DE202024100669U1

DE202024100669U1 - Vorrichtung zur Adsorption von Fluorid und zur Photoreduktion von Chrom (Cr(VI)) unter Verwendung von heterogenen Al3+ modifizierten Minenabfällen

Info

Publication number: DE202024100669U1
Application number: DE202024100669.0U
Authority: DE
Original assignee: Sidho Kanho Birsha Univ; Sidho Kanho Birsha University
Current assignee: Sidho Kanho Birsha Univ; Sidho Kanho Birsha University
Priority date: 2024-02-10
Filing date: 2024-02-10
Publication date: 2024-02-16
Anticipated expiration: 2034-02-11

Abstract

Vorrichtung (100) zur Durchführung von Fluoridadsorption und Photoreduktion von Chrom (Cr(VI)) unter Verwendung von heterogenem Al³⁺ modifiziertem Minenabfall, wobei die Vorrichtung (100) Folgendes umfasst:
einen Behälter (102) zum Sammeln von Abwasser aus einer Quelle;
eine am Behälter (102) angebrachte Verbrennungskammer (104) zur Durchführung der Verbrennung des gesammelten Abwassers zur Herstellung von durch einen chelatbildenden Liganden modifiziertem Aluminium-Minenabfallmaterial und einer schwarzen Masse; und
eine an die Brennkammer (104) angeschlossene Kalzinierkammer (106) zum Kalzinieren des aufbereiteten Minenabfallmaterials für ein definiertes Intervall bei einer definierten Temperatur, um Fluorid zu adsorbieren und Chrom (Cr(VI)) zu (Cr(III)) zu reduzieren.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abwasseraufbereitung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung von Fluoridadsorption und Photoreduktion von Chrom (Cr(VI)) unter Verwendung von heterogenen Al³⁺ modifizierten Minenabfällen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wasserreservoirs sind mit gefährlichen Chemikalien wie Schwermetallen (Pb²⁺), Farbstoffen (Methylenblau) und Grundwasser mit Fluorid (F^-) kontaminiert, was zu einem ernsten globalen Problem führt. Mehr als 25 Länder der Welt sind bereits von erhöhten Fluoridkonzentrationen (> 1,5 ppm) im Grundwasser betroffen. Die hohe Fluoridkonzentration (F^-) im Grundwasser (> 1,5 ppm) in einer bestimmten Region hängt von natürlichen Faktoren ab, wie z. B. der Art der Erze, heißen Quellen und granitischen Grundwasserleitern. Etwa 15 % der weltweiten geologischen Verteilung von Fluoridvorkommen (12 Mio. Tonnen von 85 Mio. Tonnen) befinden sich in Indien. In einigen Teilen Indiens wurden F^- Kontaminationswerte von bis zu 42,5 ppm festgestellt, und der Konsum von fluoriertem Wasser über den von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) erlaubten Grenzwert hinaus (> 1,5 ppm) führt zu langfristigen Ursachen von Zahn- und Nicht-Skelett-Fluorose, einschließlich Geburtenrückgang, Urolithiasis, Schilddrüsenproblemen und geringerer Intelligenz bei Kindern, usw. Industrien wie die Ledergerberei, die Galvanik, der Holzschutz, die Farbenherstellung, die Metallbeschichtung und die Stahlherstellung erhöhen den Schwermetallgehalt (Cr(VI)) in der Umwelt durch den Abfallabfluss. Cr(VI) wurde als potenziell krebserregender Stoff eingestuft, und die WHO empfiehlt einen zulässigen Grenzwert von 50 µg/L für Trinkwasser. Die gebräuchlichste Methode zur Entfernung von F^- aus Trinkwasser ist die Entwicklung von Adsorbentien auf Metallbasis unter Verwendung verschiedener chemischer Methoden wie Sol-Gel-Methode, hydrothermale Methode, mechanische Mischmethode, Co-Fällungsmethode, Flammensprühpyrolyse, Photoabscheidungsmethode usw. Diese Methoden erfordern große Mengen an Chemikalien und erzeugen große Abfälle.
Um die Fluoridkonzentration im Trinkwasser zu verringern, wurden Geomaterialien wie rote Erde, Kohle, Holzkohle, Serpentin, Mineralien (Magnesit, Apophyllit, Gibbsit, Klinoptilolith, Goethit, Halloysit, Kaolinit, Bentonit, Vermiculit, Zeolith usw.) und modifizierter Kalkstein vor allem wegen ihrer Adsorptionseigenschaften untersucht.
