τα νανοσωματίδια αυτά χαρακτηρίζονται δομικά (XRD, SEM), χημικά (FTIR), μαγνητικά (VSM) και υδροδυναμικά (DLS). Στο δεύτερο σκέλος εξετάζονται οι προσροφητικές και ιοντοανταλλακτικές ικανότητες τριών ειδών ζεόλιθων σε υδατικά διαλύματα κρίσιμων μετάλλων με στόχο την ανεύρεση το καταλληλότερου προσροφητή για την απομάκρυνση εξασθενούς χρωμίου. Τέλος, εξάγονται τα συμπεράσματα από την ανάλυση των αποτελεσμάτων, και μαζί προτείνεται πιθανή μελλοντική έρευνα σε σημεία που εγείρουν προβληματισμούς.