Title
Uklanjanje toksičnih jona iz vodenih rastvora primenom adsorbenata na bazi modifikovane celuloze
Creator
Perendija, Jovana M., 1985-
CONOR:
17759847
Copyright date
2021
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
License description
Dozvoljavate samo preuzimanje i distribuciju dela, ako/dok se pravilno naznačava ime autora, bez ikakvih promena dela i bez prava komercijalnog korišćenja dela. Ova licenca je najstroža CC licenca. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/deed.sr_LATN. Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Theses Type
Doktorska disertacija
description
Datum odbrane: 30.06.2021.
Other responsibilities
Academic Expertise
Tehničko-tehnološke nauke
University
Univerzitet u Beogradu
Faculty
Tehnološko-metalurški fakultet
Alternative title
Removal of toxic ions from aqueous solutions using modified cellulose-based adsorbents
Publisher
[J. Perendija]
Format
127 str.
description
Hemijske nauke - Analitička hemija / Chemistry - Analytical chemistry
Abstract (sr)
Predmet istraživanja ove doktorske disertacije je modifikacija celuloznih materijala kao
adsorbenata za efikasno uklanjanje toksičnih jona iz vodenih rastvora. Modifikacija površine
celuloze i prisustvo funkcionalnih grupa sa višim nivoom afiniteta prema toksičnim jonima
veoma su važni za unapređenje adsorpcionih svojstava. U okviru ovog rada dobijena su dva
različita tipa adsorbenta na bazi celuloze koji su odgovarajućim tehnikama formirani u obliku
membrane. Prvi tip membrana je na bazi celuloze modifikovane magnetitom, dok su drugi tip
bio-membrane na bazi modifikovane celuloze, lignina i taninske kiseline. U prvom slučaju,
primenjena je optimizovana metoda za izradu magnetit (MG) modifikovane celulozne
membrane (Cell-MG hibridne membrane) na bazi amino silanom funkcionalizovanog
otpadnog celuloznog vlakna (Cell-NH2) i dijatomejske zemlje (D-APTES), kao i Cell-NH2
modifikovane dianhidridom dietilentriamin-pentasirćetne kiseline (Cell-DTPA). Drugi tip
membrane dobijen je na osnovu dve optimizovane metode, zasnovane na reaktivnosti između
amino grupa celuloznih vlakana (Cell), modifikovanih u prvom koraku sa 3-(karbometoksi)
propionil-hloridom (CPC) i dietilentriaminom u drugom koraku (Cell-DETA), sa epoksi
grupama Cell vlakana modifikovanih 3-glicidoksipropiltrimetoksi silanom (Cell-Glymo) i
lignina modifikovanog epihlorohidrinom (EL). Taninska kiselina korišćena je kao dodatni
umreživač. Dobijene bioobnovljive membrane označene su kao Cell-EL i Cell-EL-TA.
