Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Yüksek Fırın Cüruf iki yönlü Valorizasyon: çöktürülmüş Kalsiyum Karbonat ve Zeolitik Ağır Metal Adsorban Sentezi

Published: February 21, 2017 doi: 10.3791/55062
Automatic Translation
1, 2, 3, 4
1Department of Offshore, Process and Energy Engineering, Cranfield University, 2School of Applied Chemical and Environmental Sciences, Sheridan College Institute of Technology and Advanced Learning, 3School of Engineering, University of Guelph, 4Carbon Systems Engineering, Centre for Combustion, Carbon Capture and Storage, Cranfield University

Introduction

Alkali metaller açısından zengin sanayi artıklarının dolaylı karbonatlaşma yaygın karbon yakalama ve depolama (CCS) teknolojisi 1, 2, 3, 4 parçası olarak araştırılmıştır. CO 2 miktar kalıcı, verimli bir şekilde depolanırken ve şekilde atmosfere iyi huylu olduğunu edilebilir. değerli malzemeler oluşur Ancak, yeterli ölçüde keşfedilmeyi kalır tekniğin bir parçası yoktur. Dolaylı karbonasyon işlemde, kalsiyum seçici malzemeden ekstre edilir ve daha sonra kontrollü koşullar altında gazlı tabi tutuldu. Ancak, atık kıymetlendirme süreci malzemeden katı artıklar üretir; Bu kalıntılar ileri işlenmiş veya kalsiyum çıkarma aşamasından sonra istismar edilmez. Bu tür kalıntıların üretimini azaltır, hatta o onları ortadan kaldırmak yolları İşleme, bulunmalıdır. Bunaucu, en son, yüksek fırın (BF) yararlı mineral oluşumu ile birlikte başlangıç ​​malzemesi, bir karbon sıfır atık madeni sekestrasyon gibi cürufu kullanılarak hangi göre, ya bir süreç geliştirmek ve optimize etmek için bir çaba harcanmıştır 6 5 elde etti.

Çeşitli atık maddeler CO 2 mineralizasyonu için etkili reaktif olarak nitelendirilir. Bunlar arasında, demir ve çelik alma cüruflar oldukça yüksek deneysel CO her endüstriyel atık 4'ten 2 uptake'leri sunuyoruz. Atık değerli kılma için BF cüruf çekiciliği nitelikleri (kimyasal, mineral ve morfolojik özellikleri) ve malzeme 5 potansiyel uygulamalar yatıyor. Demir cevheri katışkıların, bir pirometallürjik işleminde uzaklaştırılır burada demir üretim işlemi, bir yan-ürün. Bu arada dayanarak molte onun ayrılmasından sonra soğutulurN, demir, cüruf dört çeşit oluşturulur: (i) Hava soğutmalı (yani, kristal halinde), (ii) granüle (yani, vitrifiye), (III) (yani, köpüklenmiş) genişletilmiş, ve (iv) topak haline getirilir.

BF cüruf dolaylı karbonatlaflma kullanarak çöktürülmüş kalsiyum karbonat (PCC) üretimi çok dikkat 7, 8 çekmeyi başarmıştır bir süreç olmasına rağmen, zeolit mineral üretimi için cürufun hidrotermal dönüşümü çalışılmış bir teknolojidir ve 11 10, son yıllarda 9 boyunca sadece gelişti. Bununla birlikte, vakaların hiçbirinde PCC ve zeolitler simbiyotik oluşumunu elde etmek için BF cüruf dolaylı karbonasyon ile kombinasyon halinde kullanılabilecek bir teknik olarak kabul edilmiştir. iki yönlü valorizasyon Buradaki işlem, bu iki tekniği tarif takibenAyrıca zeolit mineralleri elde etmek ve olası katı kalıntılarının ortadan kaldırarak CO 2 yeterli sekestrasyon gerçekleştirmek için birleştirilmiştir. Bu prosedüre göre, CO2, bir mineral karbonasyon reaksiyonu 5 yoluyla asit yıkama ile cüruftan ekstre edildi kalsiyum depolanır. Kağıt yapımında (mineraloji, parçacık büyüklüğü dağılımı, ve parçacık morfolojisi) uygulamalar için uygun olan PCC ürün özelliklerini elde etmek için, ekstraksiyon aşamasından sızıntı suyu ilk fiziko-kimyasal olarak 6 saflaştırılır. Buna paralel olarak, zeolit mineral kalsiyum ekstraksiyon aşamasında 5'ten elde edilen katı kalıntı hidrotermal dönüşüm yoluyla bir kostik çözelti içinde oluşturulur.

Zeolit, bir alümino-silikat mineraldir. Bu doğal olarak meydana gelir, ama aynı zamanda sınai olarak büyük ölçekte üretilebilir. Çok sayıda benzersiz zeolit ​​çerçeveler çeşitli Applic yol tanımlanmıştırmalzemeler için ations. Örneğin, çeşitli endüstriyel sektörde 12, 13, katalizör olarak kullanılabilir; bunlar, deterjan ve asfalt katkı maddesi olarak inşaat malzemeleri bulunan beton 14, 15 ve Portland çimentosu 16, 17; ve aynı zamanda, tıbbi 18, 19, 20 ve tarımsal 21, 22, 23 etki uygulamaları vardır. Dahası, kendi büyük spesifik üst yüzeylere ve katyon değişim kapasiteleri, zeolitler de sorbent 24, 25, 26, 27 olarak kullanılabilir. Bu özel sorbentler de t kullanılabiliro doğrudan bu atık veya kontamine yeraltı 28, 29, 30, 31 gibi ağır metal yüklü akışları, tedavi. Bu çalışmada, iki yönlü bir şekilde değerlendirmesi işlemi ile BF cüruf elde zeolitik malzeme, ilk kez olarak, ağır metal, yani, nikel için bir adsorban olarak test edilir.

Önerilen simbiyotik bir işlem için, PCC ve zeolit ​​oluşumu hem sevimli bir ekstraksiyon maddesi kullanılmalıdır. Bu nedenle, uygun bir özütleyici seçimi kritiktir. Her iki dolaylı olarak karbonasyon 7, 8 ve hidrotermal dönüşüm 10, BF cüruf 11 önceden araştırmada uygulanan birçok süzme maddeler arasında, asetik asit en çok umut verici olarak seçilmiştir. Her iki g üzerinde hidroklorik asit 10 sergiler zararlı etkileriSızıntı suyu çözeltisi içinde Si ve Al miktarlarda önemli kayıplara neden olan PCC ve liç seçicilik eneration. O, olağanüstü liç seçiciliği sunan Si ve Al hem rahatsız edilmeden bırakırken verimli cüruf Ca ve Mg kaldırmak için yönetir çünkü Öte yandan, formik asit 11, verimli olduğu kanıtlanmıştır. Bununla birlikte, kalsiyum karbonat, çökeltme ekstraksiyon ajanı olarak asetat çözeltilerin sonrasındaki daha kolay bir şekilde elde edilmesi öngörülen, asetik asit 33 daha sabit bir düşük asit disosiyasyon sunulur. Aynı zamanda, bazı durumlarda, bu süksinatlar 34 kullanımı ile olduğu gibi, olduğunu göstermiştir ve 35 oksalatlar edilmiş, sigara karbonat PCC yerine formu çökelir. Eloneva ve ark. Kalsiyum çelik cürufları çıkarıldıktan ve bulunan asetik asit için 36 oranla on altı ekstraktanlar (en iyi en verimli olması için0.5 M ve 2 M özütleyici konsantrasyonları arasındaki performans) ve en başarılı (en yüksek kalsiyum kurtarma 100 ° 'de%).

