Μελέτη προσρόφησης μεταλλοϊόντων (Cu(II), Eu(III), U(VI)) σε βιομάζα και ανόργανα στερεά

Abstract

Αντικείμενο έρευνας της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής, αποτελεί η προσρόφηση μεταλλοϊόντων σε επιφάνειες οργανικών και ανόργανων στερεών. Συγκεκριμένα, η παρούσα ερευνητική εργασία εστιάζεται στη μελέτη της προσρόφησης ιόντων ουρανίου (U(VI)), ευρωπίου (Eu(III)) και χαλκού (Cu(II)) σε πυρηνόξυλο, πυρηνάνθρακα, δουνίτη, οξείδιο του τιτανίου και αλουμίνα. Η μελέτη διακρίνεται βασικά σε τρία μέρη. Το πρώτο μέρος αναφέρεται στο χαρακτηρισμό των στερεών φάσεων, ο οποίος έγινε με τη χρήση διαφόρων τεχνικών όπως οξεοβασική τιτλομέτρηση, ισοθερμική ογκομετρική προσρόφηση Ν2, FTIR-ATR, TPD-NH3, SEM-EDX, ICP-OES, XRD και XRF. Στο δεύτερο μέρος, γίνεται αναφορά στο χαρακτηρισμό των στερεών φάσεων και των προσροφημένων μεταλλοϊόντων μετά την προσρόφηση με μετρήσεις SEM-EDX, FTIR-ATR και Φασματοσκοπίας Στατικού και Χρονικά Αναλυόμενου Φθορισμού (TRLFS). Με τις εν λόγω τεχνικές, ταυτοποιήθηκαν τα προσροφημένα είδη στις επιφάνειες των στερεών και ειδικότερα με την τεχνική TRLFS λήφθηκαν πληροφορίες για τον τρόπο δέσμευσης των μεταλλοϊόντων στις υπό μελέτη επιφάνειες. Το τρίτο και κύριο μέρος, περιλαμβάνει μελέτες σχετικά με τις βασικότερες φυσικοχημικές παραμέτρους που επηρεάζουν την προσρόφηση των μεταλλοϊόντων στις επιφάνειες των στερεών και συγκεκριμένα του pH του διαλύματος, της αρχικής συγκέντρωσης μεταλλοϊόντων, της μάζας του προσροφητή, της θερμοκρασίας, της ιοντικής ισχύος και του χρόνου επαφής μεταξύ μεταλλοϊόντος και προσροφητή. Ο υπολογισμός της συγκέντρωσης των μεταλλοϊόντων στα διαλύματα έγινε φωτομετρικά. Επίσης, το τρίτο μέρος της παρούσας διατριβής, περιλαμβάνει πειράματα μελέτης της προσρόφησης των μεταλλοϊόντων Cu(II), Eu(III) και U(VI) στις επιφάνειες των προαναφερθέντων στερεών. Οι μελέτες αυτές στηρίχθηκαν σε ποτενσιομετρικές μετρήσεις, με χρήση εκλεκτικού ηλεκτροδίου του χαλκού (Cu(II)), άμεσα για την προσρόφηση χαλκού και έμμεσα (μέσω αντιδράσεων ανταγωνισμού) για την προσρόφηση των ιόντων U(VI) και Eu(III) στις υπό μελέτη επιφάνειες. Η αξιολόγηση των δεδομένων διεξήχθη με ένα μοντέλο που εφαρμόσθηκε για πρώτη φορά στα πλαίσια αυτής της μελέτης και αποτελεί ουσιαστικά ένα συνδυασμό του μοντέλου εξουδετέρωσης φορτίου (CNM) και του μοντέλου διακριτού υποκαταστάτη (Scatchard Model).

The present Doctoral Thesis aims to investigate the adsorption of metal ions on organic and inorganic solid surfaces. Specifically, the present study is focused on the adsorption of uranium (U(VI)), europium (Eu(III)) and copper (Cu(II)) on olive cake, olive carbon, dunite, titanium oxide and alumina. The study is basically distinguished in three parts. The first part, deals with the characterization of solid phases by means of various techniques such as acid-base titration, isothermal N2-adsorption, FTIR-ATR, TPD-NH3, SEM-EDX, ICP-OES, XRD and XRF. The second part, reports the characterization of the solid phases (after adsorption) and surface complexes using SEM-EDX, FTIR-ATR and Static and Time-Resolved Laser Fluorescence Spectroscopy (TRLFS). The use of these techniques allows identification of the adsorbed metal ions, and in particular, TRLFS gives detailed information about the adsorbed species at a molecular level. The third part, which is the main part of this study, deals with the effect of different physicochemical parameters such as pH, initial metal ion concentration, amount of adsorbent, temperature, ionic strength and time of contact between metal ion and adsorbent on the adsorption efficiency. The metal ion concentration in solution was determined using UV-Vis spectrophotometry. Furthermore, the third part of the present study includes adsorption experiments of metal Cu(II), Eu(III) and U(VI) ions on the respective solid surfaces. These studies were performed by means of potentiometry using a copper ion selective electrode, directly for the adsorption of copper and indirectly (by means of competition reactions) for the uranium (U(VI)) and europium (Eu(III)) ion adsorption. Evaluation of the experimental results was performed (for the first time within this study) using a simple operational model, which is basically a combination of the charge neutralization model (CNM) and the Scatchard model.