Celulozna vlakna, funkcionalizovani materijali i membrane okarakterisani su određivanjem
mehaničkih svojstava, termogravimetrijskom analizom, infracrvenom spektroskopijom sa
Furijeovom transformacijom, Ramanovom spektroskopijom, rendgenskom difrakcionom
analizom, skenirajućom elektronskom mikroskopijom sa emisijom polja i softverskom
analizom slike. Određena je poroznost membrane i veličina pora, ravnotežni stepen bubrenja,
tačka nultog naelektrisanja (pHpzc), sadržaj amino grupa, kiselinski i epoksidni broj. Metoda
odzivnih površina primenjena je kako bi se racionalizovao broj eksperimenata povezanih sa
sintezama Cell-MG hibrid, Cell-EL i Cell-EL-TA membrana. Ista metoda primenjena je za
optimizaciju eksperimenata povezanih sa adsorpcijom teških metala u protočnom sistemu
upotrebom Cell-MG hibrid membrane. Uticaj pH vrednosti, kontaktnog vremena, temperature,
doze adsorbenta i početne koncentracije zagađujućih supstanci na adsorpciju i kinetiku proučen
je u šaržnom, dok je uticaj početne koncentracije i brzine protoka proučen u protočnom
sistemu. Izračunati maksimalni adsorpcioni kapacitet Cell-MG hibrid membrane u uklanjanju
nikla, olova, hroma(VI) i arsena(V) primenom Lengmirovog modela iznosio je 88,2, 100,7,
95,8 i 78,2 mg·g-1. Primenom Lengmirovog modela izračunate su sledeće vrednosti kapaciteta:
53,9, 99,9, 97,8 i 63,5, 115,8, 127,5 mg·g-1 za nikl, olovo i hrom(VI), redom, koristeći Cell-
EL, odnosno Cell-EL-TA. Termodinamički adsorpcioni parametri za Cell-MG hibrid, Cell-EL
i Cell-EL-TA membrane ukazali su na spontane i endotermne procese. Kinetika adsorpcije
najbolje se može opisati modelom pseudo-drugog reda, dok rezultati dobijeni primenom
Veber-Morisovog modela ukazuju da unutarčestična difuzija kontroliše ukupnu brzinu procesa
adsorpcije. Velika pažnja posvećena je unapređenju efikasnosti regeneracije sa ciljem
povećanja perioda eksploatacije, pa je stoga izvršena optimizacija regeneracije membrana u
odnosu na parametre desorpcije kao što su tip regeneratora, koncentracija i vreme rada. Osim
moguće višestruke upotrebe membrana u adsorpciono-desorpcionim ciklusima, da bi otpadna
voda iz ciklusa adsorpcije/desorpcije dostigla fizičko-hemijska svojstva koja odgovaraju
propisanim vrednostima, primenjen je tretman efluenta precipitacijom. Razvoj efikasne
tehnologije regeneracije obezbedio je adsorbent visokih kapaciteta, primenjiv u procesima
prečišćavanja voda. Eksperiment određivanja toksičnih karakteristika adsorbenta (Cell-EL i
Cell-EL-TA) nakon korišćenja (TCLP test) izveden je sa ciljem potvrde validnosti upotrebe membrana u adsorpciono-desorpcionim ciklusima i njihovog sigurnog odlaganja na deponije.
Rezultati TCLP testa kao glavni kriterijumi za manipulaciju membranom i za njenu moguću
primenu u uklanjanju toksičnih zagađujućih supstanci, dokazali su na osnovu utvrđenog
sadržaja metala u membranama, da se istrošeni adsorbent može sigurno odložiti kao ekološki
prihvatljiv materijal. Na ovaj način su rešena glavna pitanja odlaganja iskorišćenih membrana,
usled biorazgradivosti upotrebljene membrane, efikasnosti desorpcije i razvoja tehnologije za
tretman efluenta uz bezbedno odlaganje zaostalih nusproizvoda. Kako bi se opisala veza
između performansi adsorpcije i doprinosa nespecifičnih i specifičnih interakcija između
adsorbata i Cell-MG hibrid membrane, ispitan je kapacitet uklanjanja četiri boje, pri čemu su
dobijeni rezultati detaljno analizirani primenom teorije funkcionala gustine (DFT) zajedno sa
proračunima molekulskog elektrostatičkog potencijala i polja molekulskih interakcija.