Aşağıdaki protokol ayrıntılı sırasıyla kağıt dolgu maddeleri ve ağır metal sorbent, potansiyel kullanımları, yüksek saflıkta PCC oluşumu ve zeolit ​​malzeme neden laboratuvar ölçekli deney işlemi tarif etmektedir. BF cüruf bir başlangıç ​​malzemesidir. uygun bir ağır metal sorbent olarak sentezlenmiş zeolitik malzeme değerlendirilmesi için uygulanan test prosedürleri de özetlenmiştir.

Protocol

Yüksek Fırın Cüruf 1. Kalsiyum Ekstraksiyon

Not: süzme seçiciliğe asit zararlı etkisi nedeniyle, kalsiyum ekstraksiyon tek bir aşamada kullanılacak asetik asit (CH3COOH) yarısı kadar molaritede kullanılarak, iki aşamada gerçekleşir.

  1. bir havan ve havan tokmağı kullanılarak BF cüruf öğütün ve 2 mm'nin altında parçacık boyutuna elek.
  2. Çift pervane karıştırıcı, bir ısıtma / soğutma ceketi, bir basınç ölçer ve bir termokupl ile donatılmış olan bir otoklav reaktöre açmak. (; Pervane, bir saptırma gibi davranır ve termokupl iyi, karıştırıcı mili) temiz ve kalsiyum çıkarma işlemi engel olabilir kirden arındırılmış olan reaktör kabının iç ve reaktör kafa çıkıntılı parçalar emin olun. Değilse, iyice yıkayın.
  3. elenmiş BF cüruf 100 g (<2 mm) tartılır ve bir kap içine koyun. T CH 3 COOH (2 M) 731 ml ekleyino gemi ve mühür. mühürlü reaktör düzgün verdiği destekten tespit edilmiş olduğundan emin olun.
  4. neredeyse tüm tekne kaplayacak şekilde, uygun pozisyonda ısıtma ceketi yerleştirin. 30 ° C'ye kadar ısıtma sıcaklığı ayarlamak ve 1000 rpm'de bulamacın karıştırılması başlar. Reaktörün iç sıcaklık ayar noktasını (yaklaşık 15 dk) ulaşıncaya kadar bekleyin ve sonra 60 dakika boyunca yukarıda belirtilen şartlarda karıştırmak için çamur bırakacak.
  5. asit ekstraksiyon süresi geçtikten sonra, ısıtma ceketi çıkarmak reaktörü açmak ve bir behere reaktörden bulamaç dökün. Bir boşaltma vanası da kullanılabilir, ancak kaba katı geçişini bloke edebilir.
  6. Vakum filtre artık katı maddelerden sızıntı suyu çözeltisi ayrı edilmesi; 8 um ya da daha az gözenek boyutlu filtre kağıdı kullanırlar. Hemen (ıslak kek) katı süreç veya daha sonraki bir zamanda işleme için çevre sıcaklığında kurumaya bırakın.
    NOT: Sızıntı suyu saklanabilirT ortam sıcaklığı, ama tercihen ayrıca çözünmüş bileşiklerin kontrolsüz çökelmesini önlemek için kısa bir süre sonra (saflaştırılmış ve gazlı) işlenmelidir.
  7. asit veya cüruf hiçbir kalıntı geride olduğundan emin olmak için reaktör baş ve DI su ile gemi hem yıkayın.
  8. Kabın ilk Ca ekstraksiyon aşamasından gelen kuru, katı bir tortu yerleştirin ve 731 mL CH 3 COOH (2 M) ekleyin. (30 ° C'de ve 60 dakika boyunca 1,000 rpm'de) asit ile katı karıştırmak için aynı prosedürü (adım 1.5) tekrar edin.
  9. Ikinci çıkarma aşamasının sonunda, santrifüj tüplerine sonrası ekstraksiyon bulamaç yerleştirin. Büyük kapasiteli tüpleri (örneğin, 50 ml veya daha fazla) kullanın ve böyle her tüp içinde eşit ağırlık sağlanması gibi standart santrifüj uygulamaları, izleyin.
    1. 10 dakika en az 2,500 xg bulamacın santrifüjle sızıntı suyu katıları ayırın. Yavaş yavaş ke sırasında yeni bir şişe içine süpernatant dökmektüplerde katı eping.
      NOT: Kalsiyum asetat zengin sıvı fazdan katı (asma silika ve artık BF cüruf) ayrılması dolayısıyla elde edilir.
  10. tüpleri ve ikinci çıkarma aşamasından elde edilen katı artık madde yeniden elde DI su içinde tekrar askıya. artık çözünür asetatlar çıkarmak için santrifüj başka yuvarlak gerçekleştirin. yıkandı, katı yeniden elde etmek ve bunları çevre koşulları altında kurumaya bırakılır.
  11. post-çıkarma ayrıştırıcı elde etmek için ilk çıkarma süzme (süzüntü) ve ikinci ekstraksiyon santrifüj (üstte yüzen) hem de çözümleri birleştirin.

Post-çıkarma Sızıntı 2. fiziko-kimyasal Arıtma

Not: Sızıntı suyu çözeltisi (aşama 1.9) katı maddelerin ayrılması rağmen, elde edilen yüzer madde de çözünür ya da kolloidal katkı maddesi içerir. Bu yabancı maddeler en önemli silika, magnezyum ve alüminyum bulunmaktadır.Daha önce yayınlanan çalışma 32'ye göre, saf suda silis çözülebilirliği çözeltisi (yani, saf suyun sıcaklığını düşürerek, silis çözünürlüğü de azalmaktadır) sıcaklığı ile orantılıdır. Süzdürülen madde, çözelti, saf su değil de, silika çıkarılması sonucu soğutma sonrası ekstraksiyon çamurun katı-sıvı ayrımı ile süpernatant tabi (tek başına santrifüj ile karşılaştırıldığında) bulunmuştur 2. Diğer taraftan, magnezyum ve alüminyum yabancı maddeler asetatlar biçiminde süpernatan içinde bulunmaktadır. Önemli ölçüde çözünürlüğünü azaltmak için, bu pH ayarlaması 2 çözünmez metal hidroksitler dönüştürülmesi gerekir.

  1. süpernatana konsantre NaOH çözeltisi (ağırlık / ağırlık% 50) ilave, süpernatan içinde NaOH son konsantrasyonu 1.25 M, olduğu; Bu nedenle magnezyum ve alüminyum ace dönüştürme yaklaşık 8.4 pH artacakhidroksitlerin da önemli ölçüde daha az çözünür biçime tates. karıştırılır ve pH ölçümü yavaş ise, kostik çözeltisi ekleyin.
  2. buzdolabında NaOH zenginleştirilmiş üstte yüzen kısım yerleştirin ve silis ilave çökelmesine neden olmak için 1 ° C soğumasını.
  3. Soğuduktan sonra, vakum 0.45 um bir gözenek boyutuna sahip filtre kağıdı kullanılarak çözelti filtre. silikon daha çıkarılmasına ve magnezyum ve alüminyum çökelen yabancı maddelerin çözeltisi sonuçlarının mikro filtrasyon.

Arıtılmış Sızıntı 3. Karbondioksit

Not: gazlı ile asetik asit rejenerasyon nedeniyle, NaOH, kalsiyum çökelmesini önleyen asitlik, tampon, bir katkı maddesi olarak kullanılır. Daha saf bir PCC üretimi için, NaOH özütleme aşaması (2 M) 'da kullanılan CH3COOH bu göre bir alt eşit molar konsantrasyonda kullanılır.

