Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1214
Main Title: Entwicklung einer neuen Adsorptionstechnik zur Entfernung natürlicher Organika mit granuliertem Eisenhydroxid
Translated Title: A new treatment process for removal of natural organic matter by adsorption onto granular ferric hydroxide
Author(s): Genz, Arne
Advisor(s): Jekel, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Verfahrenskombination zur Entfernung natürlicher organischer Stoffe (NOM) aus Grundwasser untersucht. Das zweistufige Verfahren besteht aus einem Adsorptionsschritt zur Entfernung der NOM in einem Festbettfilter und aus einem Regenerationsschritt, in dem die NOM in situ von dem Adsorbens desorbiert werden, um eine nachfolgende Wiederbeladung zu ermöglichen. Als Adsorbens kommt granuliertes Eisenhydroxid (GEH), eine besonders aktive Eisenoxidmodifikation, zum Einsatz. Es werden NOM aus deutschen Grundwässern, NOM aus dem Suwannee River (SRNOM) sowie die Einzelstoffe Salicylsäure und Phosphat untersucht. Im Adsorptionsgleichgewicht werden moderate Beladungen der NOM von 10 bis 30 mg DOC pro g GEH erreicht, während der nicht adsorbierbare DOC-Anteil für sämtliche Wässer bei etwa 1,5 mg L 1 liegt. Die größeren und UV-aktiven Fulvinsäuren werden bevorzugt adsorbiert, niedermolekulare Säuren dagegen sind sehr schlecht an GEH adsorbierbar. Über kinetische Untersuchungen wird gezeigt, daß zunächst die kleinen und mittelgroßen Fulvinsäuren aufgrund ihrer höheren Diffusionsgeschwindigkeit entfernt werden. Die Abhängigkeit der Adsorption vom pH Wert und der Ionenstärke deutet auf einen dominierenden Ligandenaustausch-Mechanismus zwischen den funktionellen Gruppen der NOM und den Hydroxylgruppen der Adsorbensoberfläche. Die NOM-Adsorption erwies sich als spezifisch. Einzig Phosphat ist in der Lage, die NOM-Beladungen durch konkurrierende Adsorption herabzusetzen. Eine modellhafte Beschreibung der Adsorption mittels des Double-Layer-Modells gelingt für die Einzelstoffe Salicylsäure und Phosphat unter der Annahme mononuklearer Oberflächenkomplexe. Die Modellierung der Adsorption von SRNOM ist dagegen nur beschränkt möglich. Die besten Ergebnisse wurden unter Verwendung mehrkerniger Komplexe erreicht. Da größere SRNOM-Moleküle mehr Oberflächenplätze auf dem GEH blockieren als durch die postulierten Komplexe berücksichtigt, tritt stets eine Überschätzung der Beladung auf. SRNOM zeigen ein stark abweichendes Verhalten zu den grundwasserstämmigen NOM. Sie weisen eine extrem langsame Adsorptionskinetik auf, die in Kleinfilterversuchen zu spontanen Durchbrüchen führt. Es ist sehr wahrscheinlich, daß eine behinderte Korndiffusion der größeren SRNOM-Moleküle für diesen Effekt verantwortlich ist. Experimentell aufgenommene Durchbruchskurven von Kleinfiltern lassen sich sowohl für Salicylsäure als auch für die grundwasserstämmigen NOM unter Verwendung experimentell ermittelter Stoffübergangskoeffizienten mit dem Modell der Film-Homogenen Diffusion zufriedenstellend abbilden. Es wird zudem gezeigt, daß kleine Säulentests im Labor (Rapid Small-Scale Column Tests) eine Alternative zu der Modellierung darstellen. Eine Regeneration des GEH ist mittels NaOH und H2O2 möglich. Die optimalen Mengen und Konzentrationen wurden in Experimenten ermittelt. Ein stets auftretender Kapazitätsverlust während der Wiederbeladungen kann sowohl auf nicht desorbierbare NOM-Anteile als auch auf strukturelle Umwandlungen des Adsorbens zurückgeführt werden.
Adsorption onto granular ferric hydroxide (GFH) was studied as a new process for NOM removal from groundwater. In the first step, the adsorbent was loaded with NOM until the maximum loading capacity was reached. In the second step, the adsorbent was regenerated in order to allow for subsequent reloading. Groundwater NOM from different regions in Germany, NOM from the Suwannee River in the USA (SRNOM) as well as salicylic acid and phosphate were investigated in terms of adsorption equilibrium, filter dynamics and regeneration. Equilibrium loadings of 10 to 30 mg DOC per g GFH are observed whereas the non-adsorbable DOC fraction amounted to 1.5 mg L-1 for all waters investigated. The larger and UV-active fractions (mainly fulvic acids) were well adsorbed while the smaller molecular fractions were poorly or not adsorbed. Kinetic studies showed that the smaller and medium sized fulvic acids are removed first because of faster diffusion in solution. A strong dependence on pH but weak dependence on ionic strength were observed. These findings point to ligand exchange as the dominant adsorption mechanism, involving the functional NOM groups and the hydroxyl groups of the adsorbent surface. NOM adsorption onto GFH was found to be very specific. Only phosphate competes effectively with NOM for adsorption sites. With regard to NOM structure, prerequisites for adsorption onto GFH are both a minimum number of functional groups and a molecular size small enough to enter the GFH pores. Adsorption of salicylic acid and phosphate can be modeled with the double layer model and by assuming mono-nuclear surface complexes. In contrast, modeling of NOM adsorption is constrained by the multi-component character of NOM. The best results were achieved by assumption of multi-nuclear binding sites. The calculated loadings are overestimated by the model since larger SRNOM molecules occupy more surface sites than incorporated by the model. SRNOM exhibits different behavior than the groundwater-derived NOM, showing very slow adsorption kinetics and spontaneous breakthrough in filter columns. Most likely, hindered intraparticle transport is responsible for these effects. NOM and salicylic acid breakthrough curves were successfully modeled by use of the homogeneous surface diffusion model and the experimentally determined mass transfer coefficients. Furthermore, rapid small-scale column tests (RSSTCs) proved to be an alternative to the modeling procedure. Regeneration of loaded GFH is possible either by use of sodium hydroxide (NaOH) or oxidatively by hydrogen peroxide (H2O2). In this study, the optimal quantities and concentrations were determined. During all regeneration studies, a loss in reloading capacity was observed. This loss is caused by both structural transformations of the adsorbent and non-desorbable fractions of the NOM.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-11266
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1511
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1214
Exam Date: 30-Sep-2005
Issue Date: 26-Oct-2005
Date Available: 26-Oct-2005
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Durchbruchskurven
Festbettfilter
GEH
Modellierung
Regeneration
Breakthrough curves
Fixed-bed filters
GFH
Modelling
Regeneration
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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