Czynniki wpływające na pojemność adsorpcyjną i selektywność jonowymienną klinoptylolitu wobec kationów metali ciężkich

• Autorzy: Zabochnicka-Świątek M.

Warianty tytułu

EN

Factors affecting adsorption capacity and ion exchange selectivity of clinoptilolite towards heavy metal cations

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Omówiono wpływ właściwości klinoptylolitu, właściwości adsorbatu i charakter środowiska zewnętrznego na pojemność adsorpcyjną i selektywność jonowymienną klinoptylolitu. Spośród czynników związanych z właściwościami sorbentu omówiono znaczenie: czystości złoża, rozmiaru i kształtu porów oraz składu i rozmieszczenia kationów na efektywność zatrzymywania jonów na klinoptylolicie. Scharakteryzowano najważniejsze cechy adsorbatu: wartościowość jonów, wielkość promienia jonowego i stopień uwodnienia jonu. Omówiona selektywność wiązania poszczególnych jonów była nie tylko związana z rodzajem środowiska zewnętrznego (woda, ściek, grunt), ale również z jego składem chemicznym, odczynem i temperaturą. Zwrócono uwagę na interakcje zachodzące pomiędzy poszczególnymi czynnikami. Dokonano przeglądu terminologii określającej różne rodzaje pojemności jonowymiennej zeolitów w zależności od warunków prowadzenia procesu i składu zeolitu. Omówiono najważniejsze metody zagospodarowania zużytego klinoptylolitu. Przedstawiono szereg obecnych zastosowań klinoptylolitu oraz opisano możliwości jego przyszłych zastosowań.

EN

Nowadays, heavy metal contamination poses a significant threat to the environment. Mobility of heavy metals in the environment is controlled by the processes of sorption, ion exchange, precipitation and complexing. Zeolites are defined as crystalline hydrated aluminosilicates of metals from the group I and II (Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba). They have a solid microporous Structure with approximately 50% of intrinsic free space with the surface up to 1500 m2/g. They consist water molecules. Zeolite water can be removed at high temperatures leaving the open spaces in the matrix. The specific characteristics of zeolites produce unique molecular sieves, sorptive and ion exchange properties. Hence, zeolites have a great potential for immobilization of many toxic organic and inorganic pollutants that can be used for industrial, agricultural, medical and environmental protection applications. Zeolites show specific selectivity towards heavy metal cations. This property has been employed in a number of technologies applied to remove metal cations from solutions. The metal uptake by zeolite is attributed to different mechanisms. Natural zeolite, clinoptilolite is the most abundant naturally occurring zeolite that is capable of removing cations from aqueous solutions. Sorption of cations by clinoptilolite from contaminated environment is complex. The clinoptilolite characteristics, adsorbate properties and the reaction environment were discussed. Ion exchange is efficient when an exchanger has a high selectivity for the metal to be removed and the concentration of competing ions is low. The differences in the ion exchange selectivity of clinoptilolite derived from different researchers are discussed. The size and shape of pores in zeolite, ions charge, solution strength, pH and temperature influence on the sorption and ion exchange selectivity. Adsorption of elements in the zeolite pores and skeletal canals is strongly dependent on their valency and hydration energy. The lower valency number and hydration energy the process of sorption is more effective. The efficiency of ion exchange processes increases when the ionic radius length of elements present in zeolites and in a contaminated solution are similar. In the field of zeolite Science various concepts of zeolite capacity are encountered and various kinds of capacities, measured by different experimental methods are used, as: theoretical capacity -TEC, ideal capacity - IEC, real capacity - REC, maximum exchange level -MEL, operation capacity -OC and effective capacity - EC. The values of TEC and REC depend on the amount and the nature of impurities. In the case of zeolite ores (tuffs), TEC is always higher than REC. REC is equal to IEC in the case of pure zeolites. MEL is always higher than OC. MEL and REC could be equal for "ideal" ion exchange systems, i.e., systems where complete exchange is achieved. The main methods of clinoptilolite use were presented. The application of natural minerals such as clinoptilolite instead of currently applied chemical substances would allow for utilization of materials that facilitate the protection of natural environment.