  1. Otoklav tekrar saflaştırılmış sızıntı dökünaktör. Onlar carbonation reaksiyonları ile müdahale kirleri önlemek amacıyla önceki kullanımlardan kalıntının temiz olduğunu doğrulamak için hem gemi ve kapak bileşenlerini kontrol edin. Kabına (ağ / ağ% 50), konsantre bir NaOH ekleyin saflaştırılmış sızıntı suyu çözeltisi içinde nihai NaOH konsantrasyonunun karbonasyon sırasında yeniden CH3COOH etkisiz hale getirmek için, 1.7 M olacak şekilde. reaktörü Seal ve özenle desteğine sabitleyin.
  2. uygun konumda reaktöre ısıtma ceketi yerleştirin. 30 ° C'ye kadar ısıtma sıcaklığı ayarlamak ve 1000 rpm'de bulamacın karıştırılması başlar. Reaktörün iç istenen sıcaklığa (yaklaşık 15 dk) ulaşana kadar bekleyin. 2 barda yüksek saflıkta (% 99.5) reaktör CO 2 getirerek karışımın karbonatlaşmayı başlatın; 60 dakika boyunca çalışır.
  3. karbonatlaşma bitiminde, ısıtma ceketi kaldırmak basıncını ve reaktör açmak ve bir behere karbonatlı çamurun dökün.
    NOT:Katı maddeler ince göre bir boşaltma vanası da basıncın sonra kullanılabilir.
  4. çözeltiden katı çökeltileri ayrılması için elde edilen bulamaç vakum-filtre; 8 um veya daha küçük bir gözenek boyutuna sahip filtre kağıdı kullanırlar. sodyum çözünür çıkması için vakum altında DI su ile iyice filtre keki durulayın.
    Not: durulama süzüntünün iletkenliği belirgin bir azalma durulama son nokta teyit etmek için kullanılabilir.
  5. PCC almak için 24 saat boyunca 105 ° C de katı maddenin fırın kuru.

Ekstraksiyon Katı Kalıntılarının 4. Hidrotermal Dönüşüm

NOT: hidrotermal dönüşüm için, yüksek fırın cürufu asetik asit ekstraksiyon kalsiyum tükenmiş artık katılar kullanıldı. (Iki adımda dahil), her ekstraksiyon çalışması sonrası başlangıç ​​kütlesinin en az ağırlıkça% 50 bağlı kalsiyum ekstre filtrasyonunda, koloidal silika kısmi kaybı ve filtre kağıdı porosi bağlı olarak (kurtarılabilirty) kullanıldı. Böylece, ekstraksiyonun birden çok toplu hidrotermal dönüşüm aşamasında kullanılan katı maddelerin kütlesi oluşturmak için ihtiyaç vardır.

  1. Temiz bir otoklav reaktöre, kalsiyum ekstre kuru kalan katı, 60 g yerleştirin. 2 M NaOH çözeltisi 300 mL. reaktörü Seal ve onun desteğine sabitleyin.
  2. uygun konumda reaktöre ısıtma ceketi yerleştirin. 150 ° C, ısıtma sıcaklığı ayarlamak ve 300 rpm'de bulamacın karıştırılması başlar. Reaktörün iç istenilen sıcaklığa ulaşana kadar, yaklaşık 45-50 dakika bekleyin. 24 saat boyunca yukarıda belirtilen koşullarda karıştırmak için bir çamur bırakacak.
  3. Hidrotermal dönüşüm tamamlandığında, ısıtma ceketi çıkarıp reaktör yaklaşık 35 ° C, 60 dakika boyunca soğumaya bırakın. Reaktör Ceketin soğutma devresi de soğutma hızlandırmak için kullanılabilir.
    1. reaktör açmak ve bir beher içerisine dönüştürülmüş bir bulamaç dökün.
    Vakumlu filtre edilmiş harç çözeltisi dönüştürülen katı maddeleri ayırmak için; 8 um veya daha küçük bir gözenek boyutuna sahip filtre kağıdı kullanırlar. fazlalık kostik çıkması için vakum altında DI su ile iyice katı durulayın.
    Not: durulama süzüntünün iletkenliği belirgin bir azalma durulama bitiş noktasını teyit etmek için kullanılabilir.
  4. Hidrotermal dönüştürülmüş malzemenin elde edilmesi, 24 saat boyunca 105 ° C 'de, filtre malzemesinin fırında kurutulur.
  5. bir havan ve havan tokmağı kullanılarak zerre malzemeyi parçalamak ve bir parçacık boyutu <0.85 mm edilen malzeme elekten geçirilir.

Zeolitik Ürünle birlikte 5. Ağır Metal Adsorpsiyonu Testleri

NOT: Ni 2+ soruşturma ağır metal olarak seçilir. Farklı başlangıç ​​ağır metal konsantrasyonları ile kontamine çözümler sentezlendi. 2-200 mg / L başlangıç ​​ağır metal konsantrasyonları Bu çalışmanın ihtiyaçlarına uygun olarak seçilmiştir.

  1. Denge deneyleri için kontamine çözeltilerin hazırlanması için, bir çözüm üretmeye Bir hacimli şişe içinde ultra saf su 1 L 1,000 mg Ni2 + / L, analitik dereceli standart çözelti, uygun bir miktarda ilave etmek için bir mikro-pipet kullanın istenen Ni2 + konsantrasyonu (2 mg / L ve 10 mg / L, 20 mg / l ve 100 mg / l ve 200 mg / L).
  2. başlıklı plastik şişeler, her sentetik olarak hazırlanan kirli çözeltisi 100 mL adım 4.6 kaynaklanan hidrotermal dönüştürülmüş 1 g dağılır.
  3. 4-5 çözeltilerin pH değerini ayarlamak için damla damla (ilk ve son noktasına 0.5 M yakın 2 M), konsantre NaOH ekleyin. Bir karıştırıcı plaka üzerinde bir manyetik karıştırma çubuğu kullanılarak düşük bir hızda çözelti karıştırıldı. solüsyonuna batırılmış bir pH elektrodu kullanarak NaOH eklerken pH'ı izleyin.
  4. bir çalkalama inkübatöründe şişe yerleştirin ve 160 rpm'de ve 24 saat süreyle 20 ° C sıcaklıkta tekrar çalkalayın.
  5. Karıştırma işleminden sonra, (derişik HCI ilavebirinci ve çözeltiye damla damla) son noktasına 0.2 M yakın 2 M 4-5 pH yeniden ayarlanması. Ayarlama esnasında, bir karıştırıcı plaka üzerinde bir manyetik karıştırma çubuğu kullanılarak düşük bir hızda çözelti karıştırıldı. solüsyonuna batırılmış bir pH elektrodu kullanarak HCl eklerken sürekli olarak pH değerini izleyin.
  6. santrifüj tüplerine bulamaç yerleştirin. 5 dakika boyunca 2500 x g'de laboratuar tipi bir santrifüj kullanılarak çözeltiden katı ayırın. santrifüj tüpüne katı tutarken dikkatli yeni bir şişe süpernatant çözüm dökün.
  7. <2 pH değerine düşürmek için HNO 3 (ağırlık bazında% 2 nitrik asit konsantrasyon) ile çözeltiyi asitleştirmek.
    Not: Bu adım manipülasyon ve analiz etmek üzere, önce, iyonlar (ortam sıcaklığında), depolama sırasında çözelti içinde kalmasını sağlamak için gerçekleştirilir.
  8. ICP-OES ile süpernatant incelenmiştir ağır metal denge konsantrasyonunu belirlemek.
    NOT: Çözümleri tarafından seyreltilirbeklenen konsantrasyon alet kalibrasyonu (0-2 mg / L) lineer aralığında yer alır, öyle ki% 2 ağırlık HNO 3 seyreltici kullanılarak 10-100x faktörü. Itriyum, 2 mg / L'de, bir iç standart olarak her bir seyreltilmiş örnek ilave edilir. ICP-OES cihazı atıksularının 37 metallerin analizi için üreticinin tavsiyelerine göre işletilmektedir. Bu ICP-MS ve AAS çözelti içinde nikel konsantrasyonunun belirlenmesi için alternatif teknikler, aynı zamanda bu aşama için uygundur.
  9. Aşağıdaki formül kullanılarak denge (q e) de adsorban gramı başına adsorbe ağır metal miktarını hesaplayın:
    Denklem
    K o çözeltide ağır metal iyonlarının başlangıç konsantrasyonu (umol / ml) olduğu, Cı e çözeltisi (mmol / mL) içinde ağır metal iyonlarının denge konsantrasyonu, V VoKirlenmiş çözeltisi lume (mi), ve m, kuru adsorban (g) kütlesi.

Representative Results

saflık ve verim için karbonat çökelti test etmek için, çok sayıda aracı teknikler uygulanabilir. (Majör ve minör bileşenler de dahil olmak üzere), elementel terkibinde (ya da indüktif olarak birleştirilmiş plasma atomik emisyon spektroskopisi (ICP-OES) ile asit sindirim aşağıdaki indüktif olarak birleştirilmiş plasma kütle spektrometrisi (ICP-MS) veya atomik absorpsiyon spektroskopisi (AAS) ile belirlenebilir HCI) veya toz veya pellet şeklinde numune ile X-ışını floresans spektroskopisi (XRF) ile incelenmiştir. XRF minör bileşenler (<1 ağırlık%) daha az duyarlıdır. Daha fazla detay ve örnekler De Krom ve ark bulunur. Istenmeyen kirlilikler mevcut ve kütle dengesi, belirlemenize yardımcı olur eğer 6 Bu sonuçlar ortaya koyacak, PCC orijinal cüruf kalsiyum içeriğini dönüştürme verimliliği. mineral bileşimi iyi X-ışını toz difraksiyonu (XRD) ile tespit edilir. Elde edilen kırılma nitel sağlarkristalin mineral fazlarının varlığı hakkında bilgi. göreceli miktarlarda miktarının (yaklaşık ± 2-3 ağırlık% bir hassasiyetle) Rietveld inceltme yöntemi ile yapılır. Daha fazla detay ve örnekler Santos ve ark bulunabilir. Işlem koşulları ya da yabancı maddeler kristalleşme sürecini etkileyen ise 38 Bu sonuçlar kalsit dışında ek istenmeyen evreleri (CaCO 3) üreten, teyit edecektir. Parçacık büyüklüğü dağılımı (PSD) ve ortalama tanecik çapını iyi ıslak (Di su) lazer kırınımı ile belirlenir. Daha fazla detay ve örnekler De Krom ve ark bulunabilir. 6 Bu sonuçlar PCC genellikle bir üst kesme boyutu ve dağılımının yayılma belirtmek amaçlanan uygulama (yani, kağıt imalat) gereksinimlerini karşılayan olmadığını değerlendirmek için kullanılır.

post-çıkarma sızıntı suyunun ve post-karbonatlaşma element bileşimiÜrünler, ayrıca XRD paterni ve post-karbonasyon çökeltilerinin hacim temelli PSD, Şekil 1 ve 2'de sunulmuştur. ICP-MS tekniği Ca ekstraksiyonu işleminden sonra sızıntı suyunun bileşim içinde ve gazlı önce belirli metalin (Ca, Mg, Al ve Si) içeriği (ağırlık%) ölçülmesi için kullanılmıştır. Süzdürme maddesi gibi analitik dereceli, asetik asit (2 M) arasında kullanımı, yaklaşık% 90 (Şekil 1a) bir Ca ekstre sonuçlandı. Elde edilen sonuçlara göre, daha yüksek bir ekstraksiyon etkinliği magnezyum (yaklaşık% 100), etkin bir şekilde karbonatlı edilebilir bir metal daha yoğun koşullar altında tespit edildi.

ekstraksiyon aşamasında silika ve alüminyum davranışı araştırıldı. başarıyla hidrotermal dönüşüm yoluyla alumina silikat esaslı zeolit ​​mineralleri üretmek için değil, aynı zamanda unde ile sentezlenen PCC kirlenmesini önlemek içinsired elemanları, silika ve alüminyum iki çıkarma işlemi sırasında, katı fazda kalması gerekmektedir. Elde edilen sonuçlara göre, asetik asit, silika yaklaşık% 92 ve yıkama ekstraksiyonu işlemi (Şekil 1b) boyunca etkilenmeyen alüminyum% 62 ile, silika ve alüminyum biçimde sınırlı bir miktar sızıntı sergilemiştir.

Şekil 2'de gösterildiği gibi, saflaştırılmış sızıntı suyu çözeltisi karbonasyon, istenen özelliklere sahip PCC üretimi ile sonuçlanmıştır. XRD şemasında göre (Şekil 2b), esas olarak sentezlendi mineral fazı olduğu nesquehonite küçük miktarlarda (Mg (HCO 3) (OH) · 2H 2 O, 3,2% ağırlık) ise, kalsit (88.2 ağırlık%), ve ve magnezyum kalsit (Ca 1-0,85 Mg 0-0,15 CO 3, 2.8 wt%), aynı zamanda mevcuttu. Malzeme (Şekil 2c) PSD analizinden, açık hale geldiğini ortalama partikül sizE küçüktü ve parçacık boyut dağılımı dar oldu.

karbonlama paralel olarak, ekstraksiyon kademesini terk eden katı artıklar hidrotermal dönüşüme tabi tutulmuştur. şöyle hidrotermal dönüştürülmüş malzemenin karakterizasyonu, zeolit ​​mineral üretimini kontrol etmek için ve şekil değerlendirmek için gerçekleştirilmiştir. elementel kompozisyon, en kolay XRF ile elde edilir. Trace-element tayin silika fazı eritmek için sıralı asit çözünme kullanılarak yürütülen sindirim (HNO 3 -hf veya HNO 3 -HClO 4 -hf) ile ICP-OES, ICP-MS, AAS veya takip asit sindirim gerektirir. Dönüştürülen malzeme için hedeflenen belirli bir element bileşimi varken, bu analiz XRD tarafından belirlenen mineral bileşimi açıklamak yardımcı olur. XRD analizi, mineral bileşimi, PSD tespit etmek ve parçacık çapı anlamına karbonat çökeltiler benzer belirlendi birAnılan s. Özgül yüzey alanı, gözenek hacmi ve gözenek çapı ortalama Brunauer-Emmett-Teller (BET), çok noktalı teorisine göre yorumlanır izotermleri ile azot adsorpsiyonu ile belirlenmiştir. Numuneler ilk 4 saat boyunca 350 ° C'de vakum altında gazı alınmış olmalıdır. Daha fazla detay ve örnekler Chiang ve ark bulunabilir. 5

XRD modelleri tespit Mineralojik bileşim olup, Şekil 3b'de gösterilmiştir, buna karşılık ICP-OES tekniği kullanılarak belirlenmiştir hidrotermal dönüştürülmüş malzeme Ca, Mg, Al, Si içeriği, Şekil 3a'da gösterilmektedir. PSD analizi ile elde edilen ortalama parçacık boyutu ve boyut dağılımı, Şekil 3c'de gösterilmiştir. Ca (analsime (NaAlSi 2 O 6 ∙ H2O) ile tobermorit: elde edilen malzeme, mineralojik olarak iki ana aşamadan varlığı ile karakterize edilir5 (OH) 2 Si-6-O 16 ∙ 4H 2 O). Dönüştürülmüş ekstraksiyon artıkları ikinci varlığı, XRF ile analiz edildiği gibi, malzemenin kimyasal bileşimi içinde tespit edildi önemli bir kalsiyum içeriğini (22.5 ağırlık%) haklı çıkarmaktadır. Magnezyum yaklaşık 4 ağırlık% arasındaki miktarlarda mevcuttur iken silika (37.2 wt%) ve alüminyum (11.2 ağırlık%), diğer birincil elemanlardır. boyut dağılımı 0,594 um 1.11 mm arasında değişmektedir ise PSD analizlere dayanarak, hacim an (De Brouckere) dönüştürülmüş malzemelerin partikül çapı (D [4,3]) demek, 86.6 mikron idi. Azot yüzerme analizi mL 95,23 m2 / g ve 0.014 4.89 m2 / g arasında, artan spesifik yüzey alanı sırasıyla hidrotermal dönüştürülmüş malzemenin gözenek hacmi ile gözenekli malzemenin oluşumunun (46.0 nm gözenekli ortalama çapı), teyit orijinal cüruf üzerinde 0.610 ml / g / g arasındadır.

r.within sayfa = "1"> dengelenmiş emen-adsorbat çözeltinin pH ayarlaması öncesinde ve sonrasında hidrotermal olarak dönüştürülmüş malzeme üzerine Ni2 + denge adsorpsiyon izotermlerinin yanı sıra doğrusallaştırılmış deneysel veri bağlantısı Langmuir, Freundlich ve Temkin adsorpsiyon modelleri, Şekil 4'te gösterilmiştir.

Langmuir modeli kemisorpsiyon sürecini karakterize eden bazı makul varsayımlara dayanmaktadır. Onlara göre, adsorban yüzeyi sadece aynı adsorpsiyon kapasitesi ile karakterize aynı şekil ve büyüklükte, adsorpsiyon siteleri sabit sayıda sunmaktadır. Adsorbe malzemesi formları tek bir adsorban yüzeyinde tabakası (bir molekül kalınlığı) ve sıcaklık sabittir. Matematiksel olarak, Langmuir modeli aşağıdaki eşitlikle ifade edilir:

/files/ftp_upload/55062/55062eq2.jpg "/>

Cı e çözelti içinde adsorbat denge konsantrasyonudur (mol / 100 mL) q e denge (umol / g) yüzerme gramı başına adsorbe metal miktarı Dm yüzerme teorik maksimum tek katlı bir örtü kapasitesi olduğu (mmol / g), ve k, Langmuir izoterm sabit (100 mL / mmol) 'dir.

Freundlich Langmuir modeline gerekli varsayımlar ile sınırlı değildir. Bunun yerine, bu heterojen yüzeyli adsorbanlar uygulanabilir fiziksel adsorpsiyon işlemi tarif etmektedir. adsorbe edilen malzeme yüzerme yüzeyi üzerinde birden fazla tabaka oluşturur ise her emen yüzeyi üzerine dağıtılmış adsorbsiyon yerleri, adsorbat farklı afiniteler ile karakterize edilir. Freundlichmodeli matematiksel olarak ifade edilir:

Denklem

burada K f ve n Freundlich izoterm sabitleri sırasıyla adsorpsiyon kapasitesi ve adsorpsiyon yoğunluğu, karşılık vardır.

Son olarak, Temkin modeli bağlama enerjileri eşit dağıtılmış ise katmanın tüm moleküllerin adsorpsiyon ısı doğrusal, adsorbent-adsorbat etkileşimler nedeniyle kapsamı ile azalır varsayar. Temkin modeli, aşağıdaki denklem ile ifade edilir:

Denklem

R evrensel gaz sabiti (8.314 J / mol / K) olduğu, T the sıcaklığı (K), ΔQ adsorpsiyon enerji ((J / mol) ∙ (g / umol)) bir çeşididir ve K 0 sabiti (100 mL / mmol) bağlanması Temkin izoterm dengesidir.

Tüm uygulanan modellerin katsayı değerleri hesaplanmıştır çizilen adsorpsiyon izotermlerinin (Şekil 4a) ve Langmuir, Freundlich ve Temkin lineer denklem form (Şekil 4b-4d) dayandırılmıştır. Katsayı değerleri, lineer denklem ile birlikte Tablo 1'de sunulmuştur. Son olarak, deneysel veriler ve üç farklı adsorpsiyon model aktif madde üzerine Ni2 + teorik adsorpsiyon izotermlerinin arasındaki karşılaştırmalar, Şekil 5'te sunulmaktadır. grafiklerin kontur ve teorik izoterm eğrileri deneysel sonuçların yüksek yakınlık dayanarak, yeni için olduğu doğrulanmıştırMed emici malzemenin etkili bir şekilde bir Ni 2+ adsorban olarak kullanılabilir.

Şekil 5a ve 5b, hem de Langmuir ve Freundlich modelleri (Tablo 1) için regresyon katsayıları (R2) sunulan Elde edilen sonuçların karşılaştırılmasıyla, Langmuir denklemi daha deneysel verileri açıklamaktadır biri olduğu açıktır. Bu dönüştürülmüş malzeme Ni 2+ iyonların bir tek-tabakalı adsorpsiyon olduğu ve doğası, bir kemisorpsiyon işleminin olduğu anlamına gelir. daha fazla araştırılması adsorpsiyon doğasını analiz etmek için, biz de deneysel verilere Temkin modeli sığdırmak için çalıştı. Şekil 5c ve yüksek R2 (Tablo 1) 'de gösterilen grafikten, Temkin modeli aynı zamanda iyi deneysel verilere uygun olduğu açıktır. varyasyon pozitif değerlere göreadsorpsiyon enerjisi (ΔQ), adsorpsiyon ekzotermik olduğu sonucuna varılabilir.

Şekil 1
Şekil 1: Asetik asit çıkarma. 30 ° C, 1000 rpm'de çalıştırılan ve 60 dakika boyunca asetik asit ve şasi, granüle BF cüruf arasındaki reaksiyonundan elde edilen sızıntı suyu çözeltilerinde AI, Ca, Mg, ve Si konsantrasyonu, (birinci aşama, ikinci aşama ve toplam olarak). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

şekil 2
Şekil 2: Kalsiyum karbonat çöker. (A) karbonat çökeltinin bir bileşim, öğe başına ağırlıkça yüzde olarak ifade edilen, normalize % 100 toplam d. Post-KARBONLAŞMAYI çökelti (b) XRD diyagramı. Post-KARBONLAŞMAYI çökelti (c) Parçacık büyüklüğü dağılımı. De Crom ark çoğaltılamaz. Elsevier (3879261230348) izni ile 6. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3: hidrotermal dönüştürülmüş malzeme. (A) hidrotermal dönüştürülmüş malzemenin bileşimi,% 100 toplam normalleştirilmiş eleman başına ağırlık yüzdesi olarak ifade edilmiştir. Hidrotermal dönüştürülmüş malzeme, (b), XRD diyagramıdır. (C) hidrotermal dönüştürülmüş malzemenin ortalama parçacık boyutu dağılımı..com / files / ftp_upload / 55062 / 55062fig3large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
Şekil 4: Adsorpsiyon izotermleri. (A) öncesi ve pH ayarlaması yapıldıktan sonra zeolit malzeme üzerinde Ni 2+ adsorpsiyon izoterm verileri. (B - d) doğrusallaştırılmış Langmuir, Freundlich ve Temkin adsorpsiyon modellerine deneysel verilerin takılması. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 5,
Şekil 5: Deneysel ve simüle veri yakınlık. deneysel veriler arasında karşılaştırma (exp) (a) Langmuir göre olan zeolit malzeme üzerine Ni2 + simüle adsorpsiyon izotermlerinin (hesaplanan), (b) Freundlich ve (c) Temkin modelleri. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

doğrusal Denklem katsayılar düzeltilmemiş düzeltilmiş
Langmuir denklemi Denklem D m 196,08 196,08
k 0.174 0,0851
R2 0.997 0,993
freundlich denklemi Denklem n 2.50 2.13
K f 26.50 17.64
R2 0.840 0,893
Temkin Denklemi Denklem Δ Q 102,30 93.99
K 0 9.97 3.58
R2 0.998 0,978

Tablo 1: zeolit malzeme üzerine Ni 2+ adsorpsiyonu için adsorpsiyon izoterm parametreleri. denklemleri ve doğrusallaştırılmış Langmuir, Freundlich ve Temkin adsorpsiyon modelleri, gelen donatılmış parametreler.