Značajan doprinos disertaciji ostvaren je poluempirijskim kvantno-hemijskim propračunima
koji su pomogli u analizi nespecifičnih i specifičnih interakcija između Cell-EL i Cell-EL-TA
adsorbenta i adsorbata i njihovom doprinosu ukupnom mehanizmu vezivanja. Adsorpciona
studija u protočnom sistemu sprovedena je da bi se razmotrila moguća primena Cell-MG, Cell-
EL i Cell-EL-TA membrana u kontinuiranim procesima prečišćavanja voda. Za predviđanje
dinamičkog ponašanja membrana u koloni, primenjeni su Bohart-Adamsov, Jun-Nelsonov,
Klarkov i Modifikovani model doza-odziv. Podaci dobijeni upotrebom primenjenih modela
pokazuju dobro slaganje sa eksperimentalnim rezultatima za sve proučavane parametre
procesa, ukazujući na to da su modeli bili pogodni za dizajn kolone sa fiksnim slojem
upotrebom Cell-MG hibrid, Cell-EL i Cell-EL-TA membrana. Predstavljeni rezultati pokazali
su primetan adsorpcioni učinak ovih membrana u protočnom sistemu sa visokim potencijalom
u prečišćavanju voda. U cilju procene performansi dobijene membrane su testirane u šaržnom
sistemu korišćenjem model vode napravljene prema podacima nađenim za rudničke otpadne
vode. Pokazalo se da dobijene membrane nemaju visoku selektivnost, ali da poseduju visoku
efikasnost u uklanjanju katjona i oksianjona iz otpadnih voda. Dobijeni rezultati na
laboratorijskom nivou potvrdili su njihovu potencijalnu primenljivost u procesu prečišćavanja
otpadnih voda sa visokom koncentracijom zagađujućih supstanci. Poređenjem efikasnosti
procesa adsorpcije i maksimalnih adsorpcionih kapaciteta adsorbenata na bazi modifikovane
celuloze sa rezultatima objavljenim u literaturi, pokazano je da dobijene membrane imaju
unapređenu sposobnost adsorpcije.
Abstract (en)
The research subject of this doctoral dissertation is the modification of cellulose materials as
adsorbents for efficient removal of toxic ions from aqueous solutions. Modification of the
cellulose surface and the presence of functional groups with a higher level of affinity for toxic
ions, are very important for improving the adsorption properties. Within this work, two
different types of cellulose-based adsorbents were produced in the form of a membrane by
appropriate techniques. The first type of membrane is based on magnetite modified cellulose,
while the second type of bio-membrane is based on modified cellulose, with the addition of
lignin and tannic acid. An optimized method for the production of magnetite (MG) modified
cellulose membrane (Cell-MG hybrid membrane), based on amino-silane functionalized waste
cellulose fiber (Cell-NH2) and diatomaceous earth (D-APTES) was applied, as well as Cell-
NH2 modified with diethylenetriaminepentaacetic acid dianhydride (Cell-DTPA). The second
type of membrane was obtained by two optimized methods, based on reactivity between amino
groups of cellulose fibers (Cell), modified in the first step with 3-(carbomethoxy)propionyl
chloride (CPC) and diethylenetriamine in the second step (Cell-DETA), with epoxy groups of
Cell fibres modified with 3-glycidoxypropyltrimethoxy-silane (Cell-Glymo) and
epichlorohydrin (EL) modified lignin. Tannic acid was used as an additional crosslinker. The
obtained biodegradable membranes were marked as Cell-EL and Cell-EL-TA. Cellulose fibers,
functionalized materials and membranes were characterized using determination of mechanical
properties, Thermogravimetric analysis, Fourier-Transform Infrared Spectroscopy, Raman
spectroscopy, X-Ray Difraction, Scanning Electron Microscopy, and with Image analysis
software. The membrane porosity and pore size, the equilibrium-swelling ratio, the point of
zero charge (pHpzc), the content of amino groups, acid and epoxy number were determined.
The Response Surface Method (RSM) was applied to rationalize the number of experiments
related to the synthesis of Cell-MG hybrid, Cell-EL, and Cell-EL-TA membranes. The same
method was applied to optimize heavy metal adsorption experiments in a flow system using a
Cell-MG hybrid membrane. The influence of pH, contact time, temperature, adsorbent dose
and initial concentration of pollutants on adsorption and kinetics was studied in a batch, while
the influence of initial concentration and the flow rate was studied in a flow system. The
calculated maximum adsorption capacity of the Cell-MG hybrid membrane in the removal of
nickel, lead, chromium(VI) and arsenic(V) using the Langmuir model was 88.2, 100.7, 95.8
and 78.2 mg·g-1. Using the Langmuir model, the following capacity values were calculated:
53.9, 99.9, 97.8 and 63.5, 115.8, 127.5 mg·g-1 for nickel, lead and chromium (VI), using Cell-
EL and Cell-EL-TA, respectively. Thermodynamic adsorption parameters for Cell-MG hybrid,
Cell-EL and Cell-EL-TA membranes indicated spontaneous and endothermic processes. The
adsorption kinetics can best be described by a pseudo-second order model, while the results
obtained using the Weber-Morris model indicate an intra-particle diffusion as a rate-limiting
step. Great attention was paid to improving the regeneration efficiency in order to increase the
period of exploitation, and therefore the optimization of membrane regeneration was performed
concerning desorption parameters such as regenerator type, concentration and operating time.