Yunus Çenğelolu et al. verwendeten Rotschlamm zur Entfernung von Fluorid. Verschiedene Erze wie Bauxit und die Modifikationen von Bauxit mit Fe, TiO₂ wurden für die Entfernung von F^- aus Trinkwasser verwendet.
Patil et. al. verwendeten Hämatit und modifiziertes Magnetiterz für die Fluoridentfernung.
Teutli-Sequeira et al. verwendeten Aluminiumhydroxid-modifizierten Hämatit und erhielten eine Adsorptionskapazität von 116,75 mg/g Fluorid.
Wie verschiedene organische Schadstoffe (Methylenblau) sind auch Schwermetalle wie Cr (VI) in der Umwelt nur schwer biologisch abbaubar, während die reduzierte Form, d.h. dreiwertiges Chrom [Cr (III)], wenig toxisch ist und durch Ausfällung oder Adsorption entfernt werden kann.
In der Literatur finden sich zahlreiche heterogene Photokatalysatoren auf Metallbasis wie TiO₂, NiO-TiO₂, ZnO-TiO₂, ZnO, Fe O₃₄ -Graphen, Pd-SiO₂ - NH₂, ZnO - TiO₂ - OCNT und CdS/RGO für die Umwandlung von Cr(VI) in Cr(III). Photokatalysatoren auf der Basis von Metallen der Pt-Gruppe (Ru, Pd, Pt) sind effizient bei der Reduzierung von Cr(VI), aber kostspielig.
Daher besteht die Notwendigkeit, ein kosteneffizientes, reichlich vorhandenes und modifiziertes In-situ-Phosphatgestein zu entwickeln, um die möglichen Einflüsse von F^- im Grundwasser auf die Fluoridadsorption zu untersuchen und auch Cr(VI) durch kinetische, isotherme, pH-, mechanistische und Wiederverwendungsstudien zu Cr(III) zu reduzieren.
Die durch die vorliegende Erfindung offenbarten technischen Fortschritte überwinden die Einschränkungen und Nachteile bestehender und konventioneller Systeme und Methoden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Vorrichtung zur Durchführung von Fluoridadsorption und Photoreduktion von Chrom (Cr(VI)) unter Verwendung von heterogenen Al³⁺ modifizierten Minenabfällen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung zur Durchführung von Fluoridadsorption und Photoreduktion von Chrom (Cr(VI)) bereitzustellen;
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines kostengünstigen, reichhaltigen und modifizierten In-situ-Phosphatgesteins.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Reduktion von Cr(VI) zu Cr(III) mit kinetischen, isothermen, pH-, mechanistischen und Wiederverwendungsstudien.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die möglichen Einflüsse von F^- auf das Grundwasser zu untersuchen.
Vorrichtung zur Durchführung von Fluoridadsorption und Photoreduktion von Chrom (Cr(VI)) unter Verwendung von heterogenem Al³⁺ modifiziertem Minenabfall, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Behälter zum Sammeln von Abwasser von einer Quelle; eine Verbrennungskammer, die an dem Behälter angebracht ist, um die Verbrennung des gesammelten Abwassers durchzuführen, um Aluminium-modifiziertes Minenabfallmaterial durch einen chelatbildenden Liganden und eine schwarze Masse herzustellen; und eine Kalzinierungskammer, die an der Verbrennungskammer angebracht ist, um das hergestellte Minenabfallmaterial für ein definiertes Intervall bei einer definierten Temperatur zu kalzinieren, um Fluorid zu adsorbieren und Chrom (Cr(VI)) zu (Cr(III)) zu reduzieren.
Um die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung weiter zu verdeutlichen, wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, gemacht werden. Es wird davon ausgegangen, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der Erfindung zeigen und daher nicht als Einschränkung ihres Umfangs zu betrachten sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Detail mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben und erläutert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNG
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Zeichnungen darstellen, wobei:

zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Durchführung von Fluoridadsorption und Photoreduktion von Chrom (Cr(VI)) unter Verwendung von heterogenem, mit Al3+ modifiziertem Minenabfall, und
zeigen eine grafische Darstellung der BET-Isotherme von (a) MW2 vor der Fluoridadsorption und (b) MW2 nach der Fluoridadsorption, kalziniert bei 650 °C für 2 h.

Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Zeichnungen der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren anhand der wichtigsten Schritte, um das Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus kann es sein, dass eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Zeichnungen durch herkömmliche Symbole dargestellt sind, und dass die Zeichnungen nur die spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind, um die Zeichnungen nicht mit Details zu überfrachten, die für Fachleute, die mit der vorliegenden Beschreibung vertraut sind, leicht erkennbar sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG:
Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Grundsätze der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.
Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende ausführliche Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und nicht als einschränkend angesehen werden sollen.
Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.
Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte umfasst, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. Ebenso schließen eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, die mit „umfasst...a“ eingeleitet werden, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten aus.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hier angegeben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben.
1 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung (100) zur Durchführung von Fluoridadsorption und Photoreduktion von Chrom (Cr(VI)) unter Verwendung von heterogenem Al³⁺ modifiziertem Minenabfall, wobei die Vorrichtung (100) umfasst: einen Behälter (102), eine Brennkammer (104) und eine Kalzinierungskammer (106).
Der Behälter (102) sammelt Abwasser aus einer Quelle. Die Verbrennungskammer (104) ist mit dem Behälter (102) verbunden, um eine Verbrennung des gesammelten Abwassers durchzuführen, um Aluminium modifiziertes Minenabfallmaterial durch einen chelatbildenden Liganden und eine schwarze Masse herzustellen. Die Kalzinierungskammer (106) ist mit der Brennkammer (104) verbunden, um das aufbereitete Bergwerksabfallmaterial für ein bestimmtes Intervall bei einer bestimmten Temperatur zu kalzinieren, um Fluorid zu adsorbieren und Chrom (Cr(VI)) zu (Cr(III)) zu reduzieren.
In einer Ausführungsform ist der chelatbildende Ligand Triethanolamin (TEA).
In einer Ausführungsform führt die Kalzinierungskammer die Kalzinierung in einem definierten Temperaturbereich von 600-700° C und einem definierten Intervallbereich von 1-3 Stunden durch.
In einer Ausführungsform wird eine Vielzahl von Wasserparametern auf der Grundlage von Parametern wie F^- Konzentration, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, Trübung, TDS, Salzgehalt, gelöster Sauerstoff, NO₃ ^-, Cl^-, Gesamthärte, Fe³⁺, PO₄ ^3-, SO₄ ²" usw. für die gesammelten Wasserproben bewertet.
In einer Ausführungsform werden in einem Orbitalschüttler 100 ml verschiedener Fluoridlösungen (3 ppm, 5 ppm und 10 ppm) mit unterschiedlichen Mengen an Adsorptionsmitteln (0,5, 1,0, 1,5 und 2,0 g) für verschiedene Kontaktzeiten aufbewahrt und schließlich filtriert, nachdem sie 10 Minuten lang bei 2600 U/min zentrifugiert wurden.
Die detaillierten Charakterisierungstechniken, das synthetische Verfahren und die thermogravimetrische Analyse sind in den begleitenden Informationen aufgeführt. Das behandelte Wasser enthält erzhaltiges Material vom Typ Fluorapatit. Die Anwesenheit von Silikaten verschwand in den chemisch modifizierten Proben, d. h. MW0, MW1 und MW2. Die hygroskopische Oberfläche absorbierte Wasser. Das Vorhandensein der Streck- und Biegeschwingungen von Al-Al-OH in Smektit (eisenhaltige Tonminerale) zeigte, dass die Al³⁺ Modifikationen durch den chemischen Prozess ordnungsgemäß durchgeführt wurden. Die CO₃ ^2- Gruppen verschiedener Erztypen oder die kohlenstoffhaltige Masse, die durch die Vorläufermasse gebildet wird.
Die ersten Verschiebungen stehen für die Anlagerung von F^- Ionen an der Oberfläche dieser Adsorptionsmittel. Der Peak für das im MW vorhandene Erzmaterial vom Typ Fluorapatit wird weder durch die chemische Modifikation noch durch die Adsorptionsbehandlung von F^- beeinträchtigt, was darauf hindeutet, dass die Aufnahme von F^- aus den Staubpartikeln durch Einatmen Fluorose in diesem Gürtel verursachen könnte. Mit der Zunahme von Al³⁺ in der Zusammensetzung nehmen die Oberflächendefekte zu und das E_g nimmt ab. Das E_g von MW2 ist mit 1,97 eV schmaler, was seine photokatalytische Aktivität erhöht.
