Funkcjonalizowane materiały sorpcyjne z popiołów lotnych do usuwania fermaceutyków ze ścieków
Alternative title
Functionalized sorptive materials from fly ash for the removal of pharmaceuticals from wastewater
Type
Thesis
Subtype
Doctoral thesis
Authors/Creators
Promoter
Franus, Wojciech
Additional promoter
Bandura, Lidia
Date
2024
Abstract PL
Dynamiczny wzrost gospodarczy wiąże się z generowaniem różnego rodzaju zanieczyszczeń. Farmaceutyki należą do grupy mikrozanieczyszczeń organicznych wód i ścieków. Związki te występując już w niewielkich stężeniach w środowisku wodnym stanowią poważne zagrożenie dla organizmów żywych ze względu na ich zdolność do bioakumulacji. Ponadto, należące do tej grupy antybiotyki, przyczyniają się do rozwoju antybiotykoopornych szczepów bakteryjnych, dla których coraz trudniej dostosować odpowiednie leczenie terapeutyczne. Według dostępnych doniesień literaturowych, wiele farmaceutyków nie jest skutecznie usuwanych w konwencjonalnych oczyszczalniach ścieków i przedostaje się do środowiska. Dlatego obecnie poszukuje się materiałów oraz metod, które będą zdolne do skutecznego usuwania związków należących do tej szerokiej gamy zanieczyszczeń. Techniki adsorpcyjne należą do stosunkowo łatwych, tanich i skutecznych metod wykorzystywanych w procesach oczyszczania wód i ścieków.
W niniejszej pracy otrzymano adsorbenty mineralne należące do grupy zeolitów i mezoporowatych materiałów krzemionkowych z odpadów (popiołów lotnych) oraz zmodyfikowano ich powierzchnię za pomocą β-cyklodekstryny oraz APTES, celem zwiększenia ich powinowactwa do związków organicznych, jakimi są farmaceutyki. Otrzymane materiały poddano charakterystyce przy użyciu XRD, XRF, SEM, FTIR, niskotemperaturowa adsorpcja/desorpcja azotu, w celu określenia ich właściwości fizykochemicznych. Następnie, scharakteryzowane materiały wykorzystano jako adsorbenty do usuwania ibuprofenu, tetracykliny i sulfametoksazolu w warunkach statycznych. W badaniach sorpcyjnych z roztworów monoskładnikowych uwzględniono takie parametry procesu usuwania jak: wpływ dawki adsorbentu, pH, czasu kontaktu oraz stężenia początkowego. Do interpretacji danych doświadczalnych wykorzystano trzy modele adsorpcji: Langmuira, Freundlicha i Temkina. Kinetykę adsorpcji analizowano w oparciu o modele pseudo-pierwszego rzędu, pseudo-drugiego rzędu i modelu Elovicha. Kolejnym etapem pracy była ocena pojemności sorpcyjnych materiałów względem badanych substancji w układzie wieloskładnikowym oraz analiza stopnia usuwania różnych farmaceutyków ze ścieków szpitalnych.
Uzyskane wyniki badań instrumentalnych potwierdziły wysoką skuteczność zarówno jeżeli chodzi o syntezę zeolitów z popiołów lotnych o typach struktury NaX i NaA oraz mezoporowatych materiałów krzemionkowych typu MCM-41 i SBA-15, jak również w aspekcie ich modyfikacji za pomocą β-cyklodekstryny i APTES. Powyższe modyfikacje pozwoliły na uzyskanie materiałów o relatywnie wysokiej skuteczności usuwania ibuprofenu, tetracykliny i sulfametoksazolu. Wykazano dużą zależność wielkości sorpcji od pH roztworu oraz zaobserwowano efekt współadsorpcji zachodzący w przypadku roztworów wieloskładnikowych i ścieków rzeczywistych. Do mechanizmów odpowiedzialnych za adsorpcję na badanych materiałach można zaliczyć wiązania wodorowe, wiązania typu π-π, oddziaływania elektrostatyczne oraz van der Waalsa z udziałem grup funkcyjnych badanych farmaceutyków oraz grup obecnych na powierzchni materiałów w danych warunkach prowadzenia procesu adsorpcji. Wyniki badań oraz analiza porównawcza wykazały, że badane materiały mogą stanowić skuteczne sorbenty do usuwania farmaceutyków z wód i ścieków.
Abstract EN
Dynamic economic growth is associated with the generation of various types of pollution. Pharmaceuticals belong to the group of organic micropollutants of water and wastewater. These compounds, already present in small concentrations in the aquatic environment, pose a serious threat to living organisms due to their ability to bioaccumulate. In addition, antibiotics belonging to this group, contribute to the development of antibiotic-resistant bacterial strains, for which it is increasingly difficult to tailor appropriate therapeutic treatment. According to available literature reports, many pharmaceuticals are not effectively eliminated in conventional wastewater treatment plants and enter the environment. Therefore, materials and methods are currently being sought that are capable of effectively removing compounds belonging to this wide range of pollutants. Adsorption techniques are among the relatively easy, inexpensive and effective methods used in water and wastewater treatment processes.
In the present study, mineral adsorbents belonging to the group of zeolites and mesoporous silica materials were obtained from waste and their surface was modified with β-cyclodextrin and APTES to increase their affinity for organic compounds such as pharmaceuticals. The obtained materials were characterized using XRD, XRF, SEM, FTIR, low-temperature nitrogen adsorption/desorption to determine their physicochemical properties. Then, the characterized materials were used as adsorbents for the removal of ibuprofen, tetracycline and sulfamethoxazole under static conditions. The sorption studies from mono-component solutions took into account such parameters of the removal process as the effect of adsorbent dose, pH, contact time and initial concentration. Three adsorption models were used to interpret the experimental data: Langmuir, Freundlich and Temkin. Adsorption kinetics was analyzed based on pseudo-first-order, pseudo-second-order and Elovich models. The next stage of the work was to evaluate the sorption capacity of the materials towards tested substances in a multicomponent system, and to analyze the removal rate of various pharmaceuticals from hospital wastewater.
The obtained instrumental results confirmed high efficiency both in terms of the synthesis of zeolites from fly ash with NaX and NaA structure types and mesoporous silica materials of the MCM-41 and SBA-15 types, as well as in terms of their modification with β-cyclodextrin and APTES. The above modifications made it possible to obtain materials with relatively high removal efficiency of ibuprofen, tetracycline and sulfamethoxazole. The sorption magnitude was shown to be highly dependent on the pH of the solution, and a co-adsorption effect occurring in multi-component solutions and real wastewater was observed. The mechanisms responsible for adsorption on the studied materials include hydrogen bonds, π-π bonds, electrostatic and van der Waals interactions involving the functional groups of the studied pharmaceuticals and the groups present on the surface of the materials under the given conditions of the adsorption process. The results and comparative analysis showed that the studied materials can be effective sorbents for removing pharmaceuticals from water and wastewater.
Statistics
18Views
16Downloads Białoszewska, M. (2024). Funkcjonalizowane materiały sorpcyjne z popiołów lotnych do usuwania fermaceutyków ze ścieków. https://hdl.handle.net/20.500.14629/18641
Files
Bialoszewska_Monika_Funkcjonal...
PDF 4.92 MB
Licence
Except as otherwise noted, this item is licensed under the Attribution-ShareAlike licence 4.0
Accessibility issue?Request a WCAG-compliant file
Publication available in collections: