Experimentální odstranění kovů vybranými filtračními materiály

V současnosti se ve zdrojích pitné vody objevuje celá řada nežádoucích látek, mimo jinými také kovy a jejich sloučeniny. Cílem experimentu provedeného v rámci specifického vysokoškolského výzkumu je posouzení odstranění kovů z pitné vody sorpčními materiály GEH, Bayoxide E33 a Filtrasorb F400. Byla provedena statická laboratorní zkouška, při níž byly do kádinek odváženy sorpční materiály a poté byla přidána voda s obsahem arsenu, niklu a olova. V časech 1, 2 a 4 hodiny od začátku zkoušky byly odebírány vzorky vody, ve kterých byly následně stanoveny koncentrace kovů. K největšímu snížení koncentrací ve vodě došlo u arsenu na materiálu GEH, sorbovala se na něj většina tohoto polokovu. U niklu a olova bylo v případě obou materiálů snížení koncentrací výrazně menší.

Světlana Moravčíková, Renata Biela

Abstract

One of the current problems is a number of undesirable substances appearing in drinking water sources, including metals and their compounds, which are harmful not only to humans but also to other animals and plants. Most heavy metals enter the atmosphere from industrial activity, leading to seepage into groundwater, which is then used as a source of drinking water. As part of a specific university research project, a laboratory experiment was carried out at the Institute of Municipal Water Management of the Faculty of Civil Engineering, Brno University of Technology to monitor the effectiveness of the removal of selected metals by sorption materials. Materials GEH, Bayoxide E33 and Filtrasorb F400 were selected for laboratory metal removal.Most of the common metals and semi-metals can be detected in the waters. When assessing the pollution of metals, there is often reference to a separate group of metals, which are called heavy or toxic. In 2019, lead, cadmium, nickel, mercury, arsenic and cobalt were the most frequently evaluated heavy metals at above-limit concentrations. Adsorption, which is a commonly used method in the water industry for the treatment of drinking water, was used to remove the selected metals. It is used to remove unwanted substances that cause an undesirable change in the sensory properties of water and substances formed during water disinfection. The experiment was performed in the form of a static test lasting 4 hours. 10 g of sorption material was poured into each of the prepared beakers and then 1 l of pre-prepared model water containing selected metals - arsenic, nickel and lead - was poured. At 1, 2 and 4 hours from the start of the experiment, the water in the beakers was mixed and samples were taken for analysis. The pH and temperature of the samples were measured directly in the laboratory and then sent for analysis to determine the concentrations of individual metals.None of the tested sorption materials reduced the concentrations of all metals below the limits for drinking water, but it can be assumed that in the dynamic test these sorption materials would achieve significantly higher efficiency and remove metals below the limit values. The highest metal removal efficiency was achieved by the GEH material, with regard to the static course of the experiment, it achieved excellent results especially in the removal of arsenic. Bayoxide E33 proved to be slightly worse, again being the most effective at removing arsenic. Filtrasorb F400 did not achieve good results in the static test, its efficiency was less than 10% in removing all metals. Based on this experiment, GEH appears to be the most suitable sorption material for heavy metal removal. Bayoxide E33 material can also be considered relatively suitable for removing heavy metals. Filtrasorb F400 then appears to be unsuitable for heavy metal removal.

Keywords

kovy, filtrační materiály, pitná voda, úprava vody, polutanty

Úvod

Jedním z problémů současnosti je celá řada nežádoucích látek objevujících se ve zdrojích pitné vody. Mezi tyto látky patří také kovy a jejich sloučeniny, které škodí nejen člověku, ale také ostatním živočichům a rostlinám. Negativně ovlivněno může být také zemědělství či průmyslové závody, které mají mnohdy přísnější požadavky na jakost vody.

K problému výskytu kovů v podzemních zdrojích vody přispívá především zvyšující se úroveň urbanizace a s ní související potřeba vody v oblastech průmyslové činnosti. V malých množstvích jsou určité kovy esenciální pro zdraví člověka, avšak ve velkých množstvích mohou způsobovat akutní či chronickou toxicitu. [1]

Kovy jako jsou železo, mangan, měď, kobalt, molybden či zinek je zapotřebí udržovat v těle v nízkých koncentracích. V případě nedostatku, případně naopak vysokých koncentrací těchto kovů, může docházet ke zdravotním komplikacím. Pitím vody s obsahem toxických kovů jako je arsen, kadmium, chrom, olovo, rtuť a nikl mohou nastat velmi závažné zdravotní komplikace. [1]

