Modifizierter Zeolith als Mittel zur Reinigung von Bewässerungswasser – Studie
Dissertation – Autorin: Dionysiou, Ourania-Nina S., Betreuer: Misopolinos, Nikolaos, Aristoteles-Universität Thessaloniki, Fakultät für Agrarwissenschaften, 2010.
In dieser Arbeit wurden einige Bedingungen untersucht, die die Adsorption von B und P an oberflächenmodifiziertem natürlichem Zeolith (Klinoptilolith) mit Hexadecyltrimethylammoniumbromid (C19H42BrN bzw. HDTMA–Br) beeinflussen, damit dieser als Mittel zur Reinigung von Bewässerungswasser und wässrigen Systemen eingesetzt werden kann. Im Einzelnen wurden untersucht: a) der Einfluss einer Auswaschung des Zeoliths mit HCl vor seiner Modifizierung und b) der Einfluss einer pH-Erhöhung auf die B-Adsorption durch den Zeolith.
Anschließend wurden untersucht: c) der Einfluss des Verhältnisses „Außenlösung / Adsorbens“, d) der Einfluss der Gleichgewichtseinstellungszeit, e) der Einfluss der Temperatur, f) der Einfluss des pH-Werts und g) der Einfluss der Anwesenheit von NO3- auf die P-Adsorption am Zeolith. Schließlich wurde h) die Freisetzungsrate von P aus dem Zeolith untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass der modifizierte natürliche Zeolith B adsorbieren kann; die Adsorption nahm ab, wenn zuvor mit HCl ausgewaschen wurde, und stieg an, wenn zuvor mit HCl ausgewaschen und der pH-Wert in den alkalischen Bereich (pH ~ 9,5) eingestellt wurde.
In allen Fällen lag die Menge des adsorbierten B, ausgedrückt als Anteil der ursprünglich zugegebenen Menge, jedoch deutlich unter den in der Literatur für andere Anionen angegebenen Werten. Zudem überschritt die B-Konzentration in der Gleichgewichtslösung den kritischen Grenzwert von 3 mg L1 (für die Verwendung als Bewässerungswasser), selbst wenn die B-Konzentration in der Außenlösung 5 mg L1 betrug. Was P betrifft, zeigten die Versuche, dass die P-Adsorption am modifizierten natürlichen Zeolith mit abnehmendem Verhältnis „Außenlösung / Adsorbens“ zunahm. Es zeigte sich, dass die für den Abschluss der P-Adsorption erforderliche Gleichgewichtseinstellungszeit ≤ 1 h betrug und sich mit der P-Konzentration in der Außenlösung nicht veränderte. Die P-Adsorptionsreaktion wird durch die Langmuir-Gleichung besser beschrieben als durch die Freundlich-Gleichung und verlief exotherm.
Außerdem nahm die P-Adsorption mit der Erhöhung des pH-Werts vom sauren in den alkalischen Bereich zu. Zudem gab es mehrere Hinweise darauf, dass der modifizierte natürliche Klinoptilolith eine größere Adsorptionsaffinität für zweiwertige Phosphatanionen als für einwertige zeigte. Waren in der Außenlösung neben den Phosphaten auch Nitratanionen vorhanden, so verringerte sich die P-Adsorption bei Nitratkonzentrationen von 0 bis 25 mg L-1 durch deren Anwesenheit nicht. Verdoppelte sich die Nitratkonzentration jedoch, ging die P-Adsorption zurück.
Ebenso wurde beobachtet, dass der modifizierte natürliche Zeolith große Mengen P adsorbieren kann, die er nur schwer und langsam wieder abgibt. Der größte Teil des P wurde innerhalb der ersten 24 Stunden desorbiert, und zwar in weniger als 15 Minuten. Danach stabilisierte sich die P-Desorption auf sehr niedrigem Niveau und setzte sich gleichmäßig bis zu 240 h fort, mit desorbierten P-Konzentrationen in der Gleichgewichtslösung zwischen 0,1 und 0,3 mg L-1. Ferner zeigte sich, dass die P-Desorption weder von der Zeit noch von der Ausgangskonzentration im Material abhängt. Durch die Kombination der Ergebnisse der Adsorptions- und Desorptionsversuche für P lassen sich schließlich allgemeine Schlussfolgerungen zum Adsorptionsmechanismus von Phosphatanionen am modifizierten natürlichen Klinoptilolith ziehen. Die Adsorption scheint auf elektrostatischen Kräften zu beruhen, die zwischen der positiv geladenen Zeolithoberfläche und der negativen Ladung des in der Außenlösung befindlichen Ions wirken (Anionenaustauschmechanismus). Die Ergebnisse der obigen Versuche belegen, dass der Einsatz von mit HDTMABr modifiziertem natürlichem Klinoptilolith als Adsorbens als gute Methode zur Reinigung von Wasser und wässrigen Systemen mit hoher P-Konzentration angesehen werden kann.
Unter bestimmten Voraussetzungen kann das Material als umweltverträglich angesehen werden, wenn es zur Entfernung von überschüssigem P aus Bewässerungswasser und anderen mit P angereicherten wässrigen Systemen eingesetzt wird. Schließlich besteht die Möglichkeit, dass der Zeolith in den Boden eingearbeitet werden kann, um den Phosphorbedarf der Pflanzen zu decken, sofern es sich bei der adsorbierten Substanz ausschließlich um Phosphatanionen handelt.