Show simple item record

Synthesis, characterisation and application iron and manganeous based sorbents for arsenic removal from water

dc.contributor.advisorAgbaba, Jasmina
dc.contributor.otherTubić, Aleksandra
dc.contributor.otherAgbaba, Jasmina
dc.contributor.otherŠćiban, Marina
dc.contributor.otherKragulj-Isakovski, Marijana
dc.contributor.otherWatson, Malcolm
dc.creatorNikić, Jasmina
dc.date.accessioned2019-09-09T13:30:30Z
dc.date.available2019-09-09T13:30:30Z
dc.date.available2020-07-03T13:46:44Z
dc.date.issued2019-07-12
dc.identifier.urihttps://www.cris.uns.ac.rs/DownloadFileServlet/Disertacija155687567520253.pdf?controlNumber=(BISIS)110643&fileName=155687567520253.pdf&id=12833&source=NaRDuS&language=srsr
dc.identifier.urihttp://nardus.mpn.gov.rs/handle/123456789/11304
dc.identifier.urihttps://www.cris.uns.ac.rs/record.jsf?recordId=110643&source=NaRDuS&language=srsr
dc.identifier.urihttps://www.cris.uns.ac.rs/DownloadFileServlet/IzvestajKomisije155618569791497.pdf?controlNumber=(BISIS)110643&fileName=155618569791497.pdf&id=12831&source=NaRDuS&language=srsr
dc.identifier.urinull/DownloadFileServlet/IzvestajKomisije155618569791497.pdf?controlNumber=(BISIS)110643&fileName=155618569791497.pdf&id=12831
dc.description.abstractPrisusutvo  arsena  u  podzemnim  vodama,  koje  se  primenjuju  za vodosnabdevanje stanovništva je globalan problem. Različiti  konvencionalni procesi  se primenjuju  za  uklanjanje  arsena iz vode, uključujući koagulaciju i flokulaciju,  sorpciju,  membransku  filtraciju  i  jonsku  izmenu.  Uzimajući  u obzir relativnu nisku cenu, jednostavnu kontrolu procesa i održavanje, visok stepen uklanjanja arsena, sorpcija se smatra jednom od najpodobnijih tehnika za uklanjanje arsena u tretmanu vode za piće. Premda su na tržištu dostupni različiti  sorbenti  za  uklanjanje  arsena,  postoji  potreba  za  iznalaženjem  i razvojem  novih  low-cost  sorbenata,  a  kojima  bi  se  pak  mogao  obezbediti visok stepen uklanjanja oba oksidaciona oblika  arsena,  i  As(III) i As(V). Cilj ovog rada bio je usmeren na sintezu i karakterizaciju novih sorbenata na bazi gvožđa  i  mangana  odnosno  Fe-Mn  binarnog  oksida,  ispitivanje  njihovog potencijala  za  uklanjanje  arsena  iz  vode  i  utvrđivanje  da  li  novosintetisani sorbenti po pitanju efikasnosti, mogu konkurisati postojećim komercijalnim i široko korišćenim sorbentima u tretmanima voda. Metodom  precipitacije,  sintetisani  su  Fe-Mn  binarni  oksidi  sa  različitim Fe:Mn  molskim  odnosima  1:1,  3:1,  6:1  i  9:1,  dok  su  kombinacijom heterogene  nukleacione  tehnike  i  precipitacije,  sintetisana  i  četiri  sorbenta magnetnih  svojstava  (Mag,  Mag-Fe,  Mag-Mn,  Mag-FeMn).  Modifikacijom biopolimera  Chitosana  i  GAC,  sa  Fe-Mn  binarnim  oksidom,  razvijena  su preostala  dva  materijala  Chit-FeMn,  odnosno  GAC-FeMn.  Sintetisani sorbenti su karakterisani različitim tehnikama i metodama (SEM/EDS, XRD,FTIR, BET).Fizičko-hemijskom karakterizacijom sintetisanih sorbenata ustanovljeno je da se Fe-Mn binarni oksidi i magnetni materijali, karakterišu relativno velikim specifičnim  površinama  (109-300  m 2 /g)  i  zapreminama  mezopora (0,144-0,403  cm 3 /g).  Velika  specifična  površina  i  razvijena  mikroporozna struktura uočena je kod GAC-FeMn (996 m 2 /g; 0,394 cm 3 /g). U poređenju sa ostalim  sintetisanim  sorbentima,  Chit-FeMn  je  karakterisala  najmanja specifična  površina  i  zapremina  mezopora  (1,99  m 2 /g;  0,014  cm 3 /g).  XRD analiza  Fe-Mn  binarnih  oksida  ukazala  je  da  je  fazna  struktura  sintetisanih Fe-Mn  binarnih  oksida  slična  ferihidratu  dok  je  fazna  struktura  magnetnih materijala ukazala na prisustvo magemita. Ispitivanja kinetike sorpcionog procesa ukazala su da je mehanizam sorpcije As(III)  i  As(V)  na  sintetisanim  sorbentima  sloţena  kombinacija  površinske hemisorpcije,  koja  se  odvija  kroz  granični  sloj  čestica  sorbenata  i unutarčestične difuzije. Tome u prilog išli su i rezultati FTIR analize kojima je potvrđeno da se sorpcija arsena na sintetisanim sorbentima ostvaruje kroz interakcije hidroksilnih grupa gvožđa prisutnih na površini sorbenata i arsena. Dodatno, pokazano je da se za razliku od sorpcije As(V), sorpcija As(III) na sorbentima  koji  pored  oksida  gvožđa  sadrže  i  okside  mangana  (Fe-Mn binarni oksidi, Mag-FeMn, Mag-Mn,Chit-FeMn i GAC-FeMn) odvija u dva koraka. U prvom koraku As(III) se oksiduje do As(V), dok u drugom koraku, oksidovani  As(V)  mehanizmom  ligandne  izmene  formira  komplekse  na površini ovih sorbenata. Afiniteti sorpcije Fe-Mn binarnih oksida (na osnovu Kd vrednosti)  za As(III) opadali su u nizu Fe-Mn 3:1 > Fe-Mn 1:1 > Fe-Mn 6:1 > Fe-Mn 9:1 odnosno kod  As(V):  Fe-Mn  6:1  >  Fe-Mn  3:1  >  Fe-Mn  9:1  >  Fe-Mn  1:1.  Kod magnetnih kompozita,  najveća Kd vrednost za As(III) i As(V) ustanovljena je kod  Mag-FeMn.  Uopšteno,  Kd vrednosti  za  As(III),  kod  magnetnih kompozita,  opadale  su  u  nizu:  Mag-FeMn  >  Mag-Mn  >  Mag  >  Mag-Fe, Slično, afinitet sorbenata za As(V), opadao je na sledeći način: Mag-FeMn > Mag  >  Mag-Fe  >  Mag-Mn.  U  poređenju  sa  neimpregniranim,  Kd vrednosti bile su daleko veće kod obloţenih materijala, Chit-FeMn i GAC-FeMn, što je ukazalo  na  značajan  doprinos  Fe-Mn  binarnog  oksida  adsorpcionom kapacitetu neimpregniranih medija za As(III) i As(V). U  odnosu  na  ostale  ispitivane  anjone,  najveći  uticaj  na  sorpciju  oba  oblika arsena  na  svim  sintetisanim  sorbentima  uočen  je  kod  fosfata,  dok  je  uticaj nitrata i hlorida, u svim slučajevima bio bez značaja. Uticaj ispitivanih anjona na  sorpciju  As(III)  i  As(V)  na  Fe-Mn  binarnim  oksidima,  magnetnim materijalima, Chit-FeMn kao i na sorpciju As(V) na GAC-FeMn, opadao je u nizu: fosfati > silikati > karbonati > sulfati > nitrati > hloridi. Slično, uticaj ispitivanih  anjona  na  sorpciju  As(III)  na  GAC-FeMn  je  opadao  na  sledeći način: fosfati > silikati > sulfati > karbonati > nitrati > hloridi.Primenom  smeše  NaCl-NaOH-NaOCl  odnosno  primenom  0,1  M  i  0,5  M  rastvora NaOH, ustanovljeno je da se sintetisani sorbenti mogu jednostavno i  efikasno  regenerisati  i  višestruko  primeniti,  što  je  od  izuzetnog  značaja  sa ekološkog i ekonomskog aspekta.  Najmanje smanjenje sorpcionog kapaciteta  i za As(III) i za As(V), nakon pet ciklusa sorpcije -desorpcije, ustanovljeno je kod binarnog oksida sa Fe:Mn molskim odnosom 3:1 i Mag-FeMn.  Na osnovu rezultata prikazanih u ovom radu, može se zaključiti da sintetisani sorbenti,  Fe-Mn  binarni  oksidi  i  magnetni  kompoziti,  posebno  Mag-FeMn, mogu  biti  efikasna  i  ekonomična  alternativa  skupim  komercijalnim sorbentima  i  drugim  sofisticiranim  tehnologijama.  Visok  oksidacioni  i sorpcioni kapacitet ovih  materijala, koji obezbeđuje istovremeno uklanjanje  oba oksidaciona oblika arsena daje veliku prednost ovim sorbentima i čini ih veoma  atraktivnim  i  obećavajućim  u  tretmanu  voda.  Dodatni  benefit magnetnih  sorbenata,  pre  svega  Mag-FeMn,  ogleda  se  u  njegovoj jednostavnoj separaciji iz vodenog medijuma i recirkulaciji u sistemu. Glavne prednosti  sintetisanih  Chit-FeMn  i  GAC-FeMn,  ogledaju  se  u  mogućnosti  njihove primene kao efikasne filtracione ispune.sr
dc.description.abstractThe  presence  of  inorganic  arsenic  in  groundwater  used  for  drinking  water supply  is  a  global  problem.  Different  techniques  such  as  oxidation, coagulation,  adsorption,  ion  exchange,  and  membrane  filtration  have  been developed  and  applied  for  arsenic  removal  from  aqueous  media.  