Acid mine drainage treatment by perlite nanomineral, batch and continuous systems

• Autorzy: Shabani K. S. , Ardejani F. D. , Badii K. , Olya M. E.

Identyfikatory

DOI

10.2478/amsc-2014-0008

Warianty tytułu

PL

Oczyszczanie kwaśnych wód kopalnianych przy wykorzystaniu nanominerału perlitu – systemy działania ciągłego i okresowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper the adsorption activity of perlite nanoparticles for removal of Cu2+, Fe2+ and Mn2+ ions at Iran Sarcheshmeh copper acid mine drainage was discussed. Thus, raw perlite that provided from internal resource was modified and prepared via particles size reduction to nano scale and characterized by X-ray diffraction, X-ray fluorescence, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, Fourier transforms infrared and BET specific surface area analysis. The results of acid mine drainage show that pH of acid mine drainage is 5.1 and Cu2+, Fe2+ and Mn2+ ions are 10.5, 4.1 and 8.3 ppm, respectively. Firstly in the batch system the influence of adsorbent dose and temperature parameters were considered and then isothermal and kinetic models were investigated. According to the results the Langmuir isotherm and pseudo-second order kinetic model showed better correlation with the experimental data than other isotherm and kinetic models. Obtained thermodynamic parameters such as ΔG°, ΔH° and ΔS° show that the Cu2+, Fe2+ and Mn2+ ions adsorption from acid mine drainage is spontaneous and endothermic. Finally, perlite nanoparticles adsorbent was packed inside a glass column and used for the removal of heavy metals in 1, 3, 5 ml/min acid mine drainage flow rates, the breakthrough curves show that the column was saturated at 180, 240 and 315 min for different flow rates, respectively. According to the obtained results, this abundant, locally available and cheap silicate mineral showed a great efficiency for the removal of heavy metal pollutants from acid mine drainage and can be utilized for much volume of acid mine drainage or industrial scale.

PL

W pracy omówiono zdolności adsorpcyjne nano-cząsteczek perlitu wykorzystywanych o usuwania jonów Cu2+, Fe2+ i Mn2+ z kwaśnych wód kopalniach w kopalni miedzi w Sarcheshmeh w Iranie. Surowy perlit pozyskiwany ze źródeł własnych został zmodyfikowany i odpowiednio spreparowany poprzez zre-dukowanie cząsteczek do rozmiarów rzędu nano- cząsteczek. Perlit poddany został następnie badaniom z wykorzystaniem dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego, rentgenowskiej analizy fluorescencyjnej, skaningowej mikroskopii elektronowej, transmisyjnej mikroskopii elektronowej, spektroskopii w podczerwieni z transformatą Fouriera. Przeprowadzono także badania powierzchni właściwej w oparciu o równanie BET. Wyniki badań kwaśnych wód kopalnianych wykazują ich kwasowość na poziomie 5.1, a zawartość jonów Cu2+, Fe2+ i Mn2 wynosi odpowiednio 10.5, 4.1, 8.3 ppm. W pierwszym etapie analizowano system działania okresowego, zbadano wpływ następujących parametrów: ilości czynnika absorbującego i temperatury. Następnie przebadano modele izotermiczne i kinetyczne. Na podstawie uzyskanych wyników wykazano, że izoterma Langmuira oraz model pseudo-kinetycznego drugiego rzędu wykazują lepszą zgodność z danymi eksperymentalnymi niż pozostałe modele izotermiczne i kinetyczne. Uzyskane parametry termodynamiczne: ΔG°, ΔH° i ΔS° wskazują, że adsorpcja jonów Cu2+, Fe2+ i Mn2 z kwaśnych wód kopalnianych przebiega spontanicznie i jest procesem endotermicznym. W końcowym etapie badania nanocząsteczki perlitu- adsorbentu zostały umieszczone wewnątrz szklanej kolumny i wykorzystane do usuwania jonów metali ciężkich z kwaśnych wód kopalnianych podawanych z prędkością przepływu 1, 3, 5 ml/min. Krzywe przebicia wskazują, że kolumna została nasycona odpowiednio po 180, 240 i 315 dla odpowiednich prędkości przepływu. Uzyskane wyniki wskazują, że ten występujący lokalnie w dużych ilościach, tani i łatwo dostępny minerał krzemianowy wykazuje wysoką skuteczność w usuwaniu z kwaśnych wód kopalniach zanieczyszczeń w postaci metali ciężkich, dlatego też może być z powodzeniem wykorzystany do oczyszczania znacznych ilości wód a także na skalę przemysłową.