Discussion

Dolaylı karbonatlaşma 7, 8 ve hidrotermal dönüşüm 9 rağmen BF cüruflar 10 yaygın PCC ve zeolitik minerallerin simbiyotik sentezi için kendi bağlantı sadece son 5 ileri sürülmüştür, ayrı süreçler olarak araştırılmış ve metodoloji burada sunulmuştur detay. Düzenin en çok kritik aşama Ca yeterli (hemen hemen toplam) çıkarma ve ekstraksiyon aşamasında BF cüruftan silika ve alüminyum sınırlı liç olan. Sızıntı suyu kalsiyumun yüksek miktarda karbonasyon sonra PCC sentezi yüksek oranda korur istenmeyen fazların büyük miktarlarda üretilmesini inhibe eder (örneğin, tobermorit, hidrogarnet (Ca 3 Al 2 (SiO 4) 3-y (OH) 4y) ) hidrotermal olarak dönüştürülmüş ürünlerin 9 bulunuyor. the Öte yandan, post-ekstraksiyon katı kalıntı, Si ve Al büyük kısmının korunması zeolit ​​mineral oluşumu için aracı bir önem taşımaktadır.

Bu amaçla literatürde çok incelenmiştir ekstraksiyon arasında 7, 8, 10, 11, 34, 35, 36, asetik asit, bu çalışmanın amacı için en uygun olarak seçilmiştir. Elde edilen kalıntı, Si ve Al büyük kısmının tutma sağlarken, özellikle ekstraksiyon maddesi, çözeltiye cüruftan kalsiyum yüksek miktarda serbest kalmasına neden olur. Bu PCC ve zeolitler paralel oluşumunu destekler. cüruf, cürufun kalsiyum içeriğine ve th kütlesine göre 1 (: Her çıkarma aşamasında kullanılan asetik asit-kalsiyum mol oranı 2İki ekstre adımda toplam oranı 4 anlamına asetik asit çözeltisinin e hacmi): 1 arasındadır. Kalsiyum asetat 2, bir asetat-kalsiyum oranı Süresi: 1, Chiang ve ark gerekli bulunmuştur olarak stoikiometrik miktarda kullanılmıştır çift. 5

oluşturulan PCC istenmeyen safsızlıkların varlığı sınırlandırmak için, sızıntı suyu çözeltisi gazlı edilmeden önce başka saflaştırma işlemlerine tabi tutulması gerekmektedir; Bu önerilen simbiyotik sürecin başka bir yenilik ise. Daha önceki çalışmada, PCC kalitesi (kimyasal saflık, mineral bileşimi, partikül büyüklüğü ve şekli) olumsuz kirliliklerin etkilendi. Sentezlenen PCC kağıt dolgu malzemesi olarak nitelikli olması için, belirli kriterler yerine getirilmelidir. Üretilen PCC yüksek kimyasal saflıkta (min. Ağırlıkça% 98 Ca) homojen mineralojik yapısı, küçük ortalama parçacık boyutu ve dar bir boyut dağılımı 6 ile karakterize edilmelidir. Temsilci Sonuç sunulduğu gibis bölümü, önerilen süreç bu özelliklere tanıyor. Çökelen karbonat yüksek saflıkta ve 98.1 ağırlık% (Şekil 2a), bir kalsiyum içeriğine sahiptir.

Hidrotermal dönüştürme işleminin optimizasyonu bir ağır metal adsorban olarak hareket yeteneğine sahip bir maddenin üretimi ile sonuçlanmıştır. optimizasyon sıcaklığında, NaOH konsantrasyonu, ve reaksiyon süresi en uygun kombinasyonunu bulmak yapılmıştır. ; Tobermorit oluşturabilen istenmeyen mineral fazlarının biridir tobermorit bir iyon-değiştirme mekanizması 40 ile emici olarak hareket edebilir olduğu bildirilmiştir ama onun tabakalı kristal yapısı, daha az özgül yüzey alanı 39, emici önemli bir özellik yol açar. Bununla birlikte, bu çalışmada dönüştürülen malzeme hakim mineral faz en iyi şartlar altında, analsim (Şekil 3B) olmasıdır. Bu bildirilmiştir bir zeolittirkayda değer bir ağır metal tutma kapasitesi, 41, 42 ve bu tarifnamede gösterilen ve böylece, atık su zehirli kirletici maddelerin çıkarılması için kullanılabilir.

Bir sorbent olarak bu malzemenin potansiyel kullanım sudan nikel çıkarılması için incelenmiştir. Ni2 + ve sentetik olarak hazırlanan kontamine çözeltilerin pH değerleri, test sırasında 4-5 için kontrol edilmiştir, ilk önce, sentetik çözeltinin başlangıç asidik ortamda malzemenin çözülmesini önlemek için, ve ikinci olarak, pH değerini ayarlamak için seviyesi tipik ağır metal iyileştirme koşullarında 43 bulundu. Üç farklı izoterm modelleri, yani Langmuir, Freundlich ve Temkin, en uygun olduğunu kanıtlamaktadır Langmuir modeli ile, adsorpsiyon prosesleri (Şekil 4 ve 5) karakterize etmek amacıyla uygulanmıştır. Dm attrib değer dikkat edilmelidirdüzeltilmemiş denge uted adsorban-adsorbat çözümler ayarlamadan sonra denge çözümleri karşılık daha yüksektir. Bu da, dengeye ulaşana kadar çözelti içinde meydana gelen adsorpsiyon reaksiyonlar sırasında yer alan pH artışı ile açıklanmıştır. Daha yüksek bir pH (> 5) jeokimyasal modelleme ve Santos ve arkadaşları tarafından deneysel çalışmalar ışığında, Ni (OH) 2 olarak çökeltmek için nikel neden olur. Sırayla Ge m değeri şişirir 44. heavy metal Bu tür test malzemenin gerçek adsorpsiyon kapasitesi olarak oluşturuyor olmamalıdır. Böyle önyargılı ölçümleri önlemek için bir çaba, dengelenmiş adsorban-adsorbat çözeltinin pH değeri konsantre hidroklorik asit damla ekleyerek ~ 5.0 yeniden ayarlandı. Düşük q E değerleri (Şekil 4a) ve bunun sonucu olarak, pH değeri ayarlanmış çözeltinin daha tutucu Ni adsorpsiyon tahmini, bu şekilde olabilir, Obtained.

Burada tarif edilen teknikler, potansiyel PCC ve zeolitler sentezi için Ca, Al ve Si kaynakları gibi diğer maddelerin yararlanılmasının adapte edilmesi gerekir. çelik cürufları, yakma külleri, madencilik ve zenginleştirme atıkları, inşaat ve yıkım atıkları, doğal mineraller, vb içerebilir yüksek fırın cürufu dışındaki potansiyel malzemeler değil tüm bu malzemeleri BF cüruf olarak Ca, Al ve Si aynı oranlarda içerirler (özellikle çekici BF cüruf kılan olan), ama yine de, yine de PCC, zeolitler veya benzeri işleme teknikleri ile diğer mineral kaynaklı ürünler (örneğin, 45 ya da puzolanik maddeleri bir araya getirir) (ekstre bazı kombinasyonlarını oluşturmak için kullanılabilir, çöktürme ve / veya kimyasal dönüşüm). büyük olasılıkla Adso olduğu gibi, aynı zamanda, BF cüruf veya diğer minerallerden üretilen zeolit ​​malzemeleri diğer atık su ya da iyileştirme uygulamaları için test edilmelidirBu Cd, Pb, Zn 46 gibi diğer ağır metaller için rption kapasitesi. Ekonomi (atık malzemeler için imha ücretleri kaçınma, ya da daha yüksek veya daha düşük değerli uygulamalar için ürünler kullanarak finansal getiri karşı bakire malzemeler için ödeme yapmanıza gerek) uygun bir mineral hammaddenin belirlenmesinde bir rol oynamalıdır. Daha az maliyetli ve daha kolay bir şekilde geri kazanılabilir alternatifler diğer işlem girişler yer değiştirmesi (asetik asit, sodyum hidroksit, ve konsantre edilerek CO2), aynı zamanda işlem maliyetleri geliştirmek için dikkate alınmalıdır.

