Competitive Heavy Metal Adsorption with Coated Ceramic Membrane and Investigation of Regeneration Methods

Abstract

In this study, active surface of ceramic membrane was modified with silica layer and amino groups in order to improve the treatability of industrial wastewater with heavy metal content. As the separation capabilities of the developed membrane increased, it became more selective for metal ions in industrial wastewaters. The modified membrane is characterized by SEM-EDX, membrane surface charge, and XRF measurements. The affinities and rejection capacities of heavy metals in industrial wastewater on the coated ceramic membrane were investigated at constant concentration and pressure (6.5 mg / L, 2 bar) with single, triple and 5-mixture model solutions. Then, 2 different regeneration methods were applied to the coated ceramic membrane. To determine the regeneration capacity of coated ceramic membrane with optimum regeneration method; 3 different pressures (1,2 and 4 bar) and 3 different concentrations (6,5, 64 and 128 mg / L) of copper containing model solution and industrial wastewater were tested and compared with the clean water flux after regeneration. In single experiments the removal order was obtained as Cu²⁺>Pb²⁺>Ni²⁺>Zn²⁺>Fe²⁺. In triple tests removal order of Pb²⁺>Ni²⁺>Cu²⁺ and Zn²⁺>Cu²⁺>Fe²⁺ was obtained. In the removal test where all metals are combined, the result was obtained as Pb²⁺>Ni²⁺>Zn²⁺>Cu²⁺>Fe²⁺ which is similar to the results of the studies in the literature. As a result of the tests performed, coated ceramic membranes were able to recover their initial performance after regeneration. ICP-MS analysis of the samples taken from the regeneration stream after coated membrane experiments 26,84-33,73 mg/L copper was found. By the multi-channel ceramic membrane tests which will be conducted in future studies, it is expected that the coating will strengthen the adsorption process by covering a larger surface area on ceramic membranes and reduce the process costs with obtained higher fluxes.

Keywords

• Ceramic membrane,membrane coating,, industrial wastewater,metal removal,copper recovery

Kaplanmış Seramik Membranla Rekabetli Ağır Metal Adsorpsiyonu ve Rejenerasyon Yöntemlerinin İncelenmesi

Abstract

Yapılan çalışmada, ağır metal içerikli endüstriyel atıksuların seramik membranlarla arıtılabilirliğinin geliştirilebilmesi adına seramik membran aktif yüzeyi silika tabakası ve amin grupları ile modifiye edilmiştir. Geliştirilen membranın ayırma yetenekleri artarken, endüstriyel atıksulardaki metal iyonları için daha seçici hale gelmiştir. Modifiye edilen membranda SEM-EDX, membran yüzey yükü, XRF ölçümleri ile karakterizasyon işlemi yapılmıştır. Endüstriyel atıksu içerisinde bulunan ağır metallerin, kaplanan seramik membran üzerindeki afiniteleri ve giderim miktarları tekil, 3’lü ve 5’li karışım model çözeltilerle sabit konsantrasyon ve basınçta (6,5 mg/L, 2 bar) incelenmiştir. Daha sonra, kaplanmış seramik membran için 2 farklı rejenerasyon yöntemi denenmiştir. Denenen rejenerasyon yöntemiyle kaplanmış seramik membranın rejenerasyon kapasitesinin belirlenmesi adına 3 farklı konsantrasyonda (6,5, 64 ve 128 mg/L) ve 3 farklı basınçta (1, 2 ve 4 bar) bakır içeren model çözelti ve endüstriyel atıksu ile denemeler yapılarak rejenerasyon sonrasındaki temiz su akıları karşılaştırılmıştır. Tekil deneylerde giderim sıralaması Cu²⁺>Pb²⁺>Ni²⁺>Zn²⁺>Fe²⁺ olarak elde edilmiştir. Üçlü testlerde ise Pb²⁺>Ni²⁺>Cu²⁺ ve Zn²⁺>Cu²⁺>Fe²⁺ olarak bulunmuştur. Tüm metallerin birlikte olduğu giderim testinde ise giderim sıralaması literatürdeki çalışmaların sonuçlarına benzerlik gösteren Pb²⁺>Ni²⁺>Zn²⁺>Cu²⁺>Fe²⁺ şeklinde gerçekleşmiştir. Yapılan testler sonucunda kaplanmış seramik membranların rejenerasyon sonrasında ilk performanslarını geri kazanabildiği anlaşılmıştır. Kaplanmış membran deneyleri sonrası rejenerasyon sırasında rejeneranttan alınan numunelerde yapılan ICP-MS analiziyle rejenerantlarda 26,84-33,73 mg/L aralığında bakır bulunduğu tespit edilmiştir. Gelecekte yapılacak çok kanallı seramik membran testleriyle kaplamanın seramik membranlar üzerinde daha geniş bir yüzey kaplayarak adsorpsiyon prosesini güçlendireceği ve elde edilecek daha yüksek akılarla proses maliyetlerini düşüreceği öngörülmektedir.