Słowa kluczowe

EN

acid mine drainage; perlite nanoparticles; Cu2+, Fe2+ and Mn2+ ions adsorption; Sarcheshmeh porphyry copper mine; batch and continuous systems

PL

nanocząsteczki perlitu; adsorpcja jonów Cu2+; adsorpcja jonów Fe2+ ; adsorpcja jonów Mn2 ; kopalnia miedzi i porfirów Sarcheshmeh; systemy działania ciągłego i okresowego

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 59, no. 1
• Strony: 107--122
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Shabani K. S.

• Department of Mining Engineering, Faculty of Mining, Petroleum and Geophysics, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran

autor

Ardejani F. D.

• Department of Mining Engineering, Faculty of Mining, Petroleum and Geophysics, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran

autor

Badii K.

• Department of Environment, Institute for Color Science and Technology, Tehran, Iran

autor

Olya M. E.

• Department of Environment, Institute for Color Science and Technology, Tehran, Iran

Bibliografia

• Badii Kh., Doulati Ardejani F., Yousefi Limaee N., 2008. A numerical finite element model for the removal of direct dyes from aqueous solution by soy meal hull: optimization and sensitivity analysis. First Conference and Workshop on Mathematical Chemistry, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran, 57-64.
• Caliskan N., Kul A.R., Alkan S., Sogut E.G., Alacabey I., 2011. Adsorption of Zinc(II) on diatomite and manganese- -oxide-modified diatomite: A kinetic and equilibrium study. Journal of Hazardous Materials, 193, 27-36.
• Chiban M., Soudani A., Sinan F., Persin M., 2011. Single, binary and multi-component adsorption of some anions and heavy metals on environmentally friendly Carpobrotus edulis plant. Colloids and Surfaces B., 82, 267-276.
• Danil de Namor A.F., El Gamouz A., Frangie S., Martinez V., Valiente L., Webb O.A., 2012. Turning the volume down on heavy metals using tuned diatomite. A review of diatomite and modified diatomite for the extraction of heavy metals from water. Journal of Hazardous Materials, 241-242, 14-31.
• Doulati Ardejani F., Badii Kh., Yousefi Limaee N., S Shafaei.Z., Mirhabibi A.R., 2008. Adsorption of Direct Red 80 dye from aqueous solution on to almond shell Effect of pH, initial concentration and shell type. Journal of Hazardous Materials, 151: 2-3, 730-737.
• Ediz N., Bentli I., Tatar I., 2010. Improvement in filtration characteristics of diatomite by calcination. International Journal of Mineral Processing, 94, 129-134.
• Egashira R., Tanabe S., Habaki H., 2012. Adsorption of heavy metals in mine wastewater by Mongolian natural zeolite. Procedia Engineering, 42, 49-57.
• Fowler C.E., Buchber C., Lebeau B., Patarin J., Delacote C., Walcarius A., 2007. An aqueous route to organically functionalized silica diatom skeletons. Applied Surface Science, 253, 5485-5493.
• Ghassabzadeh H., Mohadespour A., Torab-Mostaedi M., Zaheri P., Maragheh M.G., Taheri H., 2010. Adsorption of Ag, Cu and Hg from aqueous solutions using expanded perlite. Journal of Hazardous Materials, 177, 950-955.
• Hong L., Minoru T., 1994. Mechanical strength increase of abraded silica glass by high pressure water vapor treatment. Journal of Non-Crystalline Solids, 168, 287-292.
• Ijagbemi Ch.O., Baek M.H., Kim D.S., 2009. Montmorillonite surface properties and sorption characteristics for heavy metal removal from aqueous solutions. Journal of Hazardous Materials, 166, 538-546.
• Jing Q., Fang L., Liu H., Liu P., 2011, Preparation of surface-vitrified micron sphere using perlite from Xinyang. China Applied Clay Science, 53, 745-748.
• Karami H., 2013. Heavy metal removal from water by magnetite nanorods. Chemical Engineering Journal, 219, 209-216.
• Kyzas G.Z., Kostoglou M., Lazaridis N.K., Bikiaris D.N., 2013. N-(2-Carboxybenzyl) grafted chitosan as adsorptive agent for simultaneous removal of positively and negatively charged toxic metal ions. Journal of Hazardous Materials, 244-245, 29-38.