Die Wasserparameter werden durch Entnahme von Wasserproben in Plastikflaschen aus einigen Bohrbrunnen und an der Oberfläche an verschiedenen Orten in der Umgebung der Phosphatminen von Beldih analysiert. Die gemessenen Wasserparameter sind die Konzentration von F^-, der pH-Wert, die elektrische Leitfähigkeit, die Trübung, der TDS-Wert, der Salzgehalt, der gelöste Sauerstoff, NO₃ ^-, Cl^-, die Gesamthärte, Fe³⁺, PO₄ ^3-, SO₄ ²" usw. für die gesammelten Wasserproben. Es wurden verschiedene Wasserparameter (pH, elektrische Leitfähigkeit, Trübung, TDS, Salzgehalt, gelöster Sauerstoff) und Ionen (F^-, NO₃ ^-, Cl^-, Gesamthärte, Fe³⁺, PO₄ ^3-, SO₄ ²", HCO₃ ^-) gemessen.
Die Untersuchungen zur Fluoridentfernung wurden durchgeführt. Die Entfernung von F^- mit diesem chemisch modifizierten MW und die prozentuale Entfernung von F^- wurden berechnet, indem 100 ml verschiedener Fluoridlösungen (3 ppm, 5 ppm und 10 ppm) mit verschiedenen Mengen an Adsorbentien (0,5, 1,0, 1,5 und 2,0 g) in einem Orbitalschüttler für verschiedene Kontaktzeiten geschüttelt und schließlich nach 10-minütigem Zentrifugieren bei 2600 U/min filtriert wurden. Das mit Al³⁺ modifizierte MW, MW2, hat den maximalen q_e Wert, d.h. 1,32 mg/ g (80 % Fluoridentfernungseffizienz) mit 1,0 g/ 100 ml Adsorptionsmitteldosis bei 60 min Kontaktzeit für die 10 ppm Ausgangsfluoridlösung. Die Adsorption von F^- aus der wässrigen Lösung auf der MW-Oberfläche ist kinetisch gesteuert, da die Anionen (F^-) mit der MW-Oberfläche verankert sind, da MW ein höheres positives Oberflächenpotenzial aufweist, das aus der ξ-Potenzialanalyse hervorgeht. Die aktiven Stellen auf den Adsorbentien adsorbierten problemlos Fluorid aus der wässrigen Lösung. Das Adsorptionsmittel (MW2) mit einer Dosis von 1,0 g/100 ml zeigte optimale Bedingungen für die Entfernung von F^- aus Trinkwasser, die höher sind als die anderen Adsorptionsmitteldosen (g/100 ml). Um die Sättigungszeit der Adsorption herauszufinden, wurde die Kontaktzeit für die 10 ppm Fluoridlösung mit einer Dosis von 1,0 g/100 mL Adsorptionsmittel MW2 bis zu 300 Minuten variiert und es wurde festgestellt, dass nach 60 Minuten Kontaktzeit die Sättigung eintrat. Das Chemisorptionsverhalten wird auch durch die BET-Oberfläche bestätigt. Die BET-Oberfläche von MW2 verringerte sich nach der Adsorption von F^- von 11,05 m²/g auf 0,31 m²/g und das Porenvolumen verringerte sich ebenfalls von 0,062 cc/g auf 0,0003 cc/g. Die Adsorption von F^- aus der wässrigen Lösung erfolgte durch Chemisorption an der MW2-Oberfläche.
Bei den Studien zur photokatalytischen Reduktion von Cr(VI) zur Entfernung von F- wird deutlich, dass MW2 mit einer Dosis von 1,0 g/100 mL Adsorptionsmittel chemisch sehr effizient ist, so dass die photokatalytische Reduktion von Cr(VI) zu Cr(III) mit MW2 in der gleichen Menge durchgeführt wird. Die 100 mL Lösungen von 3 ppm und 5 ppm werden aus den Stammlösungen entnommen und mit 1,0 g MW2 unter Sonneneinstrahlung unter Umgebungsbedingungen zwischen 10 Uhr und 13 Uhr bei einer geographischen Breite und Länge von 23,3613 °N, 86,3399 °E, bzw. mit einer durchschnittlichen Sonnenintensität von 6,01 kW h m^-2 /Tag behandelt. Die Photoreduktion wird gleichzeitig durchgeführt, um den Fehler aufgrund der Schwankungen des Sonnenlichts zu vermeiden.
