Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3429
Main Title: Entfernung von Uran aus Trinkwasser durch Adsorption an Granuliertem Eisenhydroxid (GEH)
Translated Title: Uranium removal from Drinking Water by Adsorption onto Granular Ferric Hydroxide (GEH)
Author(s): Bahr, Carsten
Advisor(s): Jekel, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Mit Inkrafttreten des Grenzwertes für Uran im Trinkwasser seit November 2011 werden für die betroffenen Wasserwerke Aufbereitungstechnologien benötigt, die eine wirksame und möglichst einfache Entfernung von Uran gewährleisten. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb die Eignung von Granuliertem Eisenhydroxid (GEH) als Adsorptionsmittel zur Uranelimination untersucht. Anhand von Adsorptionsisothermen konnte gezeigt werden, dass GEH prinzipiell in der Lage ist, Uran adsorptiv zu binden und im Vergleich mit anderen oxidischen Sorbentien die höchsten Beladungen erzielt. Die experimentellen Daten zur pH-Abhängigkeit der Uranadsorption für die Modellsysteme U(VI) / H2O und U(VI) / H2O / CO2 lassen sich mit Hilfe des Oberflächenkomplexierungsmodells und unter Verwendung des angepassten Parametersatzes für Ferrihydrit erfolgreich darstellen. Es wurde festgestellt, dass die Adsorptionskapazität stark von der verwendeten Wassermatrix abhängig ist und sich für reale Grund- oder Trinkwässer deutlich verringert. Als wesentliche Einflussparameter wurden neben dem pH-Wert und der damit verbundenen Carbonatkonzentration die Konzentrationen von Calcium, Phosphat und in geringerem Ausmaß von Sulfat und Huminstoffen ermittelt. Die Verringerung der Kapazität wird durch Konkurrenzadsorption und durch eine Veränderung der chemischen Speziierung des Urans in Abhängigkeit der Wassermatrix erklärt. Sowohl die Adsorptionskinetik als auch die Adsorptionsdynamik lassen sich erfolgreich mit Hilfe des Oberflächendiffusionsmodells (HSDM) beschreiben. Die charakteristischen Transportkoeffizienten für die Filmdiffusion und die Korndiffusion wurden über empirische Korrelationen und auf experimentellem Wege ermittelt. Die vergleichsweise langsame Kinetik im Adsorptionsfilter wird durch den geschwindkeitsbestimmenden Schritt der Korndiffusion verursacht und führt zu einem relativ flachen Verlauf der Durchbruchskurve. Mit Hilfe von Kleinfilterversuchen nach der RSSCT-Methode wurde der Urandurchbruch im GEH-Festbettadsorber im Labormaßstab simuliert und für eine Pilotanlage in einem betroffenen Wasserwerk erfolgreich prognostiziert. Die ermittelte Durchbruchskurve für dieses Grundwasser zeigt eine Überschreitung des Urangrenzwertes nach einem spezifischen Durchsatz von 5.000 Bettvolumina. Eine Regeneration von uranbeladenem GEH konnte im Labormaßstab mittels Natronlauge erfolgreich durchgeführt werden. Bei der Wiederbeladung des Adsorbens zeigte sich aber eine Verringerung der Adsorptionskapazität, sodass die Anzahl der Nutzungszyklen vermutlich begrenzt ist. Im direkten Vergleich mit Anionenaustauschern kann festgestellt werden, dass GEH deutlich geringere Uranbeladungen erzielt und somit ein ökonomischer Einsatz zur Uranentfernung in der Trinkwasseraufbereitung generell fraglich ist. Für spezielle Anwendungsgebiete, bei denen ein Einsatz von Austauscherharzen nicht möglich ist, stellt GEH aber eine wirtschaftliche Alternative dar. Gedruckte Version im Papierflieger Verlag GmbH, Clausthal-Zellerfeld erschienen, ISBN 978-3-89720-564-2, ISSN 1864-5984
Uranium contamination of groundwater is encountered in many regions worldwide. Effective and simple removal technologies are required by waterworks faced with this problem, particularly in Germany which set a specification for maximum permissible uranium content in drinking water in November 2011. The present thesis examines the suitability of Granular Ferric Hydroxide (GEH) as a water treatment adsorbent for uranium removal. Adsorption isotherms generated in the studies showed that GEH is capable of adsorbing uranium, in fact achieving highest loading levels as compared to other oxide-based absorbents. Experimental data for uranium adsorption as a function of pH for the model systems U(VI) / H2O and U(VI) / H2O / CO2 successfully fits the Surface Complexation Model using the adjusted parameter set for ferrihydrite. Test findings showed that adsorption capacity varies substantially depending on the water matrix processed and is significantly reduced when real ground water or drinking water is processed. The main parameters influencing adsorption capacity were found to be pH and the associated carbonate concentration, as well as the concentrations of calcium and phosphate and to a lesser extent of sulfate and humic substances. The reduced capacity is caused by adsorption competition and changes in chemical speciation of uranium brought about by the water matrix at hand. Both the kinetics and the dynamics of adsorption can be successfully described by the Homogeneous Surface Diffusion Model (HSDM). The characteristic transport coefficients for film diffusion and particle diffusion were determined using empirical correlations and lab testing. The comparatively slow kinetics of adsorption are caused by the rate-determining particle diffusion and lead to a relatively flat breakthrough curve. Experiments on small adsorber columns (RSSCT method) were used to simulate uranium breakthrough in GEH fixed-bed filters on a laboratory scale, permitting accurate prediction of breakthrough behavior in a pilot plant at a waterworks facility. The breakthrough curve determined for this groundwater shows that effluent uranium concentration exceeds the specified limit after a specific throughput of 5,000 bed volumes. Regeneration of exhausted GEH was carried out successfully on a laboratory scale by means of caustic soda. The regenerated GEH was found to have reduced adsorption capacity, therefore presumably permitting only a limited number of reuse cycles. In comparison with anion exchangers, GEH achieves significantly lower uranium loading levels and thus in general is not an economical means of uranium removal in drinking water treatment. However, for special applications in which use of anion exchange resins is not possible, GEH represents an economically viable alternative. Printed Version published by Papierflieger Verlag GmbH, Clausthal-Zellerfeld,ISBN 978-3-89720-564-2, ISSN 1864-5984
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-37054
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3726
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3429
Exam Date: 3-Jul-2012
Issue Date: 6-Dec-2012
Date Available: 6-Dec-2012
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Adsorption
Eisenhydroxid
GEH
Trinkwasseraufbereitung
Uran
Adsorption
Drinkingwater Treatment
Ferric Hydroxide
GEH
Uranium
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Series: ITU-Schriftenreihe
Series Number: 18
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