• Li X., Liu L., Wang Y., Luo G., Chen Xi., Yang X., Hall M.H.P., Guo R., Wang H., Cui J., He X., 2012. Heavy metal contamination of urban soil in an old industrial city (Shenyang) in Northeast China. Geoderma, 192, 50-58.
• Lopes G., Guilherme L.R.G., Costa E.T.S, Curi N., Penha H.G.V., 2012. Increasing arsenic sorption on red mud by phosphogypsum addition. Journal of Hazardous Materials. In Press.
• Lugo-Lugo V., Barrera-Díaz C., Ureña-Núñez F., Bilyeu B.I., 2012. Linares-Hernández, Biosorption of Cr(III) and Fe(III) in single and binary systems onto pretreated orange peel. Journal of Environmental Management, 112, 120-127.
• Martins A., Mata T.M., Gallios G.P., Václavíková M., Stefusova K., 2010. Modeling and simulation of heavy metals removal from drinking water by magnetic zeolite, Water Treatment Technologies for the Removal of High-Toxicity Pollutants. Project No. APVT-51-017104, 24 p.
• Miretzky P., Saralegui A., Cirelli A.F., 2006. Simultaneous heavy metal removal mechanism by dead macrophytes. Chemosphere, 62, 247-254.
• Muller B.R., 2010. Effect of particle size and surface area on the adsorption of albumin-bonded bilirubin on activated carbon. Carbon, 48, 3607-3615.
• Najafi M., Yousefi Y., Rafati A.A., 2011. Synthesis, characterization and adsorption studies of several heavy metal ions on amino-functionalized silica nano hollow sphere and silica gel. Separation and Purification Technology, 85, 193-205.
• Niu Ch., Wu W., Zhu W., Li Sh., Wang J., 2007. Adsorption of heavy metal ions from aqueous solution by crosslinked carboxymethyl konjac glucomannan. Journal of Hazardous Materials, 141, 209-214.
• Pehlivan E., Altun T., 2008. Biosorption of chromium(VI) ion from aqueous solutions using walnut, hazelnut and almond shell. Journal of Hazardous Materials, 155: 1-2, 378-384.
• Roulia M., Chassapis K., Kapoutsis J.A., Kamitsos E.I., Savvidis T., 2006. Influence of thermal treatment on the water release and glassy structure of perlite. Journal of Material Science, 41, 5870-5881.
• Schiewer S., Volesky B., 1995. Modeling of the proton-metal ion exchange in biosorption. Environmental Science & Technology, 29, 3029-3058.
• Seifpanahi Shabani K., Doulati Aredejani F., Singh R.N., Marandi R., Soleimanyfar H., 2011. Numerical Modeling of Cu2+ and Mn2+ Ions Biosorption by Aspergillus Niger Fungal Biomass in A Continuous Reactor. Archive of Mining Sciences, 56: 3, 461-476.
• Sheikhhosseini H., Shirvani M., Shariatmadari H., 2013. Competitive sorption of nickel, cadmium, zinc and copper on palygorskite and sepiolite silicate clay minerals. Geoderma, 192, 249-253.
• Sodeyama K., Sakka Y., Kamino Y., Seki H., 1999. Preparation of fine expanded perlite. Journal of Material Science, 34, 2461-2468.
• Song J., Oh H., Kong H., Jang J., 2011. Polyrhodanine modified anodic aluminum oxide membrane for heavy metal ions removal. Journal of Hazardous Materials, 187: 1-3, 311-317.
• Thanh D.N., Singh M., Ulbrich P., Strnadova N., Štěpánek F., 2011. Perlite incorporating γ-Fe2O3 and α-MnO2 nanomaterials: Preparation and evaluation of a new adsorbent for As(V) removal. Separation and Purification Technology, 82, 93-101.
• U.S. Environmental Protection Agency, 2011. Technical Document: Acid Mine Drainage Prediction. EPA 820-R-11-002, Office of Water U.S. Environmental Protection Agency Washington, DC.
• Urano K., Tachikawa H., 1991. Process-development for removal and recovery of phosphorus from waste-water by a new adsorbent 2: adsorption rates and breakthrough curves. Industrial & Engineering Chemistry Research, 30, 1897-1899.
• Varuzhanyan Av.A., Varuzhanyan Ar.A., Varuzhanyan H.A., 2006. A mechanism of perlite expansion. Inorganic Materials, 42, 1039-1045.
• Yuan P., Liu D., Fan M., Yang D., Zhu R., Ge F., Zhu J.X., He H., 2010. Removal of hexavalent chromium [Cr(VI)] from aqueous solutions by the diatomite-supported/unsupported magnetite nanoparticles. Journal of Hazardous Materials, 173, 614-621.
• Yuan P., Wu D.Q., He H.P., Lin Z.Y., 2004. The hydroxyl species and acid sites on diatomite surface: a combined IR and Raman study. Applied Surface Science, 227, 30-39.
• Zheng H., Liu D., Zheng Y., Liang S., Liu Z., 2009.