In addition, to achieve satisfactory reusability of membranes, wastewater from the
adsorption/desorption cycle need to reach physicochemical properties corresponding to the
prescribed values, hence the effluent treatment by precipitation was applied. The development
of efficient regeneration technology has provided a high-capacity adsorbent, applicable in
water purification processes. An experiment to determine the toxic properties of the adsorbent
(Cell-EL and Cell-EL-TA) after use (TCLP test) was performed to confirm the validity of the
membranes used in the adsorption-desorption cycles. The results of the TCLP test, as the main
criteria for membrane manipulation and its possible application in the removal of toxic
pollutants, based on the determined metal content in the membranes, proved the spent
adsorbent can be safely disposed of as environmentally friendly material. Thus, the main issues
of biodegradability of the used membrane, efficiency of desorption and development of
technology for effluent treatment with safe disposal of residual by-products are solved. To
describe the relationship between adsorption performance and the contribution of nonspecific
and specific interactions between adsorbate and Cell-MG hybrid membrane, the four-colour
removal capacity was examined, along with Density-functional theory (DFT) and calculations
of molecular electrostatic potential and molecular interaction fields. A significant contribution
to the dissertation was made by semi-empirical quantum-chemical calculations helped in the
analysis of nonspecific and specific interactions between Cell-EL and Cell-EL-TA adsorbent
and adsorbate and their contribution to the overall binding mechanism. An adsorption study in
the flow system was conducted to consider the possible application of Cell-MG, Cell-EL and
Cell-EL-TA membranes in a continuous water purification processes. To predict the dynamic
behaviour of the membranes in the column, Bohart-Adams, Jun-Nelson, Clark and a Modified
dose-response model were applied. The data obtained using the applied models show good
agreement with the experimental results for all studied process parameters, indicating that the
models were suitable for the design of a fixed-bed column using Cell-MG hybrid, Cell-EL and
Cell-EL-TA membranes. The presented results showed a noticeable adsorption effect of these
membranes in a flow system with a high application potential in water purification.
Additionally, to evaluate the performance, the obtained membranes were tested in a batch
system using model water made according to data found for real mining wastewater. It was
shown that the produced membranes do not have high selectivity, but they have high efficiency
in removing cations and oxyanions from wastewater. The obtained results at the laboratory
level confirmed membrane potential applicability in the process of wastewater treatment, with
a high concentration of pollutants. Comparison of the efficiency of the adsorption processes
and the maximum adsorption capacities of the adsorbents based on modified cellulose with the
results published in the literature, showed improved adsorption capacity of the produced
membranes.
