Ανάπτυξη προσροφητικών μέσων από αγριαγκινάρα (Cynara cardunculus) για απορρύπανση των υδάτων

Abstract

Ένα νέο προσροφητικό υλικό, ιδανικό για την απομάκρυνση χρωστικών ουσιών (κυανό του μεθυλενίου, ερυθρό του μεθυλίου) και φαινόλης, παρασκευάστηκε με την χημική ενεργοποίηση της αγριαγκινάρας (Cynara cardunculus). Για τη σύγκριση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκε ενεργοποιημένο με χημικό τρόπο ξύλο. Η αγριαγκινάρα και το ξύλο χρησιμοποιήθηκαν σε μορφή pellet η σκόνης (300 μm) και ενεργοποιήθηκαν με την χρήση διαλυμάτων HCl ή H2SO4 σε διαφορετικές συγκεντρώσεις (1 – 5Μ). Τα ενεργοποιημένα προσροφητικά υλικά της αγριαγκινάρας μελετήθηκαν με υπέρυθρη φασματοσκοπία (FTIR), η οποία έδειξε την παρουσία διαφορετικών λειτουργικών ομάδων, όπως –C=O, -C-O, -C-H και –OH. Μετά την προσρόφηση του κυανού του μεθυλενίου παρουσιάστηκαν νέες λειτουργικές ομάδες όπως –CN, λόγω της δημιουργίας αμιδίων. Η προσροφητική ικανότητα της αγριαγκινάρας σε ό, τι αφορά το κυανό του μεθυλενίου, εξαρτάται από το σχήμα της (pellet, σκόνη) και από το είδος του οξέως που χρησιμοποιήθηκε για την ενεργοποίηση, ενώ μειώνεται σύμφωνα με την σειρά: HCl, Σκόνη (300 μm) > H2SO4, Pellet > HCl, Pellet > H2SO4, Σκόνη (300 μm). Η ποσοστιαία προσρόφηση του κυανού του μεθυλενίου στην αγριαγκινάρα και το ξύλο, εξαρτάται από την συγκέντρωση του οξέως που χρησιμοποιήθηκε (1Μ < 4Μ < 3Μ < 5Μ < 2Μ) και είναι η ίδια και για τα δύο οξέα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αγριαγκινάρα σε σκόνη, η οποία ενεργοποιήθηκε με την χρήση HCl 2M, παρουσίασε την μεγαλύτερη προσροφητική ικανότητα σε ό, τι αφορά το κυανό του μεθυλενίου (97.9%) από τα πρώτα 60 min. Το ποσοστό της προσρόφησης του ερυθρού του μεθυλίου σε υδατικά διαλύματα από το pellet αγριαγκινάρας και ξύλου, εξαρτάται από τη συγκέντρωση του οξέος με το οποίο ενεργοποιείται η αγριαγκινάρα και αυξάνεται ανάλογα με τη σειρά: 5M > 3Μ> 4Μ > 2M > 1Μ και για τα δύο οξέα. Η μέγιστη προσρόφηση του ερυθρού του μεθυλίου σε υδατικά διαλύματα παρατηρείται για το pellet αγριαγκινάρας με ενεργοποίηση με HCl 5Μ (91.98 %) στα 60 min, ενώ για το pellet ξύλου με ενεργοποίηση με HCl 5Μ (94.81 %) στα 60 min. Τα κινητικά μοντέλα τα οποία εφαρμόστηκαν στα δεδομένα που αφορούν την προσρόφηση του κυανού του μεθυλενίου και του ερυθρού του μεθυλίου, απέδειξαν ότι η διαδικασία της προσρόφησης ακολουθεί το κινητικό μοντέλο της ψευδο-δεύτερης τάξης και το συνολικό ποσοστό της ελέγχεται από την χημειορρόφηση. Σε ό, τι αφορά την προσρόφηση της φαινόλης από τα προσροφητικά υλικά (αγριαγκινάρα, ξύλο), παρατηρήθηκε ότι δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ρόφηση των φαινολικών ενώσεων, όταν έχουν ενεργοποιηθεί με χημικό τρόπο, λόγω της αρχικής εκρόφησης φαινολικών υδροξυλίων εξαιτίας της αποδόμησής τους από τα οξέα. Συμπερασματικά η αγριαγκινάρα του είδους Cynara cardunculus σε μορφή pellet ή σκόνης, είναι ένα πολλά υποσχόμενο υλικό καθαρισμού του νερού από οργανικές ενώσεις, κυρίως χρωστικές ουσίες, οπότε θα ήταν εξαιρετικά σημαντικό να διερευνηθεί πιο διεξοδικά στο μέλλον.

A new adsorptive material was prepared from the chemical modification of cardoon (Cynara cardunculus) appropriate for dye (Methylene Blue, Methyl Red) and Phenol removal. Wood was used for the comparison of the results. Cardoon and wood were used either as pellet or powder (300μm) during the experiments and they were chemically activated using acid solutions of HCl or H2SO4, which were prepared at different initial concentrations (1-5 M). Activated cardoon adsorbents were characterized through FTIR analysis. Kinetic and equilibrium studies of dye uptake onto the activated cardoon were also examined. According to the results, the FTIR analysis of the activated cardoon has shown the presence of different functional groups such as –C=O, -C-O, -C-H and OH. Methylene Blue adsorption created new functional groups on cardoon, such as –CN because of the amides creation. Dye adsorption ability on activated cardoon depends on the shape of cardoon and the type of acid used for activation and increases according to the order: HCl, Powder (300 μm) > H2SO4, Pellet > HCl, Pellet > H2SO4, Powder (300 μm). Methylene Blue adsorption percentage onto the cardoon depends on the acid concentration following the same order (1Μ < 4Μ < 3Μ < 5Μ < 2Μ) for both acids. The results have shown that the cardoon in powder form activated with HCL 2M presented the highest Methylene Blue adsorption ability (97.9%) from the first 60 min. Methyl Red adsorption percentage onto the cardoon and the wood, depends on the acid concentration following the same order (5M > 3Μ> 4Μ > 2M > 1Μ) for both acids. As far as the cardoon results, they have shown that the cardoon in pellet form activated with HCl 5M presented the highest Methyl Red adsorption ability (91.98 %) from the first 60 min. The same results for wood have shown that wood in pellet form activated with HCl 5Μ presented the highest Methyl Red adsorption ability (94.81 %) from the first 60 min. The kinetic models that were applied to Methylene Blue and Methyl Red adsorption data indicated that the adsorption process follows pseudo-second order kinetic model and the overall rate is controlled by chemisorption, for both dyes. Cardoon and wood cannot be used as adsorbents for Phenol adsorption, if they are chemically activated, because of their degradation of acids which causes the initial desorption of phenolic hydroxyls. In conclusion, activated cardoon either in pellet or powder form, is a very promising material in water purification, as filter, so it is useful to be investigated thoroughly in the future.