Μελέτη απομάκρυνσης υδραργύρου από νερό και απαέρια

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη ενός προσροφητικού με υψηλή πυκνότητα αρνητικού επιφανειακού φορτίου και υψηλή ειδική επιφάνεια με στόχο τόσο την απομάκρυνση υδραργύρου και άλλων βαρέων μετάλλων από το πόσιμο νερό, όσο και την απομάκρυνση υδραργύρου από τα απαέρια καύσης λιγνίτη. Επιπλέον, στόχος της διατριβής ήταν η μελέτη του μηχανισμού δέσμευσης του υδραργύρου, με έμφαση στη διεργασία οξείδωσης του στοιχειακού υδραργύρου των απαερίων. Προς την κατεύθυνση αυτή μελετήθηκαν τα υδροξυ-οξείδια σιδήρου (FeOOH) και τα υδροξυ-οξείδια σιδήρου-μαγγανίου (Fe/MnOOH), η σύνθεση των οποίων έγινε με κριτήριο τη βελτιστοποίηση - μεγιστοποίηση της ειδικής επιφάνειας και της πυκνότητας του αρνητικού επιφανειακού φορτίου. Η αξιολόγηση των προσροφητικών έγινε σύμφωνα με την προσροφητική τους ικανότητα στο νομοθετικό όριο (Regulation Limit) QRL, δηλαδή την απόδοσή τους σε συγκέντρωση ισορροπίας είτε ίση με το όριο ποσιμότητας 1 μg Hg/L (Q1), είτε ίση με το όριο εκπομπής υδραργύρου 50 μg Hg/m3 (Q50).Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι τα Fe/MnOOH παρουσιάζουν υψηλότερη πυκνότητα αρνητικού επιφανειακού φορτίου και ισχυρή οξειδωτική δράση, γεγονός που οφείλεται στη μερική αντικατάσταση του Fe(III) στη δομή των FeOOH με Mn(IV). Η βελτιστοποίηση του αρνητικού επιφανειακού φορτίου και της οξειδωτική δράσης των Fe/MnOOH επιτεύχθηκε μέσω της σύνθεσής τους στο εύρος pΗ 4-12 υπό μέγιστο δυναμικό οξειδοαναγωγής, το οποίο εξασφαλίζονταν με την περίσσεια Mn(VII) στην περιοχή. Η ικανότητα απομάκρυνσης υδραργύρου των Fe/MnOOH είναι ανάλογη κυρίως της πυκνότητας αρνητικού επιφανειακού φορτίου, ενώ η επίδραση της ειδικής επιφάνειας φαίνεται να είναι μικρή. Επίσης τα Fe/MnOOH είναι ικανά να δεσμεύσουν τον υδράργυρο σε υπολειμματικές συγκεντρώσεις μικρότερες τόσο από το όριο ποσιμότητας, όσο και από το όριο εκπομπής απαερίων. Αντίθετα, τα FeOOH παρουσιάζουν χαμηλότερη απόδοση απομάκρυνσης υδραργύρου από το νερό, γεγονός που οφείλεται τόσο στη σημαντικά χαμηλότερη πυκνότητα αρνητικού επιφανειακού φορτίου, όσο και στη μικρότερη ειδική επιφάνεια. Επίσης, η απόδοση των FeOOH στην απομάκρυνση υδραργύρου από τα απαέρια είναι αμελητέα εξαιτίας της απουσίας οξειδωτικής ικανότητας, καθώς η κύρια μορφή υδραργύρου στα απαέρια είναι Hg0.Η αξιολόγηση των προσροφητικών μέσω ισόθερμων προσρόφησης σε νερό NSF, η σύσταση του οποίου προσομοιάζει αυτή των φυσικών νερών και pH ισορροπίας 7, αποκάλυψε ότι η μέγιστη απόδοση στο όριο ποσιμότητας Q1 ανέρχεται στα 0,481 μg Hg/mg TMFx και επιτεύχθηκε από το Fe/MnOOH που συντέθηκε σε pH 9 (TMFx). Οι δοκιμές στήλης μικρής κλίμακας (RSSCTs) σε περιβάλλον νερού NSF, που προσομοιάζουν ένα σύστημα πλήρους κλίμακας, έδειξαν ικανότητα προσρόφησης Q1 = 2,5 μg Hg/mg TMFx. Η προσέγγιση του μηχανισμού προσρόφησης υδραργύρου μέσω θερμοδυναμικής μελέτης δείχνει την πραγματοποίηση μιας αυθόρμητης και εξώθερμης χημειορόφησης (ΔH°=-19,3 kJ/mol). Η σημαντικά υψηλή απόδοση του TMFx στην αέρια φάση (Q50 = 13,9 mg Hg/g) επιτεύχθηκε σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης σε θερμοκρασία 120 οC και EBCT 40 ms. Η ικανότητα προσρόφησης μειώνεται με την αύξησης της θερμοκρασίας, εξαιτίας της εξώθερμης φύσης της διεργασίας και της αποδόμησης των επιφανειακών ιδιοτήτων του TMFx.