Většina těžkých kovů se dostává do ovzduší a atmosféry z průmyslové činnosti, přičemž dochází k průsaku do podzemních vod, které jsou následně užívány jako zdroje pitné vody. Toxické kovy jsou prvky představující nejvyšší formu perzistentních polutantů znečišťujících životní prostředí, přičemž jsou chemicky a biologicky nezničitelné. [1]

V rámci projektu specifického vysokoškolského výzkumu byl na Ústavu vodního hospodářství obcí Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně proveden laboratorní experiment sledující účinnost odstranění vybraných kovů zvolenými sorpčními materiály. Cílem experimentu bylo posoudit účinnost sorpčních materiálů při odstraňování kovů z vody. Pro laboratorní odstranění kovů byly vybrány materiály GEH, Bayoxide E33 a Filtrasorb F400.

Materiály a metody

Sorpční materiály

Sorpční materiál GEH je založený na bázi granulovaného hydroxidu železa. Je vhodný k hospodárnému a efektivnímu odstranění arsenu a antimonu z vody. Adsorpční kapacita materiálu závisí na provozních podmínkách. [2]

Bayoxide E33 je suchý krystalický granulovaný sorbent na bázi oxidů železa. Vyvinula jej společnost Severn Trent ve spolupráci se společností Bayer AG. Materiál byl navržen k odstraňování arsenu, jeho výhodou je, že společně s oběma formami arsenu (As^III a As^V) odstraňuje také železo a mangan. [3]

Filtrasorb 400 je granulované aktivní uhlí používané především pro odstraňování rozpuštěných organických sloučenin z vody. Tento materiál je vysoce aktivní, trvanlivý granulovaný produkt schopný odolat otěru spojenému s opakovaným zpětným promýváním, hydraulickým transportem a reaktivací pro opětovné použití. [4]

Tab. 1 Přehled vlastností sorpčních materiálů [2, 4]

Odstraňované kovy

Ve vodách je možné prokázat většinu přirozeně se vyskytujících kovů a polokovů periodické soustavy prvků, včetně prvků vzácných zemin. Při posuzování znečištění prostředí kovy, se často hovoří o samostatné skupině kovů, které se nazývají těžké nebo toxické, tato skupina kovů však není přesně specifikována. Těžké kovy bývají z chemického hlediska definovány objemovou hmotností větší než 5000 kg.m^-3. [5]

V pitné vodě je limitováno 18 kovů a polokovů, jejichž obsah patří i mezi ukazatele přípustného obsahu látek v povrchových vodách. Negativní vliv vyšších koncentrací některých kovů nespočívá v jejich toxicitě, ale především v ovlivnění organoleptických a technických vlastností vody. [6]

Součástí komplexního hodnocení jakosti povrchových vod a chemického stavu útvarů povrchových vod jsou informace o kvalitě pevných složek vodního ekosystému, jako jsou plaveniny a říční sedimenty. Analýzy některých znečišťujících látek v plaveninách a sedimentech poskytují v porovnání s analýzou vody věrohodnější informaci o přítomnosti látky v tocích. V roce 2019 bylo z těžkých kovů vyhodnoceno v nadlimitních koncentracích nejčastěji olovo, kadmium, sporadicky nikl a rtuť. Jako nejvýraznější ukazatele znečištění podzemních vod byly v roce 2019 vyhodnoceny následující kovy: baryum, mangan, arsen a kobalt, o dva roky dříve byl mezi nimi také nikl. [7, 8]

Adsorpce

Adsorpce je proces fázového přenosu, při němž jsou molekuly nebo ionty odstraněny z vodného roztoku adsorpcí na pevné povrchy. Látka, která se adsorbuje, se nazývá adsorbát a materiál, na kterém adsorpce probíhá, se nazývá adsorbent. [9]

Ve vodárenství je adsorpce běžně používanou metodou pro úpravu pitné vody. Slouží k eliminaci nežádoucích látek, které způsobují změnu senzorických vlastností vody a vedlejších látek vznikajících při dezinfekci vody. Při adsorpčních procesech mohou být použity různé sorpční materiály, které se dělí do několika skupin podle účelu odstraňování látek z vody. V současnosti patří mezi nejpoužívanější sorbenty granulované filtrační materiály na bázi oxidu a hydroxidu železa, mezi které se řadí také materiály GEH a Bayoxide E33 [10].