Die Veränderung der Konzentrationen der Cr(VI)-Lösung wird durch die UV-Spektralanalyse abgeschätzt, bei der der charakteristische Peak für Cr(VI) mit zunehmender Bestrahlungszeit allmählich abnimmt.
zeigen eine grafische Darstellung der BET-Isotherme von (a) MW2 vor der Fluoridadsorption und (b) MW2 nach der Fluoridadsorption, kalziniert bei 650 °C für 2 h.
Die kinetischen und isothermen Studien des Fluoridentfernungsprozesses wurden ausgewertet. Der Einfluss der Kontaktzeit für verschiedene anfängliche Fluoridlösungen (3, 5, 10 ppm) wird durch Änderung der Adsorptionsmitteldosis abgeschätzt, wobei das MW2 eine höhere Fluoridentfernung ergab. Die kinetischen Untersuchungen für das MW2-Adsorptionsmittel mit einer Adsorptionsmitteldosis von 1,0 g/100 ml wurden analysiert, und die Kinetik folgte der Kinetik pseudo-2. Ordnung (R² = 0,987) und nicht der Kinetik pseudo-1. Ordnung (R² = 0,379) bis zu einer Kontaktzeit von 300 Minuten, da die Adsorption durch den Chemisorptionsprozess erfolgte, wie aus den FTIR- und BET-Isothermenstudien hervorgeht. Für 10 ppm Ausgangslösung von F^- wurde die höchste Geschwindigkeitskonstante (k₂) ermittelt. Um den tatsächlichen geschwindigkeitskontrollierenden Schritt des Fluoridadsorptionsprozesses zu untersuchen, wurde ein anderes kinetisches Modell, d.h. das Boyd-Modell und das Bangham-Modell, wie in den Gleichungen (1) und (2) dargestellt, angewandt: $B_{t} = - 0.4977 - ln (1 - F)$
wobei F der Anteil der zu verschiedenen Zeiten t adsorbierten gelösten Stoffe ist und Bt eine mathematische Funktion von F ist, d.h., $F = \frac{q_{t}}{q_{e}}$
qt und qe bezeichnen die Mengen an adsorbiertem Fluorid (mg/g) zu jedem Zeitpunkt bzw. im Gleichgewicht. $log l o g (\frac{c_{o}}{c_{o} - q_{t} m}) = l o g (\frac{K_{o}}{2.303 V}) + \propto l o g t$
wobei C₀ das Gewicht des Adsorptionsmittels (g L^-1), α (< 1) und K₀ Konstanten sind und qt die Menge des adsorbierten Fluorids (mg/g) zu jedem Zeitpunkt angibt. Es wurde festgestellt, dass die Fluoridadsorption auf der MW2-Oberfläche sowohl dem Boyd-Modell als auch dem Bangharm-Modell mit einem höheren R²-Wert (0,99) bis zur Gleichgewichtskontaktzeit, d.h. 60 Minuten, gehorchte, was darauf hindeutet, dass die Filmdiffusion der geschwindigkeitsregulierende Schritt im Fluoridadsorptionsprozess war und die Sättigung bei der 60-minütigen Kontaktzeit eintrat. Die Adsorption von F^- auf der MW2-Oberfläche gehorchte der Langmuir- und Freundlich-Isotherme mit dem Regressionskoeffizienten (R² = 1), und der Freundlich-Koeffizient wurde mit n = 1 ermittelt.