Słowa kluczowe

PL

klinoptylolit; kationy metali ciężkich; pojemność adsorpcyjna; selektywność jonowymienna

EN

clinoptilolite; ion exchange selectivity; heavy metal cation; adsorption capacity

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2007
• Tom: T. 10, nr 1
• Strony: 27--43
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz.

Twórcy

autor

Zabochnicka-Świątek M.

• Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska, Instytut Inżynierii Środowiska, ul. Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa

Bibliografia

• [1] Sarbak Z., Adsorpcja i adsorbenty, Teoria i zastosowanie, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań 2000.
• [2] Suchecki T., Zeolity z popiołów lotnych, Otrzymywanie i aplikacje w inżynierii środowiska, Inżynieria Środowiska, Zakład Narodowy im. Ossolińskich, Wrocław 2005.
• [3] Buczkowski R., Szymański T., Kondzielski I., Możliwości sorpcji kationów na wybranych składnikach gleby, Ekologia i Technika 1995, 4(16), 14-17.
• [4] Alloway B.J., Ayres D.C., Chemiczne podstawy zanieczyszczania środowiska, WN PWN, Warszawa 1999.
• [5] US DHHS (U.S. Department of Health and Human Services), Toxicological profile for barium and barium compounds, Draft for Public Comment, Public Health Service, Agency for Toxic Substances and Disease Registry, Washington 2005.
• [6] Bujnova A., Leśny J., Sorption characteristics of zinc and cadmium by some natural-, modified- and synthetic zeolites, Hungarian Electronic Journal of Sciences, Envir. Eng. 2004, 23-40.
• [7] Anielak A.M., Piaskowski K., Zeolity naturalne i ich zastosowanie w oczyszczaniu wody oraz ścieków, Ekologia i Technika 2000, 2, 31-41.
• [8] Piaskowski K., Anielak A.M., Zeolity naturalne i ich zastosowanie w oczyszczaniu wody oraz ścieków, Ekologia i Technika 2000, 2, 31-41.
• [9] Ciciszwili G.W., Andronikaszwili T.G., Kirów G.N., Flizowa Ł.D., Zeolity naturalne, WNT, Warszawa 1990.
• [10] Bailey S.E., Olin T.J., Bricka R.M., Adrian D.D., A review of potentially low-cost sorbents for heavy metals, Wat. Res. 1999, 33,11, 2469-2479.
• [11] Buczkowski T., Kondzielski I., Szymański T., Metody remediacji gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi, Wydawnictwo UMK, Toruń 2002.
• [12] Robin G. Jordi and Duong D., Frequency-response analysis of sorption in zeolite crystals with finite intracrystal reversible mass exchange, J. Chem. Soc, Faraday Trans. 1992, 88, 2411-2419.
• [13] Mondale K.D., Carland R.M., Aplan F.F., The comparative ion exchange capacities of natural sedimentary and synthetic zeolites, Minerals Engineering 1995, 8, 4/5, 535-548.
• [14] Ouki S.H., Kavannagh M., Performance of natural zeolites for the treatment of mixed metal contaminated effluents, Waste Management & Research 1997,15, 383-394.
• [15] Bień J.B., Zabochnicka-Świątek M., Ion exchange selectivity and adsorption capacity of clinoptilolite, Environmental Protection into the Future, ed. W. Nowak, J. Bień, Częstochowa University of Technology, Faculty of Environmetal Engineering, 2007, 383-393.
• [16] Ćurković L., Cerjan-Stefanović Ś., Filipan T., Metal ion exchange by natural and modified zeolites, Wat. Res. 1997, 31, 6, 1379-1382.
• [17] Zhaohui L., Daniel A., Lori A., Influence of quaternary ammonium on sorption of selected metal cations onto clinoptilolite zeolite, J. Environ. Qual. 2002, 31, 1106-1114.
• [18] Inglezakis V.J., The concept of "capacity" in zeolite ion exchange systems, Journal of Colloid and Interface Science 2005, 281, 68-79.
