Anreicherung von Schwermetallionen in Naturzeolithen
Zeolithe eignen sich als effektives Anreicherungsmittel zur Aufnahme von Schwermetallen, um diese aus wässrigen Lösungen zu entfernen. Aus Kuba stammende Zeolithe wurden hinsichtlich ihrer Eignung zur Entfernung der Schwermetalle Kupfer, Zink und Nickel aus Abwässern untersucht. Die Reaktion zur Entfernung der Schwermetalle wurde mittels kinetischer Untersuchungen experimentell bei verschiedenen pH-Werten, Metallkonzentrationen und Zeolithgehalten untersucht. Dabei zeigt sich, dass das untersuchte Zeolith aus Kuba für die Aufnahme von Schwermetallen eine Selektivität in Richtung Kupfer >> Zink > Nickel aufweist.
Kubanische Naturzeolithe zur Entfernung von Schwermetallen
Die Entfernung von Schwermetallen aus Abwässern ist eine große Herausforderung in der Entsorgung. Bestimmte Adsorptionsmittel können Schwermetalle anreichern und dadurch aus den Abwässern entfernen. In den zwei letzten Jahrzehnten lag der Forschungsschwerpunkt in der Nutzung von besonders kostengünstigen Adsorptionsmitteln. Darunter zählen u.a. Kohle, Torf, Tone, Naturzeolithe, Rinde und andere Naturstoffe. Die Zeolithe zählen zu den silikatreichen Mineralen, die sich besonders durch ihre Fähigkeit zur Aufnahme von Kationen der Schwermetalle auszeichnen. Die Aufnahme dieser Kationen läuft mit einer bestimmten Reaktionsgeschwindigkeit (Kinetik einer Reaktion) bis zur Einstellung eines Gleichgewichts ab. Nun wurde das Adsorptionsverhalten der in Kuba vorkommenden Zeolithe zur Entfernung der Schwermetallkationen Cu2+, Ni2+ und Zn2+ aus Abwässern der Metall- und Elektroindustrie untersucht. Dabei wurde einerseits die Geschwindigkeit, d.h. die Aufnahme von Kationen pro Zeiteinheit, und andererseits die maximale Aufnahme an den Schwermetallen nach Einstellung des Gleichgewichts bestimmt. Diese kinetischen Experimente wurden bei unterschiedlichen pH-Werten und Metallkonzentrationen unter isothermen Bedingungen, d.h. bei einer konstanter Temperatur, durchgeführt.
Die Durchführung der Experimente und Ergebnisse
Das verwendete kubanische Material enthält an Naturzeolithen 53% Klinoptilolith und 17% Mordenit. Weitere Bestandteile sind Feldspat, Quarz und Calcit. Das Material wurde gesiebt, bei 110 °C getrocknet und im Trockenschrank aufbewahrt. Definierte Ausgangslösungen von Kupfersulfat, Zinksulfat und Nickelsulfat dienten als Abwassermodell. Die unterschiedlichen pH-Werte der Lösungen wurden mit Salzsäure und Natronlauge eingestellt. Diese Ausgangslösungen wurden mit dem Zeolith versetzt und dann im Behälter bei konstant 20°C geschüttelt. Die Bestimmung der Geschwindigkeit der Kationenaufnahme erfolgte mit der Kupfersulfatlösung. Dazu wurde die Konzentration der Kationen Cu2+ zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen und mit der Ausgangskonzentration verglichen. Bereits nach 15 Minuten nahm die Konzentration der Kupferkationen um 70% ab, nach einer Stunde waren bereits 85% durch das Zeolith adsorbiert. Mit höherem pH-Wert nahm die Geschwindigkeit der Kationenaufnahme zu und erreichte im schwach alkalischen Bereich (pH-Wert 8) das Maximum.
Zur Bestimmung der maximalen Aufnahme an Kupfer, Zink und Nickel wurden die Ausgangslösungen an Kupfer-, Zink- und Nickelsulfat bis zur Einstellung des Gleichgewichts vier Tage lang mit verschiedenen Mengen an Zeolith und bei unterschiedlichen pH-Werten geschüttelt. Die größte Menge an Kationen wird im pH-Bereich von 6-8 aufgenommen. Bei höheren Mengen an Zeolith verschiebt sich das Aufnahmemaximum zu niedrigeren pH-Werten in den sauren Bereich. Am besten werden Kupferkationen aufgenommen (bis zu 100%), gefolgt von Zink (bis zu 90%) und Nickel (bis zu 80%).
Eignung der kubanischen Naturzeolithe in der Schwermetallentsorgung
Die kubanischen Zeolithe zeigen für die maximale Aufnahme an Schwermetallen eine Selektivität in Richtung Kupfer >> Zink > Nickel. Ihre Fähigkeit, diese Schwermetalle aus Abwässern aufzunehmen, ist vergleichbar mit der von anderen kostengünstigen Naturzeolithen. Auch wenn diese Aufnahmefähigkeit etwas unterhalb der von kommerziell erhältlichen Aktivkohle-Granulaten ist, so eignen sich die kubanischen Naturzeolithe als kostengünstige Alternative.