Keywords

• Seramik membran,membran kaplama,endüstriyel atıksu,metal giderimi,bakır geri kazanımı

References

1. Zhou, J., Liang, J., Hu, Y., Zhang, W., Liu, H., You, L., Zhang, W., Gao, M., Zhou, J. 2018. Exposure Risk of Local Residents to Copper Near the Largest Flash Copper Smelter in China, Science of the Total Environment, Cilt. 630, s. 453–461. DOI:10.1016/j.scitotenv.2018.02.211
2. Bost, M., Houdart, S., Oberli, M., Kalonji, E., Huneau, J. F., Margaritis, I. 2016. Dietary Copper and Human Health: Current Evidence and Unresolved Issues, Journal of Trace Elements in Medicine and Biology, Cilt. 35, s. 107–115. DOI:10.1016/j.jtemb.2016.02.006
3. Gök, O., Çimen Mesutoğlu, Ö. 2017. Ağır Metallerin Giderimi için Düşük Maliyetli Adsorban Olarak Pirina Kullanımı, Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt. 32, Sayı 2, s. 507–516. DOI:10.17341/gazimmfd.322176
4. Delikanlı, N. E. 2019. Polimerik/Modifiye Hibrit Seramik Membran Prosesi ile Endüstriyel Atıksudan Bakır Giderimi ve Geri Kazanımı. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 187s, Isparta.
5. Latorre, M., Troncoso, R., Uauy, R. 2019. Chapter 4 - Biological Aspects of Copper. ss 25-31. Kerkar N., Roberts E.A., ed. 2018. Clinical and Translational Perspectives on WILSON DISEASE, Academic Press, Cambridge, Massachusetts, ABD, 502s.
6. Nagehan, H., Köysüren, U., Dursun, Ş. 2013. Sucul Ortamdan Ağır Metal İyonlarının Modifiye Edilmiş Kayısı Çekirdeği Kabuğu ile Giderimi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., Cilt. 28, Sayı 2, s. 427–436. DOI: 10.17341/gazimmfd.322176
7. Al-Saydeh, S. A., El-Naas, M. H., Zaidi, S. J. 2017. Copper Removal From Industrial Wastewater: A Comprehensive Review, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, Cilt. 56, s. 35–44. DOI:10.1016/j.jiec.2017.07.026
8. Khulbe, K. C., Matsuura, T. 2018. Removal of Heavy Metals and Pollutants by Membrane Adsorption Techniques, Applied Water Science, Cilt. 8, Sayı 1, s. 1-30. DOI:10.1007/s13201-018-0661-6