• [19] Galarnau A., Di Renzo F., Faujula F., Vedrine J. (eds), Theoretical aspects of heterogeneous catalysis, Focus on Catalysts 2001, 6, 8-8(1).
• [20] Komorowska-Czepirska E., Podstawy technologii sorbentów, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Kraków 2004; http://home.agh.edu.pl/~czepir/open/pdf/Technsorb04.pdf
• [21] Namieśnik J., Chrzanowski W., Szpinek P. (red.), Nowe horyzonty i wyzwania w analityce i monitoringu środowiskowym, Centrum Doskonałości Analityki i Monitoringu Środowiskowego,Gdańsk 2003.
• [22] Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, część 2, PWN, Warszawa 1987.
• [23] Akgul M., Karabakan A., Acar O., Yurum Y., Removal of silver(I) from aqueous solutions with clinoptilolite, Microporous and Mesoporous Materials, 2006, 94, 99-104.
• [24] Zabochnicka-Świątek M.. Malina G., Diels L., Kacprzak M., Wpływ dodatków mineralno-organicznych na immobilizację metali ciężkich oraz boru w osadach czwartorzędowych, II Kongres Inżynierii Środowiska, materiały, tom I. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, Lublin 2005, 32, 1, 1327-1334.
• [25] Ghobarkar H.. Schaf O., Guth U., Zeolites - from kitchen to space, Prog. Solid. St. Chem. 1999, 27, 29-73.
• [26] Inglezakis V.J., Zorpas A.A., Loizidou MD., Grigoropoulou H.P., The effect of competitive cations and anions on ion exchange of heavy metals, Separation and Puryfication Technology 2005,46,3,202-207.
• [27] Gworek B., Inactivation of cadmium in contaminated soils using synthetic zeolites, Environ. Pollution 1992, 75, 3, 269-271.
• [28] Ponizovsky A.A., Tsadilas CD., Lead(II) retention by Alfisol and clinopthilolite: cation balance and pH effect, Geoderma 2003, 115, 303-312.
• [29] Castaldi P., Santona L., Melis P., Heavy metal immobilization by chemical amendments in a polluted soil and influence on white lupine growth, Chemosphere 2005, 60(3), 365-371.
• [30] Hui K.S., Chao C.Y.H., Effects of step-change of synthesis temperature on synthesis of zeolite 4A from coal fly ash, Microporous and Mesoporous Materials 2006, 88, 1-3, 145-151.
• [31] Inada M., Eguchi Y., Enomoto N., Hojo J., Synthesis of zeolite from coal fly ashes with different silica-alumina composition, Fuel 2005, 84, 2/3, 299-304.
• [32] Moreno N., Querol X., Alastuey A., Garcia-Sanchez A., Soler A.L., Ayora C, Immobilization of heavy metals in polluted soils by the addition of zeolitic materiał synthesized from coal fly ash, International Ash Utilization Symposium, Hyatt Regency Lexington, Kentucky, USA, Lexington 2001, paper 28.
• [33] Lin C-F., Lo S-S., Lin H-Y" Lee Y., Stabilization of cadmium contaminated soils using synthesized zeolite, Journal of Hazardous Materials 1998, 60, 217-226.
• [34] Mąjchrzak-Kucęba I., Nowak W., A thermogravimetric study of the adsorption of CO2 on zeolites synthesized from fly ash, Thermochimica Acta 2005, 437, 67-74.
• [35] Molina A., Poole C, A comparative study using two methods to produce zeolites from fly ash, Minerals Engineering 2004,17, 2,167-173.
• [36] Wu D., Zhang B., Yan L., Kong H., Wang X., Effect of some additives on synthesis of zeolite from coal fly ash, International Journal of Mineral Processing 2006, 80, 2/3/4, 266-272.
• [37] Machado N.R.C.F., Miotto D.M.M., Synthesis of Na-A and -X zeolites from oil shale ash, Fuel 2005,84, 18,2289-2294.
• [38] Terzano R., Spagnuolo M., Medici L., Tateo F., Ruggiero P., Zeolite synthesis from pretreated coal fly ash in presence of soil as a tool for soil remediation, Applied Clay Science 2005, 29, 2, 99-110.