Průběh experimentu

Experiment byl proveden formou statické zkoušky v laboratoři Ústavu vodního hospodářství obcí, Fakulty stavební VUT v Brně po dobu 4 hodin. Do každé z připravených kádinek bylo nasypáno 10 g sorpčního materiálu a následně byl nalit 1 l předem nachystané modelové vody s obsahem kovů - arsenu, niklu a olova. V časech 1, 2 a 4 hodiny od začátku pokusu byla voda v kádinkách promíchána a byly odebrány vzorky k rozborům. Ve vzorcích bylo přímo v laboratoři měřeno pH a teplota a následně byly poslány k rozborům pro zjištění koncentrací jednotlivých kovů.

Výsledky a diskuze

V následujících tabulkách (tab. 2-4) jsou uvedeny hodnoty pH a teploty naměřené v jednotlivých vzorcích v průběhu experimentu, společně s hodnotami koncentrací kovů, stanovenými laboratořemi ALS.

Tab. 2 Výsledky adsorpce na materiálu GEH

Tab. 3 Výsledky adsorpce na materiálu Bayoxide E33

Tab. 4 Výsledky adsorpce na materiálu Filtrasorb F400

Zaměříme-li se na koncentrace jednotlivých kovů, nejvyšší a zároveň nejrychlejší pokles koncentrace ve vodě je na první pohled zřejmý u arsenu v případě materiálů GEH a Bayoxide E33. U materiálu GEH byl tento pokles významnější, koncentrace arsenu klesla již po 1 hodině z 26,2 μg/l na 6,2 μg/l, což je pod limitní hodnotou tohoto prvku v pitné vodě. Materiál Filtrasorb F400 snížil koncentraci arsenu jen mírně. Při odstraňování niklu byl nejúčinnější materiál Bayoxide E33, koncentrace kovu klesla po 4 hodinách z 35,3 μg/l na 28,8 μg/l. Posledním odstraňovaným kovem bylo olovo, ani u něj nezvládly materiály snížit koncentraci pod limitní hodnotu. Při odstraňování tohoto kovu byl opět nejúčinnější materiál GEH, po 4 hodinách snížil koncentraci olova z 26,6 μg/l na 15,3 μg/l.

V průběhu celé statické zkoušky docházelo k postupnému snižování koncentrace všech kovů, je tak možné, že kdyby zkouška trvala déle, koncentrace kovů by ještě klesly, avšak pravděpodobně by tento pokles nebyl významný. Ani jeden z testovaných sorpčních materiálů nesnížil koncentrace všech kovů pod limity pro pitnou vodu, dá se však předpokládat, že při dynamické zkoušce by tyto sorpční materiály dosáhly výrazně vyšší účinnosti a odstranily kovy pod limitní hodnoty.

Když se podíváme na ostatní sledované veličiny, vidíme, že pH se v případě všech tří materiálů pohybuje po celou dobu experimentu v hodnotách blízkých neutrálnímu pH - 7, vyskytují se zde pouze drobné výkyvy. Teplota vody má opět obdobné tendence, pozvolna se zvyšuje, což je dáno s největší pravděpodobností teplotou vzduchu v laboratoři.

Účinnost jednotlivých materiálů při odstranění kovů z vody byla vypočtena pomocí následujícího vzorce:

kde  η …         účinnost odstranění znečištění [%],

C_RW …    koncentrace znečištění v surové vodě [μg/l],

C_F …       koncentrace znečištění po filtraci [μg/l].

Výsledky těchto výpočtů jsou zaznamenány v tabulce 5 a graficky znázorněny na obrázcích 1-3.

Tab. 5 Účinnost odstranění kovů

Nejvyšší, více než 80% účinnosti, dosáhl materiál GEH při odstraňování arsenu. U niklu byla jeho účinnost výrazně nižší, pouhých 11 %. Při odstranění olova pak byla účinnost materiálu GEH 42,5 %. Materiál Bayoxide E33 měl také nejvyšší účinnost při odstraňování arsenu, a to 56,9 %. Při odstraňování niklu byla účinnost opět nižší, konkrétně 18,4 %. Účinnost odstranění olova Bayoxidem E33 pak byla 25,6 %. Materiál Filtrasorb F400 dosahoval v porovnání se zbylými materiály výrazně horších výsledků, účinnost odstranění jednotlivých kovů nedosáhla ani 10 %. V případě arsenu to bylo 5,7 %, účinnost odstranění niklu byla 7,4 % a u olova byla účinnost 6,4 %.