Authors Key words
celulozna membrana, magnetit, lignin, taninska kiselina, šaržna i protočna
adsorpcija, toksični joni, poluempirijski proračuni, održivi razvoj
Authors Key words
cellulose membrane, magnetite, lignin, tannic acid, batch and flow adsorption,
toxic ions, semi-empirical calculations, sustainable development
Classification
543.215/.216:66.021.3.081.3(043.3)
Type
Tekst
Abstract (sr)
Predmet istraživanja ove doktorske disertacije je modifikacija celuloznih materijala kao
adsorbenata za efikasno uklanjanje toksičnih jona iz vodenih rastvora. Modifikacija površine
celuloze i prisustvo funkcionalnih grupa sa višim nivoom afiniteta prema toksičnim jonima
veoma su važni za unapređenje adsorpcionih svojstava. U okviru ovog rada dobijena su dva
različita tipa adsorbenta na bazi celuloze koji su odgovarajućim tehnikama formirani u obliku
membrane. Prvi tip membrana je na bazi celuloze modifikovane magnetitom, dok su drugi tip
bio-membrane na bazi modifikovane celuloze, lignina i taninske kiseline. U prvom slučaju,
primenjena je optimizovana metoda za izradu magnetit (MG) modifikovane celulozne
membrane (Cell-MG hibridne membrane) na bazi amino silanom funkcionalizovanog
otpadnog celuloznog vlakna (Cell-NH2) i dijatomejske zemlje (D-APTES), kao i Cell-NH2
modifikovane dianhidridom dietilentriamin-pentasirćetne kiseline (Cell-DTPA). Drugi tip
membrane dobijen je na osnovu dve optimizovane metode, zasnovane na reaktivnosti između
amino grupa celuloznih vlakana (Cell), modifikovanih u prvom koraku sa 3-(karbometoksi)
propionil-hloridom (CPC) i dietilentriaminom u drugom koraku (Cell-DETA), sa epoksi
grupama Cell vlakana modifikovanih 3-glicidoksipropiltrimetoksi silanom (Cell-Glymo) i
lignina modifikovanog epihlorohidrinom (EL). Taninska kiselina korišćena je kao dodatni
umreživač. Dobijene bioobnovljive membrane označene su kao Cell-EL i Cell-EL-TA.
Celulozna vlakna, funkcionalizovani materijali i membrane okarakterisani su određivanjem
mehaničkih svojstava, termogravimetrijskom analizom, infracrvenom spektroskopijom sa
Furijeovom transformacijom, Ramanovom spektroskopijom, rendgenskom difrakcionom
analizom, skenirajućom elektronskom mikroskopijom sa emisijom polja i softverskom
analizom slike. Određena je poroznost membrane i veličina pora, ravnotežni stepen bubrenja,
tačka nultog naelektrisanja (pHpzc), sadržaj amino grupa, kiselinski i epoksidni broj. Metoda
odzivnih površina primenjena je kako bi se racionalizovao broj eksperimenata povezanih sa
sintezama Cell-MG hibrid, Cell-EL i Cell-EL-TA membrana. Ista metoda primenjena je za
optimizaciju eksperimenata povezanih sa adsorpcijom teških metala u protočnom sistemu
upotrebom Cell-MG hibrid membrane. Uticaj pH vrednosti, kontaktnog vremena, temperature,
doze adsorbenta i početne koncentracije zagađujućih supstanci na adsorpciju i kinetiku proučen
je u šaržnom, dok je uticaj početne koncentracije i brzine protoka proučen u protočnom
sistemu. Izračunati maksimalni adsorpcioni kapacitet Cell-MG hibrid membrane u uklanjanju
nikla, olova, hroma(VI) i arsena(V) primenom Lengmirovog modela iznosio je 88,2, 100,7,
95,8 i 78,2 mg·g-1. Primenom Lengmirovog modela izračunate su sledeće vrednosti kapaciteta:
53,9, 99,9, 97,8 i 63,5, 115,8, 127,5 mg·g-1 za nikl, olovo i hrom(VI), redom, koristeći Cell-
EL, odnosno Cell-EL-TA. Termodinamički adsorpcioni parametri za Cell-MG hibrid, Cell-EL
i Cell-EL-TA membrane ukazali su na spontane i endotermne procese. Kinetika adsorpcije
najbolje se može opisati modelom pseudo-drugog reda, dok rezultati dobijeni primenom
Veber-Morisovog modela ukazuju da unutarčestična difuzija kontroliše ukupnu brzinu procesa
adsorpcije. Velika pažnja posvećena je unapređenju efikasnosti regeneracije sa ciljem
povećanja perioda eksploatacije, pa je stoga izvršena optimizacija regeneracije membrana u
odnosu na parametre desorpcije kao što su tip regeneratora, koncentracija i vreme rada. Osim
moguće višestruke upotrebe membrana u adsorpciono-desorpcionim ciklusima, da bi otpadna
voda iz ciklusa adsorpcije/desorpcije dostigla fizičko-hemijska svojstva koja odgovaraju
propisanim vrednostima, primenjen je tretman efluenta precipitacijom. Razvoj efikasne
tehnologije regeneracije obezbedio je adsorbent visokih kapaciteta, primenjiv u procesima
prečišćavanja voda. Eksperiment određivanja toksičnih karakteristika adsorbenta (Cell-EL i
Cell-EL-TA) nakon korišćenja (TCLP test) izveden je sa ciljem potvrde validnosti upotrebe membrana u adsorpciono-desorpcionim ciklusima i njihovog sigurnog odlaganja na deponije.
Rezultati TCLP testa kao glavni kriterijumi za manipulaciju membranom i za njenu moguću
primenu u uklanjanju toksičnih zagađujućih supstanci, dokazali su na osnovu utvrđenog
sadržaja metala u membranama, da se istrošeni adsorbent može sigurno odložiti kao ekološki
prihvatljiv materijal. Na ovaj način su rešena glavna pitanja odlaganja iskorišćenih membrana,
usled biorazgradivosti upotrebljene membrane, efikasnosti desorpcije i razvoja tehnologije za
tretman efluenta uz bezbedno odlaganje zaostalih nusproizvoda. Kako bi se opisala veza
između performansi adsorpcije i doprinosa nespecifičnih i specifičnih interakcija između
adsorbata i Cell-MG hibrid membrane, ispitan je kapacitet uklanjanja četiri boje, pri čemu su
dobijeni rezultati detaljno analizirani primenom teorije funkcionala gustine (DFT) zajedno sa
proračunima molekulskog elektrostatičkog potencijala i polja molekulskih interakcija.
Značajan doprinos disertaciji ostvaren je poluempirijskim kvantno-hemijskim propračunima
koji su pomogli u analizi nespecifičnih i specifičnih interakcija između Cell-EL i Cell-EL-TA
adsorbenta i adsorbata i njihovom doprinosu ukupnom mehanizmu vezivanja. Adsorpciona
studija u protočnom sistemu sprovedena je da bi se razmotrila moguća primena Cell-MG, Cell-
EL i Cell-EL-TA membrana u kontinuiranim procesima prečišćavanja voda. Za predviđanje
dinamičkog ponašanja membrana u koloni, primenjeni su Bohart-Adamsov, Jun-Nelsonov,
Klarkov i Modifikovani model doza-odziv. Podaci dobijeni upotrebom primenjenih modela
pokazuju dobro slaganje sa eksperimentalnim rezultatima za sve proučavane parametre
procesa, ukazujući na to da su modeli bili pogodni za dizajn kolone sa fiksnim slojem
upotrebom Cell-MG hibrid, Cell-EL i Cell-EL-TA membrana. Predstavljeni rezultati pokazali
su primetan adsorpcioni učinak ovih membrana u protočnom sistemu sa visokim potencijalom
u prečišćavanju voda. U cilju procene performansi dobijene membrane su testirane u šaržnom
sistemu korišćenjem model vode napravljene prema podacima nađenim za rudničke otpadne
vode. Pokazalo se da dobijene membrane nemaju visoku selektivnost, ali da poseduju visoku
efikasnost u uklanjanju katjona i oksianjona iz otpadnih voda. Dobijeni rezultati na
laboratorijskom nivou potvrdili su njihovu potencijalnu primenljivost u procesu prečišćavanja
otpadnih voda sa visokom koncentracijom zagađujućih supstanci. Poređenjem efikasnosti
procesa adsorpcije i maksimalnih adsorpcionih kapaciteta adsorbenata na bazi modifikovane
celuloze sa rezultatima objavljenim u literaturi, pokazano je da dobijene membrane imaju
unapređenu sposobnost adsorpcije.
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.