Επεξεργασία ρυπασμένων νερών με συνδυασμό τεχνολογιών για τη βελτίωση της ποιότητας τους

Abstract

The aim of the present thesis was the study of the simultaneous removal of arsenic (trivalent and pentavalent) and hexavalent chromium from natural waters by flocculation using salts of divalent or trivalent iron. For this purpose, experiments were carried out in a jar test device and parameters were studied which may affect the removal of said pollutants, such as the pH value of the solution, the concentration of flocculants, the speciation of arsenic, the concentration of pollutants, the presence of scavengers in the solutions, the composition of the water to be treated, the presence of interfering substances, e.g. phosphates etc. The results of the thesis showed that the simultaneous removal of arsenic (pentavalent and trivalent) and hexavalent chromium can be achieved using salts of both divalent and trivalent iron, in some cases with appropriate modifications. More specifically, in the study of the simultaneous removal of pentavalent arsenic and hexavalent chromium, it was found that by treatment with divalent iron, both pollutants are removed satisfactorily, even in waters with a highly charged composition.In the case where ferric iron was used, very satisfactory removal of pentavalent arsenic was found, but hexavalent chromium was removed at very low rates, as expected.In the case of the simultaneous removal of trivalent arsenic and hexavalent chromium using divalent or trivalent iron, there is no relevant bibliography available. With the use of divalent iron, it was found that hexavalent chromium is removed very satisfactorily, while it was also found that its presence in water helps to enhance the removal of trivalent arsenic, through oxidation caused by its presence in combination with the presence and oxidation of ferrous iron. The use of ferric salts for the simultaneous removal of trivalent arsenic and hexavalent chromium has also never been studied in the literature. The results were extremely interesting, as it was found that the presence of hexavalent chromium contributes to the enhanced removal of trivalent arsenic, through its oxidation due to the presence of chromium and trivalent iron in the solution. However, the removal of hexavalent chromium was again unsatisfactory. Then, in order to achieve simultaneous removal of arsenic and hexavalent chromium and with the use of trivalent iron salts, we studied the use of hydrogen peroxide, in order to investigate whether the redox cycle described by Bokare and Choi can be applied. in the change of valence of hexavalent chromium. The presence of hydrogen peroxide caused the reduction of hexavalent chromium to trivalent and the production of hydroxyl radicals. Trivalent chromium can be removed from solution by precipitation (extremely insoluble) and trivalent arsenic is oxidized by the hydroxyl radical and removed by co-precipitation and adsorption on iron oxides, produced during flocculation and hydrolysis of its salts of ferric iron. This study has also never been reported in the international bibliography. The results were extremely satisfactory and essentially result in a new process for the simultaneous removal of arsenic and hexavalent chromium using ferric salts, which has many more advantages over the use of ferric iron in water treatment.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της ταυτόχρονης απομάκρυνσης αρσενικού (τρισθενούς και πεντασθενούς) και εξασθενούς χρωμίου από φυσικά νερά με κροκίδωση χρησιμοποιώντας άλατα του δισθενούς ή του τρισθενούς σιδήρου. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε συσκευή jar test και μελετήθηκαν παράμετροι οι οποίες μπορεί να επηρεάσουν την απομάκρυνση των εν λόγω ρύπων, όπως η τιμή pH του διαλύματος, η συγκέντρωση των κροκιδωτικών, το speciation του αρσενικού, η συγκέντρωση των ρύπων, η παρουσία scavengers στα διαλύματα, η σύσταση του νερού προς επεξεργασία, η παρουσία παρεμποδιστικών ουσιών, π.χ. φωσφορικά κ.α. Τα αποτελέσματα της διατριβής έδειξαν ότι η ταυτόχρονη απομάκρυνση αρσενικού (πεντασθενούς και τρισθενούς) και εξασθενούς χρωμίου μπορεί να επιτευχθεί με χρήση αλάτων τόσο του δισθενούς όσο και του τρισθενούς σιδήρου, σε κάποιες περιπτώσεις με κατάλληλες τροποποιήσεις. Πιο συγκεκριμένα, στη μελέτη της ταυτόχρονης απομάκρυνσης πεντασθενούς αρσενικού και εξασθενούς χρωμίου, βρέθηκε ότι με επεξεργασία με δισθενή σίδηρο απομακρύνονται ικανοποιητικά και οι δύο ρύποι, ακόμα και σε νερά με πολύ επιβαρυμένη σύσταση (π.χ. νερά από εκλύσεις ρυζοκαλλιεργειών). Στην περίπτωση που χρησιμοποιήθηκε τρισθενής σίδηρος, βρέθηκε πολύ ικανοποιητική απομάκρυνση πεντασθενούς αρσενικού, αλλά το εξασθενές χρώμιο απομακρύνθηκε σε πολύ χαμηλά ποσοστά, όπως και αναμενόταν. Στην περίπτωση της ταυτόχρονης απομάκρυνσης τρισθενούς αρσενικού και εξασθενούς χρωμίου με χρήση δισθενούς ή τρισθενούς σιδήρου, δεν υπάρχει σχετική βιβλιογραφία διαθέσιμη. Με τη χρήση δισθενούς σιδήρου βρέθηκε, ότι το εξασθενές χρώμιο απομακρύνεται πολύ ικανοποιητικά, ενώ βρέθηκε επίσης ότι η παρουσία του στο νερό συνδράμει στην ενίσχυση της απομάκρυνσης του τρισθενούς αρσενικού, μέσω οξείδωσης που προκαλεί η παρουσία του σε συνδυασμό με την παρουσία και οξείδωση του δισθενούς σιδήρου. Η χρήση αλάτων τρισθενούς σιδήρου για την ταυτόχρονη απομάκρυνση τρισθενούς αρσενικού και εξασθενούς χρωμίου επίσης δεν έχει μελετηθεί ποτέ στη βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματα ήταν εξόχως ενδιαφέροντα, καθώς βρέθηκε ότι η παρουσία εξασθενούς χρωμίου συντελεί στην ενισχυμένη απομάκρυνση του τρισθενούς αρσενικού, μέσω οξείδωσης του λόγω της παρουσίας του χρωμίου και του τρισθενούς σιδήρου στο διάλυμα. Όμως, η απομάκρυνσή του εξασθενούς χρωμίου ήταν και πάλι μη ικανοποιητική. Στη συνέχεια, με σκοπό να πετύχουμε ταυτόχρονη απομάκρυνση αρσενικού και εξασθενούς χρωμίου και με τη χρήση αλάτων τρισθενούς σιδήρου, μελετήσαμε τη χρήση υπεροξειδίου του υδρογόνου, με σκοπό να διερευνήσουμε αν μπορεί να εφαρμοστεί ο οξειδοαναγωγικός κύκλος που περιγράφεται από Bokare και Choi, στην μεταβολή του σθένους του εξασθενούς χρωμίου. Η παρουσία υπεροξειδίου του υδρογόνου, προκάλεσε την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου σε τρισθενές και παραγωγή ριζών υδροξυλίου. Το τρισθενές χρώμιο μπορεί να απομακρυνθεί από το διάλυμα με καταβύθιση (εξόχως δυσδιάλυτο) και το τρισθενές αρσενικό οξειδώνεται από τη ρίζα υδροξυλίου και να απομακρύνθηκε με συν-καταβύθιση και προσρόφηση στα οξείδια του σιδήρου, που παράγονται κατά την κροκίδωση και υδρόλυση των αλάτων του τρισθενούς σιδήρου. Η μελέτη αυτή επίσης δεν έχει αναφερθεί ποτέ έως τώρα στη διεθνή βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματα ήταν εξόχως ικανοποιητικά και ουσιαστικά καταλήγουν σε μια καινούργια διεργασία, για την ταυτόχρονη απομάκρυνση αρσενικού και εξασθενούς χρωμίου με χρήση αλάτων τρισθενούς σιδήρου, ο οποίος έχει πολύ περισσότερα πλεονεκτήματα έναντι της χρήσης δισθενούς σίδηρου στην επεξεργασία νερών.