9. Harman, B. İ. 2011. Hibrit Seramik Membran Prosesiyle Su Arıtımı. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 308s, Isparta.
10. Park, J. H., Ok, Y. S., Kim, S. H., Cho, J. S., Heo, J. S., Delaune, R. D.; Seo, D. C. 2016. Competitive Adsorption of Heavy Metals onto Sesame Straw Biochar in Aqueous Solutions, Chemosphere, Cilt. 142, s. 77–83. DOI:10.1016/j.chemosphere.2015.05.093
11. Mirzabe, G. H., Keshtkar, A. R. 2015. Application of Response Surface Methodology for Thorium Adsorption on PVA/Fe3O4/SiO2/APTES Nanohybrid Adsorbent, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, Cilt. 26, s. 277–285. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jiec.2014.11.040
12. Hossain, M. A., Ngo, H. H., Guo, W. S., Nghiem, L. D., Hai, F. I., Vigneswaran, S., Nguyen, T. V. 2014. Competitive Adsorption of Metals on Cabbage Waste from Multi-metal Solutions, Bioresource Technology, Cilt. 160, s. 79–88. DOI:10.1016/j.biortech.2013.12.107
13. Zheng, J.-C., Liu, H.-Q., Feng, H.-M., Li, W.-W., Lam, M. H.-W., Lam, P. K.-S., Yu, H.-Q. 2016. Competitive Sorption of Heavy Metals by Water Hyacinth Roots, Environmental Pollution, Cilt. 219, s. 837-845. DOI:10.1016/j.envpol.2016.08.001
14. Oh, S., Kang, T., Kim, H., Moon, J., Hong, S., Yi, J. 2007. Preparation of Novel Ceramic Membranes Modified by Mesoporous Silica with 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES) and its Application to Cu2+ Separation in the Aqueous Phase, Journal of Membrane Science, Cilt. 301, Sayı 1–2, s. 118–125. DOI:10.1016/j.memsci.2007.06.006
15. Tansel, B. 2012. Significance of Thermodynamic and Physical Characteristics on Permeation of Ions During Membrane Separation: Hydrated Radius, Hydration Free Energy and Viscous Effects, Separation and Purification Technology, Cilt. 86, s. 119–126. DOI:10.1016/j.seppur.2011.10.033
16. Fanou, D., Yao, B., Siaka, S., Ado, G. 2007. Heavy Metals Removal in Aqueous Solution by Two Delta-diketones, Jour. Of Applied Sciences, Cilt. 7, s. 310–313. DOI: 10.3923/jas.2007.310.313
17. Herman, Ri. G., Bulko, J. B. 1980. Preparation of Copper(II)-Exchanged Y Zeolites from Sodium and Ammonium Y Zeolites, ss 177-186. William H. F. ed. 1980. Adsorption and Ion Exchange with Synthetic Zeolites, American Chemical Society, Washington, ABD, 293s.
18. Ohtaki, H., Radnai, T. 1993. Structure and Dynamics of Hydrated Ions, Chemical Reviews, Cilt. 93, Sayı 3, s. 1157–1204. DOI:10.1021/cr00019a014
19. Volkov, A. G., Paula, S., Deamer, D. W. 1997. Two Mechanisms of Permeation of Small Neutral Molecules and Hydrated Ions Across Phospholipid Bilayers, Bioelectrochemistry and Bioenergetics, Cilt. 42, Sayı 2, s. 153–160. DOI:10.1016/S0302-4598(96)05097-0
20. Nightingale, E. R. 1959. Phenomenological Theory of Ion Solvation. Effective Radii of Hydrated Ions, The Journal of Physical Chemistry, Cilt. 63, Sayı 9, s. 1381–1387. DOI:10.1021/j150579a011
21. Morozov, R., Krivtsov, I., Avdin, V.; Amghouz, Z., Gorshkov, A., Pushkova, E., Bol’shakov, O., Bulanova, A., Ilkaeva, M. 2018. Microporous Composite SiO2-TiO2 Spheres Prepared via the Peroxo Route: Lead(II) Removal in Aqueous Media, Journal of Non-Crystalline Solids, Cilt. 497, s. 71–81. DOI:10.1016/j.jnoncrysol.2017.11.031
22. Hussain, A. A, Abashar, M. E. E., Al-Mutaz, I.S. 2006. Effect of Ion Sizes on Separation Characteristics of Nanofiltration Membrane Systems, Engineering and Science, Cilt. 19, s. 1–19. DOI: 10.1016/S1018-3639(18)30844-4
23. Mariussen, E., Johnsen, I. V., Strømseng, A. E. 2015. Selective Sdsorption of Lead, Copper and Antimony in Runoff Water From a Small Arms Shooting Range with a Combination of Charcoal and Iron Hydroxide, Journal of Environmental Management, Cilt. 150, s. 281–287. DOI:10.1016/j.jenvman.2014.10.019
24. Caylak, E. 2010. Lead Toxication and Oxidative Stress in Children and Antioxidant Effects of Thiol Compounds, Tuberculin Skin Test in Children, Cilt. 10, Sayı 1, s. 13–23. DOI:10.5222/j.child.2010.013
25. Haynes, W. M. 2016. CRC Handbook of Chemistry and Physics (93. baskı). CRC Press, Boca Raton, Florida, 2664s.
26. Gong, J. L., Wang, X. Y., Zeng, G. M., Chen, L., Deng, J. H., Zhang, X. R., Niu, Q. Y. 2012. Copper (II) Removal by Pectin-Iron Oxide Magnetic Nanocomposite Adsorbent, Chemical Engineering Journal, Cilt. 185–186, s. 100–107. DOI:10.1016/j.cej.2012.01.050