Disclosures

Biz ifşa hiçbir şey yok.

Acknowledgments

Biz özellikle Jaspreet Chandla, Nausheen Zehra, Mike OVAS, Erin Sutton, Daniel Liao Sheridan Kimya ve Çevre Laboratuvarları laboratuvar personeli tarafından sağlanan araştırmaya destek için minnettarım. EG ayrıca Sheridan onu ev sahipliği için Dekanlar Terry Davison ve Dave Wackerlin Associate müteşekkir olduğunu. Terry Davison ve Dr. Iain McNab, Sheridan Uygulamalı Bilim ve Teknoloji Fakültesi Dekanı finansal destek de takdir edilmektedir. ATS Scientific Inc., Quantachrome Aletleri ve Malvern Instruments azot adsorpsiyonu ve parçacık büyüklüğü analizi ile yardımcı zarif edildi.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetic acid (CH3COOH) Caledon Laboratories 1000-1-29 Glacial (≥99.7%).
Autoclave reactor Parr 4525-T-HC-M(HC) One liter volume, equipped with dual turbine impeller, baffle and electric heating jacket.
Blast Furnace (BF) slag ArcelorMittal - Granulated BF Slag from Ghent (Belgium); Pelletized BF Slag from Hamilton (Canada).
Carbon dioxide (CO2) Praxair TBC Industrial grade (99.5%).
Centrifugal Mill Retsch ZM100 0.50 mm sieve.
Centrifuge Thermo Electron IEC CL30 To separate solids from liquids.
Ecoclave reactor Büchi Type 3E One liter volume, equipped with turbine impeller, baffle and electric heating jacket.
Filter paper Fisher Scientific P8 (09-795F) Porosity: coarse; flow rate: fast.
Hydrochloric acid (HCl) Caledon Laboratories 6025-1-29 Reagent grade (36.5%-38.0%).
Incubator New Brunswick Scientific I 24 Orbital shaker with temperature control.
Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS) Thermo Electron X Series To determine the concentration of Al, Ca, Mg and Si in the post-extraction leachates and post-carbonation liquid medium.
Inductively Coupled Plasma Optical Emissions Spectrometer (ICP-OES) PerkinElmer Optima 8300 To determine the concentration of Ni in the post-centrifuged equilibrated adsorbent-adsorbated leachate.
Laser Diffraction Analysis (LDA) Malvern Mastersizer 3000 To measure the average particle size diameter and particle size distribution (PSD) of the solids.
Microbalance Sartorius Quintix224-S1 Four decimals.
Ni standard solution Perkin Elmer N9300136 Concentration of 1,000 mg/1,000 mL.
Nitric acid (HNO3) Caledon Laboratories 7525-1-29 Reagent grade (68.0%-70.0%).
Oven Fisher Scientific Isotemp oven 105°C.
pH meter Fisher Scientific AB15 Calibrated with standard solutions before each set of measurements; temperature corrected to 25 °C.
Sodium hydroxide (NaOH) Caledon Laboratories 7871-6-42 Reagent grade (50% W/W).
X-ray Diffraction (XRD) Rigaku MiniFlex 600 To characterize mineralogical properties of adsorbant solids.
X-ray Fluorescence (XRF) PANalytical Zetium To characterize chemical composition of solids.
Nitrogen Adsorption Quantachrome NOVAtouch  To characterize specific surface area, pore volume and mean pore diameter of solids.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Stolaroff, J. K., Lowry, G. V., Keith, D. W. Using CaO- and MgO-rich industrial waste streams for carbon sequestration. Energ. Convers. Manage. 46, 687-699 (2004).
  2. Bobicki, E. R., Liu, Q., Xu, Z., Zeng, H. Carbon capture and storage using alkaline industrial wastes. Prog. Energy Combust. Sci. 38, 302-320 (2011).
  3. Sanna, A., Dri, M., Hall, M. R., Maroto-Valer, M. Waste materials for carbon capture and storage by mineralisation (CCSM) - A UK perspective. Appl. Energy. 99, 545-554 (2012).
  4. Bodor, M., Santos, R. M., Van Gerven, T., Vlad, M. Recent developments and perspectives on the treatment of industrial wastes by mineral carbonation - A review. Cent. Eur. J. Eng. 3 (4), 566-584 (2013).
  5. Chiang, Y. W., Santos, R. M., Elsen, J., Meesschaert, B., Martens, J. A., Van Gerven, T. Towards zero-waste mineral carbon sequestration via two-way valorization of ironmaking slag. Chem. Eng. J. 249, 260-269 (2014).
  6. De Crom, K., Chiang, Y. W., Van Gerven, T., Santos, R. M. Purification of slag-derived leachate and selective carbonation for high-quality precipitated calcium carbonate synthesis. Chem. Eng. Res. Des. , 180-190 (2015).
  7. Teir, S., Eloneva, S., Fogelholm, C. -J., Zevenhoven, R. Dissolution of steelmaking slags in acetic acid for precipitated calcium carbonate production. Energy. 32 (4), 528-539 (2007).
  8. Eloneva, S., Teir, S., Salminen, J., Fogelholm, C. -J., Zevenhoven, R. Fixation of CO2 by carbonating calcium derived from blast furnace slag. Energy. 33 (9), 1461-1467 (2008).
  9. Sugano, Y., Sahara, R., Murakami, T., Narushima, T., Iguchi, Y., Ouchi, C. Hydrothermal synthesis of zeolite A using blast furnace slag. ISIJ Int. 45, 937-945 (2005).
  10. Kuwahara, Y., Ohmichi, T., Kamegawa, T., Mori, K., Yamashita, H. A novel conversion process from waste slag: synthesis of a hydrotalcite-like compound and zeolite from blast furnace slag and evaluation of adsorption capacities. J. Mater. Chem. 20, 5052-5062 (2010).
  11. Murakami, T., Sugano, Y., Narushima, T., Iguchi, Y., Ouchi, C. Recovery of calcium from BF slag and synthesis of zeolite A using its residue. ISIJ Int. 51, 901-905 (2011).
  12. Davis, R. J. New perspectives on basic zeolites as catalysts and catalyst supports. J. Catal. 216 (1-2), 396-405 (2003).
  13. Primo, A., Garcia, H. Zeolites as catalysts in oil refining. Chem. Soc. Rev. 43, 7548-7561 (2014).
  14. Vaiana, R., Iuele, T., Gallelli, V. Warm Mix asphalt with synthetic zeolite: A laboratory study on mixes workability. Int. J. Pavement Res. Technol. 6 (5), 562-569 (2013).
  15. Handayani, A. T., Setiaji, B. H., Prabandiyani, S. The Use of Natural Zeolite as an Additive in Warm Mix Asphalt with Polymer Modified Asphalt Binder. Int. J. Eng. Res. Africa. 15, 35-46 (2015).
  16. Jana, D. A new look to an old pozzolan, clinoptilolite - a promising pozzolan in concrete. Proceedings of the 29th ICMA conference on cement microscopy, Quebec City, , Curran Associates Inc. 168-206 (2007).
  17. Valipour, M., Pargar, F., Shekarchi, M., Khani, S. Comparing a natural pozzolan, zeolite, to metakaolin and silica fume in terms of their effect on the durability characteristics of concrete: A laboratory study. Constr. Build. Mater. 41, 879-888 (2013).