Die kinetische Untersuchung der Photoreduktion von Cr(VI) zu Cr(III) mit MW2 wurde mit Hilfe der UV-Spektralanalyse durchgeführt. Die Änderung der Konzentrationen wurde gemessen und die Kinetik folgte der Lindemann-Hinshelwood (L-H) Pseudo-Kinetik erster Ordnung; die kinetischen Daten wurden in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1: Kinetische Ergebnisse des MW2 mit einer Dosis von 1,0 g/100 ml Adsorptionsmittel für verschiedene konzentrierte Ausgangslösungen von F^-a und Cr(VI)-Lösungen

Anfangskonzentration (ppm)	Pseudo-Kinetik zweiter Ordnung ^a		Pseudo-Kinetik erster Ordnung ^b
Anfangskonzentration (ppm)	K₂	R²	K₁	R²
3^a	0.039	0.99
5^a	0.045	0.99
10^a	0.143	0.987
3^b			4.01	0.99
5^b			3.92	0.99

Die Photoreduktion von 3 ppm und 5 ppm Cr(VI)-Lösungen erfolgt bei 120 min und 150 min mit 81,89 bzw. 78,94 % Abbau- bzw. Photoreduktionseffizienz. Die kinetischen Untersuchungen ergaben, dass die k1-Werte von den Anfangskonzentrationen (Co) von Cr(VI) abhängen und mit einem Anstieg von C₀ abnehmen.
Die FTIR-Analyse des MW2 nach der Cr(VI)-Photoreduktion ergab, dass die Adsorption von Cr(VI) und Cr(III) an der MW2-Oberfläche erfolgte. Somit wurde das L-H-Komplex-Modell für das heterogen katalysierte Modell aufgestellt. Aus dem L-H-Komplex-Modell werden die Werte von k_r und k_s als 0,0034 g L^-1 s^-1 bzw. 0,0118 L g^-1 ermittelt.
Die pH- und Wiederverwendungsstudie zur Fluoridentfernung und Photoreduktion von Cr(VI) wird analysiert. Die Fluoridentfernung und die Photoreduktion von Cr(VI) wurden in verschiedenen pH-Medien (pH 2-11) durchgeführt, wobei die Dosis von MW2 1,0 g/100 ml betrug. MW2 ist ein guter F^- Fänger und ein guter Photokatalysator in einem weiten pH-Bereich (pH 2-11) und die Stabilität von MW2 in verschiedenen pH-Medien wird durch die ξ-Potentialstudie bestätigt. Die Oberflächenladung von MW2 variiert mit dem pH-Wert und daher werden die potenziellen elektrostatischen Wechselwirkungen auf MW2 mithilfe des ξ-Potenzials gemessen, um die Art der Oberflächenladung zu ermitteln. MW2 zeigte eine höhere positive Ladung (18,2 mV) bis zu einem pH-Wert von 7 und zeigte eine Affinität zu negativen Ionen (Fluorid und Dichromat). Da die MW mit dem harten Zentrum Al³⁺ modifiziert sind und aufgrund der besseren Affinität zu F^-, erfolgte die Chemisorption von F^- auf dem MW2-Bett spontan, was auch durch die FTIR-Analyse bestätigt wurde. Aus der pH-Studie geht hervor, dass MW2 bei einem pH-Wert von 7,0 ein guter F-Fänger und ein guter Photokatalysator sein könnte. Die pH-Studien, die sich aus der Photoreduktion bei verschiedenen pH-Werten ergaben, konnten auf der Grundlage des Oxyanionen-Gleichgewichts von Cr(VI) in verschiedenen pH-Medien erstellt werden. Der pH-gesteuerte Mechanismus der Cr(VI)-Photoreduktion durch MW2 basiert auf einem pH-gesteuerten Oberflächenladungsmodell. Die Variation der prozentualen Photoreduktionseffizienz von 3 ppm und 5 ppm Cr(VI)-Lösung wird auch durch die Pseudo-Kinetik erster Ordnung der Cr(VI)-Photoreduktion in verschiedenen pH-Medien unter Verwendung von 1,0 g/ 100 mL MW2 unterstützt.
Der Wiederverwendbarkeitstest wurde für die MW2-Probe für die 10-ppm-Ausgangsfluoridlösung mit einer Adsorptionsmitteldosis von 1,0 g/100 ml durchgeführt, wobei die gesammelten Adsorbentien zur Auslaugung der adsorbierten Fluoride mit 0,1 (M) HCl behandelt und mit 0,1 (M) NaOH titriert wurden. Es wurde festgestellt, dass sie viermal wiederverwendbar sind, wobei die Fluoridentfernungskapazität im Vergleich zum ersten Zyklus um ~3 % abnahm. MW2 war in der Lage, als guter Photokatalysator für die Cr(VI)-Reduktion zu fungieren. Der Regenerationsprozess von MW2 für die Cr(VI)-Reduktion wird zusammen mit der Stabilität von MW2 im Photoreduktionsprozess durch die FTIR- bzw. XRD-Analyse analysiert.
