Integrated approach of raw and modified fibrous clay minerals application for nitrate and ammonium removal from water systems

Abstract

At the present thesis, the integrated approach of the fibrous clay minerals application as NO3--N and NH4+-N adsorbents was examined. Both palygorskite (Pal) and sepiolite (Sep) were selected as human and environmental- friendly materials to remove exceeded concentrations of NO3- -N and NH4+-N from contaminated aquifers as adsorbents, whereas their potential reusability (saturation test), leaching rate of adsorbed contaminants (desorption study) and further exploitation (hydroponic cultivations) to avoid secondary pollution, were extensively discussed. Also, to gain enhanced adsorption efficiencies of the pollutants mentioned, both Pal and Sep underwent acid (HCl 1M) and thermal (400 oC) treatment. The specific modification techniques were selected due to their simplicity and because they are environmentally friendly. The optimal conditions for the N- ions removal was determined via batch kinetic experiments series (effect of adsorbent dosage, initial pollutant concentration, pH) and fixed- bed reactors under various continuous flow rates. The insight of removal mechanism was also determined via characterization methods X-Ray Diffraction, Scanning Electron Microscopy, N2 adsorption- desorption isotherms, Fourier-Transform Infrared Spectroscopy, Thermal Gravimetric Analysis, Ζeta potential and X-Ray Fluorescence techniques and molecular simulations as well.

Η συγκεκριμένη μελέτη επικεντρώνεται στην ολοκληρωμένη διαχείριση των ινωδών αργιλικών ορυκτών σαν προσροφητές νιτρικού (NO3--N) και αμμωνιακού αζώτου (NH4+-N). O παλυγορσκίτης και ο σεπιόλιθος επιλέχθηκαν σαν φιλικά υλικά/ προσροφητές, εξίσου ως προς τον άνθρωπο και το περιβάλλον, για την απομάκρυνση νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου από ρυπασμένους υδροφόρους. Συγκεκριμένα, η δυνατότητα επαναχρησιμοποίησής τους, ο ρυθμός εκρόφησης, καθώς και η μετέπειτα διαχείριση τους διερευνήθηκαν εκτενώς. Επίσης, για να επιτευχθεί ακόμα μεγαλύτερη ικανότητα απομάκρυνσης, ο παλυγορσκίτης και ο σεπιόλιθος δέχθηκαν όξινη και θερμική τροποποίηση με υδροχλωρικό οξύ (1Μ) και ξήρανση στους 400 oC αντίστοιχα. Οι συγκεκριμένες τεχνικές επιλέχθηκαν ανάμεσα σε πολλές λόγω της απλότητας της διαδικασίας τους καθώς και τη διατήρηση της φιλικότητας προς το περιβάλλον. Προκειμένω να προσδιοριστούν οι βέλτιστες συνθήκες για την απομάκρυνση και των δύο αζωτούχων ρύπων, διεξήχθησαν πειράματα σε υδατικά διαλύματα (batch πειράματα, λαμβάνοντας υπόψιν την επίδραση της μάζας προσροφητή, την αρχική συγκέντρωση του ρύπου, pH) και σε στήλες συνεχούς ροής, εξετάζοντας διαφορετικές τιμές παροχών. Ο ακριβής μηχανισμός απομάκρυνσης του εκάστοτε ρύπου διερευνήθηκε χρησιμοποιώντας τις τεχνικές χαρακτηρισμού XRD, SEM, BET, FT-IR, TGA, δυναμικό -ζ και XRF, καθώς και μέσω μοριακής μοντελοποίησης.