Obr. 1 Účinnost odstranění arsenu

Obr. 2 Účinnost odstranění niklu

Obr. 3 Účinnost odstranění olova

Závěr

Nejvyšší účinnosti odstranění kovů dosáhl materiál GEH, s ohledem na statický průběh pokusu výborných výsledků dosáhl především při odstraňování arsenu. O něco horší účinnost pak prokázal materiál Bayoxide E33, opět byl nejúčinnější při odstraňování arsenu. Při odstraňování niklu pak měl vyšší účinnost než GEH. Materiál Filtrasorb F400 při statické zkoušce nedosáhl dobrých výsledků, jeho účinnost byla při odstranění všech kovů nižší než 10 %. Na základě tohoto pokusu se jako nejvhodnější sorpční materiál pro odstraňování těžkých kovů jeví materiál GEH. Materiál Bayoxide E33, lze také považovat za poměrně vhodný k odstraňování těžkých kovů. Materiál Filtrasorb F400 se pak jeví jako nevhodný pro odstraňování těžkých kovů.

Literatura/References

1. FERRANTE, M., OLIVERI CONTI, G., RASIC-MILUTINOVIC, Z., JOVANOVIC, D. Health effects of metals and related substances in drinking water. London: IWA Publishing, 2014. Metals and related substances in drinking water series. ISBN 978-1-78040-598-8. DOI 10.2166/9781780405988. Dostupné z https://doi.org/10.2166/9781780405988.
2. BIELA, R., ŠOPÍKOVÁ L. (2017) Efficiency of sorption materials on the removal of lead from water. Applied Ecology and Environmental Research. 2017. 15(3). ISSN 1785 0037, ALÖKI Kft., Budapest, Hungary. DOI 10.15666/aeer/1503_15271536. Dostupné z http://www.aloki.hu/pdf/1503_15271536.pdf
3. BARLOKOVÁ, D., ILAVSKÝ, J., MARTON, M., KUNSTEK, M. Removal of Heavy Metals in Drinking Water by Iron-based Sorption Materials. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 362(2019). IOP Publishing. 2019. DOI 10.1088/1755-1315/362/1/012109 . Dostupné z https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/362/1/012109/pdf.
4. FILTRASORB® 400: Granular Activated Carbon. CalgonCarbon [online]. 2019 [cit. 2022-02-07]. Dostupné z: https://www.calgoncarbon.com/app/uploads/DS-FILTRA40019-EIN-E1.pdf
5. PITTER, P. 5. vydání. Vydavatelství VŠCHT Praha, 2015. ISBN 978-80-7080-928-0.
6. Věstník Ministerstva životního prostředí [online]. XVII. 2007 [cit. 2021-12-09]. ISSN 0862-9013. Dostupné z: https://1url.cz/sK9TW
7. Zpráva o stavu vodního hospodářství České republiky v roce 2017 [online]. Praha: Ministerstvo zemědělství, 2018 [cit. 2022-01-17]. ISBN 978-80-7434-463-3. Dostupné z: http://eagri.cz/public/web/file/607186/Modra_zprava_2017_WEB_18.pdf
8. Zpráva o stavu vodního hospodářství České republiky v roce 2019 [online]. Praha: Ministerstvo zemědělství, 2020 [cit. 2022-01-17]. ISBN 978-80-7434-570-8. Dostupné z: http:// https://eagri.cz/public/web/file/669424/Modra_zprava_2019_web.pdf
9. WORCH, E. Adsorption Technology in Water Treatment: Fundamentals, Processes, and Modeling. Drážďany: de Gruyter, 2012. ISBN 978-3-11-024023-8.
10. MARKO, I., BARLOKOVÁ, D., ILAVSKÝ, J. Použitie vybraných sorpčných materiálov pri odstraňovaní bromičnanov z vody. TZB-info [online]. 21. 5. 2018 [cit. 2022-01-22]. Dostupné z: https://1url.cz/XKUP9

Poděkování/Acknowledgements

Příspěvek byl zpracován v rámci řešení grantového projektu specifického vysokoškolského výzkumu na VUT v Brně s názvem „Řešení vybraných problémů ve vodním hospodářství obcí“ (FAST-J-21-7477).

Citace/Citation

Moravčíková, S., Biela, R. Experimentální odstranění kovů vybranými filtračními materiály. Vodovod.info - vodárenský informační portál [online]. 9.2.2022, 2/2022, [cit. 2022-02-08]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.