Die FTIR-Untersuchung ergab, dass der MW verschiedene Arten von Mineralien wie Fluorapatit, Smektit, Karbonate und Silikate verschiedener Metalle (Ca²⁺, Fe³⁺) enthält. Die Auslaugung der verschiedenen Anionen wie (F^- ,PO₄ ^3-, SO₄ ^2-, CO₃ ^-) aus den in der Geologie des Krustengebiets vorhandenen Erzarten wird durch den pH-Wert des Grundwassers gesteuert. Bei einem pH-Wert von > 7 ist das Erzbett mit den anderen konkurrierenden Anionen (PO₄ ^3-, SO, CO₄ ^2- ₃ . usw.) gesättigt, was zu einer Auslaugung von F^- in das Wasser führt, wobei die Proben BDH1, BDH8, BDH9 und BDH10 bei einem pH-Wert von > 7 einen hohen Fluoridgehalt aufwiesen. Aufgrund des pH-Faktors erfolgte die Bildung von F- spontan, was zum Vorhandensein von freiem F^- im Grundwasser führte.
Die Phosphat-MW werden chemisch modifiziert, wobei insbesondere der Silikatanteil entfernt und eine Al³⁺ (harter Kern) Beschichtung vorgenommen wird, die die F^- Adsorptionseffizienz des Materials im Vergleich zur natürlichen Probe erhöht, wie die FTIR-Studien zeigen.
Der Anionenaustauschmechanismus mit Carbonat wird durchgeführt, um eine Metall-Fluorid-Bindung (M-F) zu bilden. Die Feldwasserproben wurden mit MW2 behandelt, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Das Adsorptionsmittel war in der Lage, F^- bis zu 70 % der F^- - Entfernungseffizienz zu entfernen. Da die Feldproben andere störende Co-Ionen enthielten, z. B. Cl^-, NO₃ ^-, SO₄ ^2-, PO₄ ^3-, CO₃ ^2- usw., sank die Entfernungseffizienz von 80 % auf 70 %.
Tabelle 2: Feldwasseraufbereitung mit MW2 bei einer Adsorptionsmitteldosis von 1,0 g/100 mL und einer Kontaktzeit von 60 min bei 30 °C
Aus der FTIR-Analyse und den Studien zur Eisenbestimmung des MW geht hervor, dass die Probe eine große Menge an Eisen enthielt. Unter Verwendung der Verbrennungsmethode in Lösung wurde das MW mit Al³⁺ Ionen in verschiedenen Verhältnissen modifiziert, wobei MW2 eine gute Photoreduktionseigenschaft zeigte. Das E_g von MW2 (E_g = 1,97 eV) ist schmaler als MW0 (E_g =2,01 eV) und MW1 (E_g =2,00 eV). Da die Probe MW2 hauptsächlich aus Fe und Al besteht, wird anhand des Reduktionspotentials (E°) der Photoreduktionsmechanismus von Cr(VI) zu Cr(III) konstruiert. Durch das Vorhandensein von Al³⁺ Ionen wanderten die negativ geladenen Cr O₂₇ ^- Ionen leicht zur MW2-Oberfläche und die Reduktion von Cr(VI) zu Cr(III) erfolgte mit Hilfe der im MW2 vorhandenen Eisenzentren.
