Sorption of ammonium ions by zeolitic materials in closed recirculation aquaculture systems

Abstract

Takiojo katalizinio krekingo (TKK) metu perdirbant naftą, naudojamas Faujasito tipo ceolitas, kuris po tam tikro laiko užsiteršia ir tampa atlieka – šalutiniu ceolitiniu produktu (ŠCP). Lietuvoje šių atliekų susidaro keli šimtai tūkstančių tonų per metus1 , todėl tikslinga ieškoti būdų jų tolimesniam praktiniam panaudojimui, išnaudojant geras ceolito sorbcines savybes. Naftos pramonėje susidarantis ŠCP pasižymėjo geromis amonio jonų (NH4 + ) sorbcinėmis savybėmis statinėmis sąlygomis (pašalinimo efektyvumas siekė – 72 %). Taigi, ŠCP gali būti naudojamas kaip potencialus sorbentas NH4 + jonams pašalinti iš sintetinių vandeninių tirpalų ir užterštų nuotekų. Kalcio oksidu (CaO) modifikuoti šalutiniai ceolitiniai produktai (MŠCP), kurių pagrindas – straetlingitas, buvo naudojami siekiant pašalinti NH4 + jonus iš sintetinių vandeninių tirpalų ir iš nuotekų. Taip pat buvo tiriamas fosforo junginių pašalinimo efektyvumas naudojant šiuos sorbentus iš anksčiau minėtų vandeninių aplinkų. Atlikus sorbcinius tyrimus dinaminėmis sąlygomis iš sintetinio vandeninio tirpalo nustatyta, kad proveržio taškų trukmę ir sorbcinę gebą gali paveikti keli parametrai, tokie kaip sorbcinių medžiagų filtravimo greitis ir sorbentų mineralinė sudėtis. Visų tirtų sorbentų straetlingito pagrindu NH4 + jonų pašalinimo efektyvumo proveržio trukmė sumažėjo, kai filtravimo greitis didėjo. Didžiausia sorbcinė geba NH4 + jonų atžvilgiu sintetiniame vandeniniame tirpale (t. y., 0,341 mg/g NH4 + ) buvo gauta naudojant kaip sorbentą MŠCPS30, kuriame įterpta 30 % CaO. (filtravimo greitis buvo 10 ml/min., o C0 – 10 mg/l). Tiriant apytakinį vandenį iš uždaros akvakultūros sistemos (UAS) nustatyta, kad NH4 + jonų sorbcinei gebai įtakos turėjo fosforo junginiai. Taigi, šiuo atveju sorbcinė geba NH4 + jonų atžvilgiu atitiko – 0,045 mg/g, o bendrojo fosforo (PB) maksimali sorbcinė geba siekė 0,512 mg/g (C0 – 11,2 mg/l NH4 +, C0 – 47 mg/l PB, filtravimo greitis – 10 ml/min.). Remiantis tyrimų rezultatais galima teigti, kad straetlingito pagrindu pagaminti sorbentai gali būti naudojami NH4 + bei PB pašalinimui iš gamybinių nuotekų. Po kurio laiko ŠCP praranda sorbcines savybes ir tampa neveiksmingais. Problema yra šalutinio ceolitinio produkto, prisotinto amonio jonais (PŠCP), utilizavimas. Taigi, norint uždaryti susidarančių atliekų grandinę, PŠCP buvo panaudotas kaip portlandcemenčio pakaitinė medžiaga (PPM). PŠCP įterpimas kaip PPM turi kompleksinį poveikį portlandcementinėms sistemoms. Absorbuotų NH4 + jonų turintis ŠCP gali būti sėkmingai naudojamas cemento tešloms ruošti, taip pakeičiant dalį komercinio portlandcemenčio. Taip pat buvo tirtas PŠCP poveikis šarmu aktyvuotiems biokuro pakuros pelenams (BPP). Tyrime naudotos dviejų rūšių BPP ir PŠCP atliekos kaip kalcio aliumosilikatinis pirmtakas. Šis tyrimas parodė, kad PŠCP gali būti pakartotinai naudojami gaminant šarmu aktyvuotus rišiklius.1. From the study of NH4 + ions removal from aqueous solutions under static conditions with ZBP sorbents it was found that under experimental conditions the maximal NH4 + ion removal efficiency of 72% was reached with H2O2 modified ZBP2 at the initial NH4 + ion concentration of 1 mg/L. ZBP2 had the largest pore surface area (143.70 m2 /g) compared to the other two types of ZBP. It was found that all types of ZBP were composed of round particles and according to nitrogen adsorption/desorption isotherm analysis can be classified as microporous materials containing mesopores. 2. Studies of ammonium ion sorption under dynamic conditions using modified MZBP (sorbents with stratlingite) have shown that the sorption capacity of ammonium ions depends on the filtration flow rate and the mineral composition of the zeolitic materials. The highest sorption capacity (0.341 mg/g) for ammonium ions in the synthetic aqueous solution was obtained using sorption material ZBPS30, a filtration rate of 10 ml/min. and the initial ammonium ion concentration of 10 mg/l. 3. The results of the experimental ammonium ion sorption studies showed that ammonium ions could be removed both from a synthetic aqueous solution and from the circulating water of aquaculture systems. The sorption capacity of the total phosphorus in sorbents with stratlingite was significantly higher (0.512 mg/g total phosphorus) than the sorption capacity of ammonium ions. 4. The replacement of a mass fraction of Portland cement with ZBPA significantly changed the compressive strength, mineral composition and microstructure of hardened cement paste. The compressive strength of the sample containing 3 wt % of ZBP increased by 17% after 7 days of hydration. This increase can be explained by the effect of ammonium chloride acting as an accelerator. The strength of the sample increased after 28 days of hydration mainly due to the pozzolanic ZBPA reaction. A compressive strength of 104 MPa was achieved in the sample containing 5 wt % of ZBPA and that corresponds to an increase of approximately 32% compared to the reference sample. 5. The use of additional ZBPA in the alkali-activated ash system has shown positive results in the formation of alkaline activation products during hydration. These new hydration products seem to have a positive effect on the development of strength in the samples. The highest compressive strength (14.7 MPa) was achieved by adding 3 wt % of ZBPA into the samples, while the compressive strength in the samples without ZBPA was only 8.5 MPa. 6. Ammonium compound (NH4Cl), which was present in ZBPA, had a positive effect on the development of the compressive strength, transformed the mineral composition, and changed the microstructure of hydrated binders. This research proposed an alternative aluminosilicate binary system – BBA and ZBPA – suitable for alkali-activated binders. It is suggested to incorporate up to 5 wt % of ZBPA in alkali-activated BPP systems.Vandens ūkio ir žemėtvarkos fakultetasHidrotechninės statybos inžinerijos instituta