  18. Tomasevic-Canovic, M. Purification of natural zeolite-clinoptilolite for medical application-Extraction of lead. J. Serb. Chem. Soc. 70 (11), 1335-1345 (2005).
  19. Andronescu, E., Grigore, F., Tardei, C., Stefan, E. Natural zeolites with medical applications--preliminary preparation and characterization. Rev. Med. Chir. Soc. Med. Nat. Iasi. 110 (1), 236-241 (2006).
  20. Rhee, P., et al. QuikClot use in trauma for hemorrhage control: case series of 103 documented uses. J. Trauma. 64 (4), 1093-1099 (2008).
  21. Mumpton, F. A. Using zeolites in agriculture. Innovative Biological Technologies for Lesser Developed Countries. , Congress of the United States, Office of Technology Assessment. Washington, DC, USA. (1985).
  22. Mumpton, F. A. La roca magica. Uses of natural zeolites in agriculture and industry. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 96 (7), 3463-3470 (1999).
  23. Ramesh, K., Reddy, D. D., Biswas, A. K., Rao, A. S. Zeolites and Their Potential Uses in Agriculture. Adv. Agron. 113, 215-236 (2011).
  24. Gholikandi, G. B., Baneshi, M. M., Dehghanifard, E., Salehi, S., Yari, A. R. Natural Zeolites Application as Sustainable Adsorbent for Heavy Metals Removal from Drinking Water. Iran. J. Toxicol. 3, 302-310 (2010).
  25. Wang, S., Peng, Y. Natural zeolites as effective adsorbents in water and wastewater treatment. Chem. Eng. J. 156 (1), 11-24 (2010).
  26. Shoumkova, A. Zeolites for water and wastewater treatment: An overview. 2011 Research Bulletin of the Australian Institute of High Energetic Materials. 2, 10-70 (2011).
  27. Chiang, Y. W., Ghyselbrecht, K., Santos, R. M., Meesschaert, B., Martens, J. A. Synthesis of zeolitic-type adsorbent material from municipal solid waste incinerator bottom ash and its application in heavy metal adsorption. Catal. Today. 190 (1), 23-30 (2012).
  28. Shevade, S., Ford, R. G. Use of synthetic zeolites for arsenate removal from pollutant water. Water Res. 38 (14-15), 3197-3204 (2004).
  29. Erdem, E., Karapinar, N., Donat, R. The removal of heavy metal cations by natural zeolites. J. Colloid Interface Sci. 280 (2), 309-314 (2004).
  30. Ruggieri, F., Marín, V., Gimeno, D., Fernandez-Turiel, J. L., García-Valles, M., Gutierrez, L. Application of zeolitic volcanic rocks for arsenic removal from water. Engin. Geol. 101 (3-4), 245-250 (2008).
  31. Terdkiatburana, T., Wang, S., Tadé, M. O. Adsorption of heavy metal ions by natural and synthesized zeolites for wastewater treatment. Int. J. Environ. Waste. Manag. 3 (3-4), 327-335 (2009).
  32. Alexander, G. B., Heston, W. M., Iler, R. K. The solubility of amorphous silica in water. J. Phys. Chem. 58 (6), 453-455 (1954).
  33. Bingham, E., Cohrssen, B. Patty's Toxicology. 3, John Wiley & Sons. Hoboken. sixth edition 472 (2012).
  34. Santos, R. M., Chiang, Y. W., Elsen, J., Van Gerven, T. Distinguishing between carbonate and non-carbonate precipitates from the carbonation of calcium-containing organic acid leachates. Hydrometallurgy. 147-148, 90-94 (2014).
  35. Bonfils, B., Julcour-Lebigue, C., Guyot, F., Bodénan, F., Chiquet, P., Bourgeois, F. Comprehensive analysis of direct aqueous mineral carbonation using dissolution enhancing organic additives. Int. J. Greenhouse Gas Control. 9, 334-346 (2012).
  36. Eloneva, S., et al. Reduction of CO2 emissions from steel plants by using steelmaking slags for production of marketable calcium carbonate. Steel Res. Int. 80 (6), 415-421 (2009).
  37. Sarojam, P. Analysis of Wastewater for Metals using ICP-OES. , PerkinElmer, Inc. Shelton, USA. Available online: http://www.perkinelmer.com/lab-solutions/resources/docs/APP_MetalsinWastewater.pdf (2010).
  38. Santos, R. M., Van Bouwel, J., Vandevelde, E., Mertens, G., Elsen, J., Van Gerven, T. Accelerated mineral carbonation of stainless steel slags for CO2 storage and waste valorization: effect of process parameters on geochemical properties. Int. J. Greenhouse Gas Control. 17, 32-45 (2013).
  39. Tsutsumi, T., Nishimoto, S., Kameshima, Y., Miyake, M. Hydrothermal preparation of tobermorite from blast furnace slag for Cs+ and Sr2+ sorption. J. Hazard. Mater. 266, 174-181 (2014).
  40. Komarneni, S. Heavy metal removal from aqueous solutions by tobermorites and zeolites. Nucl. Chem. Waste Manage. 5, 247-250 (1985).
  41. Rachkova, N. G., Shuktomova, I. I. Sorption of U(VI) and Ra from aqueous solutions with analcime-containing rock. Radiochemistry. 52 (1), 76-80 (2010).
  42. Hegazy, E. Z., Hamdy, I., Abo El Enin, R. M. M. Preparation and characterization of Ti and V modified analcime from local kaolin. Appl. Clay Sci. 49 (3), 149-155 (2010).
  43. Chiang, Y. W., et al. Strategic selection of an optimal sorbent mixture for in-situ remediation of heavy metal contaminated sediments: Framework and case. J. Environ. Manage. , 1-11 (2012).
  44. Santos, R. M., Mertens, G., Salman, M., Cizer, Ö, Van Gerven, T. Comparative study of ageing, heat treatment and accelerated carbonation for stabilization of municipal solid waste incineration bottom ash in view of reducing regulated heavy metal/metalloid leaching. J. Environ. Manage. 128, 807-821 (2013).
  45. Bodor, M., et al. Laboratory investigation of carbonated BOF slag used as partial replacement of natural aggregate in cement mortars. Cem. Concr. Compos. 65, 55-66 (2016).
  46. Chiang, Y. W., Santos, R. M., Vanduyfhuys, K., Meesschaert, B., Martens, J. A. Atom-Efficient Route for Converting Incineration Ashes into Heavy Metal Sorbents. Chem. Sus. Chem. 7, 276-283 (2014).

Tags

Mühendislik Sayı 120 Yüksek fırın cürufu atık valorizasyon CO maden karbonizasyon hidrotermal dönüşüm Ağır metal iyonu tortulandırılmış kalsiyum karbonat zeolit
Yüksek Fırın Cüruf iki yönlü Valorizasyon: çöktürülmüş Kalsiyum Karbonat ve Zeolitik Ağır Metal Adsorban Sentezi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Georgakopoulos, E., Santos, R. M.,… More

Georgakopoulos, E., Santos, R. M., Chiang, Y. W., Manovic, V. Two-way Valorization of Blast Furnace Slag: Synthesis of Precipitated Calcium Carbonate and Zeolitic Heavy Metal Adsorbent. J. Vis. Exp. (120), e55062, doi:10.3791/55062 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter