Immobilizacja fosforu z zastosowaniem kalcytu

Immobilizacja fosforu z zastosowaniem kalcytu – wyniki badań typu „batch”
Agnieszka Bańkowska1, Zbigniew Popek1, Elisabeth Eiche2, Thomas Neumann2,
Uwe Fischer 3
1
Katedra Inżynierii Wodnej, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Karlsruhe Institute of Technology, Institut für Mineralogie und Geochemie, Niemcy
3
Rheinkalk Eifel Sauerland GmbH & Co. KG, Branch Akdolit, Lhoist Group, Niemcy
2
Słowa kluczowe: kalcyt, immobilizacja fosforu
Streszczenie
Immobilizacja fosforu przy użyciu różnego rodzaju preparatów jest powszechnie stosowaną metodą
rekultywacji zeutrofizowanych jezior. Skuteczność czy trwałość działania wielu z tych preparatów są
jednak ograniczone, dlatego nadal wiele uwagi poświęca się badaniom nad rozwojem metod
dezaktywacji fosforu.
Jednym ze środków wymienianych jako alternatywa dla obecnie stosowanych materiałów jest kalcyt
- minerał będący najczystszą występującą w przyrodzie postacią węglanu wapnia (CaCO3),
powszechnie występujący w środowisku. Ze względu na złożone procesy wiązania fosforu,
obejmujące i) adsorpcję, ii) precypitację i iii) współwytrącanie, jest to środek o dużych możliwościach
efektywnej i trwałej dezaktywacji fosforu, także w warunkach beztlenowych. Podczas gdy precypitacja
i ko-precypitacja pozwalają na trwałe związanie fosforu, adsorpcja jest zjawiskiem silnie odwracalnym.
Dlatego też dla zapewnienia trwałości immobilizacji fosforu przez kalcyt istotna jest wiedza na temat
zachodzących mechanizmów wiązania. Rodzaj zachodzącego procesu wiązania zależy od wielu
czynników, w tym zawartości fosforu w środowisku wodnym, stopnia jego wysycenia węglanem
wapnia, właściwości kalcytu (zastosowana ilość, powierzchnia właściwa (SSA), uziarnienie).
W celu analizy możliwości zastosowania kalcytu w immobilizacji fosforu w eutroficznych akwenach
przeprowadzono 8 eksperymentów sorpcyjnych typu „batch”. W badaniach wykorzystano dwa
2
materiały: kamień wapienny mielony (SSA~1,76 m /g) oraz precypitat (kalcyt syntetyczny,
2
SSA~37,45 m /g). Badania prowadzono w „sztucznej” wodzie jeziornej oraz w wodzie śródosadowej
eutroficznego, polimiktycznego Jeziora Zdworskiego. Początkowa koncentracja ortofosforanów w tych
roztworach wynosiła 0,29 i 2,9 mg/l. Obydwa roztwory były wysycone węglanem wapnia,
co odpowiada warunkom występującym w Jeziorze Zdworskim. Do „sztucznej” wody jeziornej i wody
interstycjalnej dodano 20 dawek preparatów, następnie mieszaninę wytrząsano przez 24h, po czym
oznaczano zawartość fosforanów (SRP), wapnia, zasadowość i pH.
Badania wykazały znacznie wyższą efektywność wiązania fosforu przez precypitat w stosunku
do kamienia wapiennego: przy początkowej zawartości fosforanów 2,9 mg/l dodatek tego preparatu
w dawce 2,2 g/l pozwalał na redukcję koncentracji SRP o 88 i 91% (odpowiednio w „sztucznej” wodzie
jeziornej i wodzie śródosadowej). Było to 5-krotnie więcej niż w przypadku kamienia wapiennego,
którego efektywność wiązania przy tej samej dawce wynosiła 14-16%. We wszystkich seriach
maksymalna redukcja zawartości fosforanów w przypadku precypitatu wynosiła 100%, podczas gdy
kamień wapienny wiązał maksymalnie 72-100% wyjściowej zawartości fosforu, zależnie od warunków
eksperymentu.
Przebieg izoterm adsorpcji wyznaczonych na podstawie danych eksperymentalnych wskazuje
jednak, że w przypadku precypitatu przy niskiej początkowej koncentracji fosforanów (0,29 mg/l)
dominującym procesem immobilizacji jest adsorpcja, prawdopodobnie z uwagi na stosunkowo dużą
powierzchnię właściwą tego materiału. Natomiast przy wyższej zawartości fosforanów (2,9 mg/l)
izoterma zmienia kształt na wykładniczy, co wskazuje na występowanie także innych mechanizmów
wiązania. Udział w procesie immobilizacji fosforu innych mechanizmów niż tylko adsorpcja sugeruje
także kształt izoterm wyznaczonych dla kamienia wapiennego, w seriach eksperymentu przy niskiej
i wysokiej zawartości fosforanów. Ponieważ „sztuczna” woda jeziorna i woda śródosadowa były
wysycone węglanem wapnia, można przypuszczać, że obok adsorpcji mechanizmem wiązania fosforu
jest w tych warunkach współwytrącanie jonów fosforanowych z kalcytem.
W warunkach występujących w Jeziorze Zdworskim (wysycenie węglanem wapnia, stosunkowo
niska zawartość fosforu) właściwe wydaje się zastosowanie kalcytu o niskiej powierzchni właściwej
z uwagi na możliwość wywołania mechanizmów trwałego wiązania fosforu. Wykorzystanie materiału
o wysokiej powierzchni właściwej wiązałoby się natomiast przede wszystkim z immobilizacją na
drodze adsorpcji.
Informacje dodatkowe
Badania zrealizowano w ramach Międzynarodowego Programu Stypendialnego Niemieckiej
Fundacji Federalnej Środowisko (DBU). Badania zostały częściowo sfinansowane z polskiego budżetu
na naukę w latach 2010-2012 w ramach projektu badawczego (umowa nr 3449/B/P01/2010/39).
Serdecznie dziękujemy przedsiębiorstwu Rheinkalk Eifel Sauerland GmbH & Co.KG, Niederlassung
Akdolit, Lhoist Group, Niemcy za udostępnienie preparatów do badań.