Among these  technologies,   adsorption  is  regarded  as  one  of  the  most  promising approaches to remove arsenic from water because of its high efficiency, low cost, simplicity of operation. Although many sorbents for arsenic removal are available on the market, there is still a need to identify and develop new  lowcost  sorbents which are highly effective in removing both oxidation states of arsenic, As(III) and As(V). This dissertation therefore presents the synthesis and  characterization  of  ten  new  iron  and  manganese  based  sorbents specifically developed for effective As removal. The Fe- Mn binary oxides were prepared with Fe:Mn molar ratios of 1:1, 3:1,6:1 and 9:1, while four heterogeneous magnetic composites (Mag, Mag-Fe,Mag-Mn,  Mag-FeMn)  were  synthesized  by  combining  the  heterogeneous nucleation  technique  with  precipitation.  The  remaining  two  materials, Chit-FeMn  and  GAC-FeMn,  were  created  by  modifying  the  Chitosan  and GAC  biopolymers  with  Fe-Mn  binary   oxide  (Chit-FeMn  and  GAC-FeMn).Multiple  techniques  were  applied  to  determine  the  physical  and  chemical characteristics  of  the  resulting  sorbents  (including  SEM/EDS,  XRD,  FTIR and BET analyses). In order to establish which sorbents show  the greatest promise for application during  drinking  water  treatment,  the  sorption  capacity  of  the  sorbents,  theAs(III)  and  As(V)  sorption  mechanisms,  and  the  impact  of  various  factors relevant to arsenic sorption, including the regeneration potential and the reuse potential of the sorbents, were all investigated in  batch experiments. During the physical characterisation, the Fe-Mn binary oxides and magnetic materials  were  found  to  have  relatively  large  specific  surface  areas (109-300 m 2 /g) and mesopore volumes (0.144-0.403 cm 3 /g).  A large specific surface  area  and  microporous  structure  was  observed  for  GAC-FeMn  (996 m 2 /g;  0.394  cm 3 /g).  In  comparison  with  the  other  synthesized  sorbents,  Chit-FeMn has the smallest specific surface area and pore volume (1.99 m 2 /g; 0.014  cm 3 /g).  XRD  analyses  of  the  Fe-Mn  binary  oxides  indicated  that  the phase  structure  of  the  synthesized  Fe-Mn  binary  oxides  was  similar  to ferrihydrate,  while  the  phase  structure  of  the  magnetic  materials  showed  a good agreement with the XRD diffractogram of maghemite. Investigations into As sorption process kinetics have shown that the sorption mechanism  for  both  As(III)  and  As(V)  on  the  synthesized  sorbents  is  a combination  of  surface  hemisorption,  which  takes  place  through  the boundary  layer  of  sorbent  particles,  and  intracellular  diffusion.  The  FTIR analyses  confirmed  that  arsenic  sorption  was  accomplished  through  the interactions  of  the  hydroxyl  groups  of  iron  present  on  the  surface  of  the sorbents and arsenic. In contrast to the sorption of As(V), it was also shown that  As(III)  sorption  onto  sorbents  containing  manganese  oxides  (Fe-Mn binary  oxides,  Mag-FeMn,  Mag-Mn,  Chit-FeMn  and  GAC  -FeMn)  takes place in two steps. In the first step As(III) is oxidized to As(V), while in the second  step,  the  oxidized  As(V)  forms  complexes  on  the  surface  of  the sorbents via ligand exchange. The  Fe-Mn  binary  oxide  sorption  capacities  (expressed  as  Kd values)  for As(III)   followed the trend Fe-Mn 3:1 > Fe-Mn 1:1 > Fe-Mn 6:1 > Fe-Mn 9:1, whereas the  As(V) trend was Fe-Mn 6:1 > Fe-Mn 3:1 > Fe-Mn 9:1 > Fe-Mn 1:1. In the magnetic  composites, the largest  Kd value for As(III) and As(V) was  obtained  for  Mag-FeMn.  Generally,  the  Kd values  for  As(III)  in  the magnetic composites decreased in the series: Mag-FeMn > Mag-Mn > Mag > Mag-Fe.  Similarly,  the  affinity  of  the  sorbents  for  As(V)  was  as  follows: Mag-FeMn  >  Mag  >  Mag-Fe  >  Mag- Mn.  In  comparison  to  the  nonimpregnated  materials,  the  Kd values  were  much  higher  for  the   boated materials,  Chit-FeMn  and  GAC-FeMn,  demonstrating  the  significant advantage  Fe-Mn  binary  oxides  provide  in  increasing  As(III)  and  As(V)  adsorption capacities. One  of  the  most  problematic  limiting  factors  in  applying  adsorption technologies during drinking water treatment is the presence of other water constituents which interfere with the adsorption process.  Investigations into the inhibitory effect of competive anions on the adsorption of both forms of arsenic  revealed  that  phosphates  were  the  worst  offenders  in  terms  ofreducing  the  arsenic  removal  efficacy  of  sorbents  investigated.  From  the largest  to  the  smallest  negative  influence  of  the  anions  investigated,  for As(III)  and  As(V)  adsorption  on  Fe-Mn  binary  oxides,  magnetic  materials and Chit-FeMn, as well as As(V) adsorption on GAC-FeMn, the order was: phosphates > silicates > carbonates > sulfates > nitrates > chlorides, with the presence  of  the  latter  two  anions  proving  almost  irrelevant  to  the  As adsorption  process.  Similarly,  the  negative  influence  of  anions  on  As(III) sorption on GAC-FeMn was: phosphates > silicates > sulphates > carbonates > nitrates > chlorides. Another  issue  with  applying  adsorption  in  real  treatment  conditions  is  the need to regularly  regenerate and/or replace the spent sorbent. In this work, a simple  and  efficient  process  for  sorbent   rfegeneration  is  demonstrated.  This regeneration  process  can  be  applied  to  the  sorbents  investigated  multiple times, and uses an NaCl-NaOH-NaOCl mixture, or 0.1 M and 0.5 M NaOH solutions.  This  finding  is  of  great  importance  from  an  ecological  and economic point of view. The minimum reduction in the sorption capacity for both As(III) and As(V), after five sorption-regeneration cycles, was found in  the  binary  oxide  with  a  3:1  Fe:Mn  molar  ratio  and  Mag-FeMn.  Arsenic sorption  behaviour  was  also  investigated  using  real  groundwater  samples, with the results demonstrating the great potential of 3:1 Fe-Mn binary oxide and Mag- FeMn. However, Chit-FeMn and GAC-FeMn were less effective at adsorbing As from the groundwater samples.Based on the results presented in this dissertation, it can  be concluded that the synthesized  sorbents,  especially  the  Fe-Mn  binary  oxides  and  magnetic composites,  and  Mag-FeMn  in  particular,  can  be  efficient  and  economical alternatives  to  expensive  commercial  sorbents  and  other  sophisticated  As removal  technologies.  The  high  oxidation  and  sorption  capacity   of  these materials,  which  ensure  the  simultaneous  removal  of  arsenic  with  both oxidation states, is a large advantage for these sorbents and makes them very attractive  and  promising  for  application  in  drinking  water  treatment.  An additional  benefit of the magnetic sorbents, primarily Mag-FeMn, is the ease with  which  they  may  be  separated  from  the  aqueous  medium,  allowing  for simple  recirculation within a system. Similarly,  the main advantages of  the synthesized Chit- FeMn and GAC-FeMn are reflected in their application as effective filtration media.en
dc.languagesr (latin script)
dc.publisherУниверзитет у Новом Саду, Природно-математички факултетsr
dc.rightsopenAccessen
dc.sourceУниверзитет у Новом Садуsr
dc.subjectarsensr
dc.subjectarsenicen
dc.subjectvoda za pićesr
dc.subjectsorpcijasr
dc.subjectFe-Mn ‚binarni oksidsr
dc.subjectmehanizam sorpcijesr
dc.subjectdrinking wateren
dc.subjectsorptionen
dc.subjectFe-Mn binary oxideen
dc.subjectsorption mechanismen
dc.titleSinteza, karakterizacija i primena sorbenata na bazi gvožđa i mangana za uklanjanje arsena iz vodesr
dc.title.alternativeSynthesis, characterisation and application iron and manganeous based sorbents for arsenic removal from wateren
dc.typedoctoralThesisen
dc.rights.licenseBY-NC-ND
dc.identifier.fulltexthttp://nardus.mpn.gov.rs/bitstream/id/38964/Disertacija.pdf
dc.identifier.fulltexthttp://nardus.mpn.gov.rs/bitstream/id/38965/IzvestajKomisije.pdf


Files in this item

Thumbnail
Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record