Das Phosphat-MW-Material aus der erschöpften Beldih-Phosphatmine wurde chemisch mit Al³⁺ unter Verwendung der Verbrennungsmethode modifiziert, und es wurden vergleichende Studien zur Fluoridentfernung mit geeigneten kinetischen und mechanistischen Studien und einer pH-gesteuerten Auslaugung verschiedener Anionen zusammen mit F^- im Grund- und Oberflächenwasser durchgeführt. Die moderate Beendigung der Auslaugung von F^- durch den Erztyp aufgrund der Wasser-Erz-Interaktion durch den Anionenaustausch-Mechanismus wurde ebenfalls zum ersten Mal vorgeschlagen. Die Parameter des gesammelten Feldwassers wurden gründlich untersucht und mit der Geologie dieses Gürtels korreliert. Das mit Al³⁺ modifizierte MW-Material MW2 erwies sich in der XRD-Studie als triklin und zeigte eine starke Affinität zur Fluoridentfernung mit einem Wirkungsgrad von 80 % bei einer Adsorptionsmitteldosis von 1,0 g/100 ml, ohne den pH-Wert des natürlichen Wassers stark zu beeinflussen, was durch die ξ-Potenzialstudie bestätigt wurde. Die Adsorption von F^- erfolgte durch Chemisorption, unterstützt durch FTIR- und BET-Oberflächenstudien, und folgte der Kinetik pseudo-2^nd -Ordnung. Die Geschwindigkeitskonstante pseudo-2. Ordnung (k₂ = 0,143 g min/mg) ist am höchsten für MW2 bei 10 ppm anfänglicher F^- Lösung. Die Adsorption von F^- erfolgte durch Filmdiffusion, wie aus dem kinetischen Modell von Boyd und Bangham hervorgeht. MW2 ist in der Lage, Cr(VI) unter Sonneneinstrahlung bei pH 7 photokatalytisch zu reduzieren und folgte der Lindemann-Hinshelwood (L-H) Pseudo-Kinetik erster Ordnung mit einer Geschwindigkeitskonstante von 10^-5 s^-1 und dem L-H Komplexmodell. Die pH-gesteuerte Photoreduktion von Cr(VI) zu Cr(III) wurde ebenfalls anhand des pH-gesteuerten Oberflächenladungsmodells nachgewiesen. Außerdem wurde die Kinetik der Variation der Photoreduktionseffizienz (%) von Cr(VI) mit dem pH-Wert der Lösung analysiert. MW2 konnte für beide Analysen 4 Mal wiederverwendet werden. In dieser Studie wurde das in-situ F-Adsorptionsverhalten des im Beldih vorkommenden Erzes durch einen pH-gesteuerten Anionenaustauschmechanismus nachgewiesen und ein neuartiges heterogenes Material aus MW durch chemische Modifikation von Al³⁺ als F^-Adsorptionsmittel und Photokatalysator zur Reduktion von Cr(VI) zu Cr(III) unter Verwendung einer natürlich vorkommenden erneuerbaren Lichtquelle, d.h. Sonneneinstrahlung, entwickelt.
Die Zeichnungen und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. So kann beispielsweise die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Handlungen eines Flussdiagramms nicht in der dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Handlungen ausgeführt werden. Auch können die Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.
Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass ein Vorteil, ein Nutzen oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.

Claims

Vorrichtung (100) zur Durchführung von Fluoridadsorption und Photoreduktion von Chrom (Cr(VI)) unter Verwendung von heterogenem Al³⁺ modifiziertem Minenabfall, wobei die Vorrichtung (100) Folgendes umfasst: einen Behälter (102) zum Sammeln von Abwasser aus einer Quelle; eine am Behälter (102) angebrachte Verbrennungskammer (104) zur Durchführung der Verbrennung des gesammelten Abwassers zur Herstellung von durch einen chelatbildenden Liganden modifiziertem Aluminium-Minenabfallmaterial und einer schwarzen Masse; und eine an die Brennkammer (104) angeschlossene Kalzinierkammer (106) zum Kalzinieren des aufbereiteten Minenabfallmaterials für ein definiertes Intervall bei einer definierten Temperatur, um Fluorid zu adsorbieren und Chrom (Cr(VI)) zu (Cr(III)) zu reduzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der chelatbildende Ligand Triethanolamin (TEA) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kalzinierungskammer die Kalzinierung in dem definierten Temperaturbereich von 600-700° C und dem definierten Intervallbereich von 1-3 Stunden durchführt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von Wasserparametern auf der Grundlage von Parametern wie F^-Konzentration, pH, elektrische Leitfähigkeit, Trübung, TDS, Salzgehalt, gelöster Sauerstoff, NO₃ ^-, Cl^-, Gesamthärte, Fe³⁺, PO₄ ^3-, SO₄ ^2- usw. für die gesammelten Wasserproben bewertet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in einem Orbitalschüttler 100 ml verschiedener Fluoridlösungen (3 ppm, 5 ppm und 10 ppm) mit verschiedenen Mengen an Adsorptionsmitteln (0,5, 1,0, 1,5 und 2,0 g) für verschiedene Kontaktzeiten aufbewahrt und schließlich nach 10-minütigem Zentrifugieren bei 2600 U/min filtriert werden.