Μπορεί το υλικό που βρίσκεται στη φύση να προσφέρει αποτελεσματικές θεραπείες για την αποστράγγιση οξέων;
Η αποστράγγιση οξέων (AD) αναφέρεται στα λύματα από την εξόρυξη, τη μεταλλουργία και διάφορες άλλες βιομηχανικές εργασίες, συμπεριλαμβανομένων των βυρσοδεψείων, των ηλεκτρολυτικών, των σταθμών παραγωγής ενέργειας και της κατασκευής μπαταριών. Η ΝΑ είναι μια από τις πιο δυσάρεστες περιβαλλοντικές προκλήσεις παγκοσμίως, προκαλώντας μόλυνση των δημόσιων αποθεμάτων νερού, ρύπανση των υδάτινων οικοσυστημάτων, ακόμη και ζημιές στις υποδομές από τη διάβρωση.
Η AD συνεχίζει να συμβάλλει σημαντικά στη ρύπανση των υδάτων. Χαρακτηρίζεται από ισχυρή οξύτητα, με τιμές pH τόσο χαμηλές όσο 2,0, καθώς και τοξικότητα από μια ποικιλία πιθανών προσμίξεων, ιδιαίτερα κατιόντων βαρέων μετάλλων και οξυανιόντων (π.χ. κοβάλτιο, νικέλιο, κάδμιο, χαλκός, μόλυβδος, ψευδάργυρος, χρωμικό και φωσφορικό άλας). Λαμβάνοντας υπόψη τις επιβλαβείς επιπτώσεις στα υδρόβια φυτά, την άγρια ζωή και τα υπόγεια ύδατα, η απόρριψη μη επεξεργασμένων όξινων υδάτων σε δημόσια ρέματα θα πρέπει να απαγορεύεται αυστηρά.
Η θεραπεία της AD απαιτεί την απομάκρυνση των κατιονικών και ανιονικών ρύπων μαζί με την εξουδετέρωση του pH. Ωστόσο, οι επί του παρόντος αναπτυγμένες μέθοδοι επεξεργασίας, όπως η ιοντοανταλλαγή, η αντίστροφη όσμωση, η προσρόφηση και η καθίζηση αντιμετωπίζουν σημαντικούς περιορισμούς όσον αφορά την ικανοποίηση των προαναφερθέντων απαιτήσεων. Οι μέθοδοι ανταλλαγής ιόντων, αντίστροφης όσμωσης και προσρόφησης είναι χρήσιμες για την απομάκρυνση τοξικών ρύπων, αλλά γενικά δείχνουν μικρή αποτελεσματικότητα στην εξουδετέρωση του pH.
Η προσέγγιση της καθίζησης ευνοεί την απομάκρυνση τοξικών κατιόντων βαρέων μετάλλων καθώς και την κατανάλωση Η, αλλά γενικά δεν είναι αποτελεσματική στην απομάκρυνση ανιονικών ρύπων στις σχετικά χαμηλές συγκεντρώσεις τους. Επιπλέον, για να κατακρημνιστούν μεταλλικά κατιόντα, το pH του υγρού πρέπει να αυξηθεί σε υψηλή τιμή, μερικές φορές πάνω από 9,7. Έτσι, για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις της διαδικασίας, μια κοινή στρατηγική είναι ο συνδυασμός δύο ή περισσότερων μεθόδων (π.χ. ο συνδυασμός προσρόφησης και καθίζησης), που οδηγεί σε υψηλότερο σχετικό κόστος.
Στην τελευταία εργασία, ο Minwang Laipan και οι συνεργάτες του από το Ινστιτούτο Γεωχημείας του Guangzhou (GIG), την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών (CAS) και το Πανεπιστήμιο του Κονέκτικατ (UConn) διαπίστωσαν ότι η Φύση μας έχει ήδη παράσχει αποτελεσματικό υλικό για την ταυτόχρονη αφαίρεση κατιονικών/ανιονικών ρύπους από την AD και εξουδετερώνουν το pH της. Το υλικό ανήκει σε μια κατηγορία ανιονικών αργίλων που ονομάζονται επιστρωμένα διπλά υδροξείδια (LDHs).
Φυσικά απαντώμενα (δηλαδή ορυκτολογικά) παραδείγματα LDH ταξινομούνται ως μέλη της υπερομάδας υδροταλκίτη, που πήρε το όνομά του από τον υδροταλκίτη ανθρακικού Mg-Al, ο οποίος είναι το πιο μακροχρόνιο γνωστό παράδειγμα φυσικής φάσης LDH. Περισσότερα από 40 ορυκτά είδη είναι γνωστό ότι ανήκουν σε αυτήν την υπερομάδα. Ένα LDH αποτελείται από θετικά φορτισμένα μεταλλικά στρώματα με ενδιάμεσα ανιόντα και νερό. Ο γενικός τύπος της LDH είναι [M1-x Mx (OH)2 ][Ax/n ]·mH2 O, όπου Mand Mare ένα μεταλλικό δισθενές κατιόν και ένα μεταλλικό τρισθενές κατιόν, αντίστοιχα, το Ais είναι ένα ενδιάμεσο ανιόν, και το X=M/(M+M) είναι το επιφανειακό φορτίο, που προσδιορίζεται από την αναλογία των δύο μεταλλικών κατιόντων. Πρέπει να σημειωθεί ότι το Mcan θα αντικατασταθεί από το Min σε ορισμένες ειδικές περιπτώσεις.
Στην έρευνά τους, οι Laipan et al. έλαβε ως παράδειγμα τον ανθρακικό υδροταλκίτη Mg-Al και διαπίστωσε ότι το πυρωμένο προϊόν του, MgAl-CLDH, ήταν αποτελεσματικό στην εξουδετέρωση του pH καθώς και στην απομάκρυνση διαφόρων κατιονικών/ανιονικών ρύπων (Co, Ni, Cd, Cu, Pb, Zn, χρωμικό και φωσφορικό). Η ταυτόχρονη απομάκρυνση των ρύπων και η εξουδετέρωση του pH με MgAL-CLDH καθίσταται δυνατή χάρη στο «φαινόμενο μνήμης» των LDH. Το φαινόμενο μνήμης αναφέρεται σε μια ενδιαφέρουσα δομή που είναι χαρακτηριστική των LDH, τα οποία είναι επίσης γνωστά ως διπλά οξείδια μετάλλων, καθώς τα φρυγμένα προϊόντα μπορούν να ενυδατωθούν ξανά και να ανακτηθούν σε LDH σε υδατικό περιβάλλον.
Σε αυτή τη διαδικασία, τα διπλά οξείδια μετάλλων δεσμεύουν άτομα υδρογόνου από το νερό, αφήνοντας έτσι το OH– για να αυξήσει το pH του υγρού. Με αυτόν τον τρόπο, το pH μπορεί να εξουδετερωθεί και τα κατιόντα βαρέων μετάλλων να αφαιρεθούν. Εν τω μεταξύ, μόλις σχηματιστεί η LDH, τα γύρω ανιόντα συλλαμβάνονται στον ενδιάμεσο χώρο ή στην επιφάνεια της LDH για να αντισταθμίσουν το φορτίο, με αποτέλεσμα την απομάκρυνση των ανιοντικών ρύπων. Διαπιστώθηκε ότι οι αποδόσεις αφαίρεσης διαφόρων κατιόντων βαρέων μετάλλων με προσρόφηση με MgAl-CLDH ήταν πολύ υψηλότερες από αυτές με κατακρήμνιση με χρήση NaOH, πράγμα που σημαίνει ότι η ικανότητα προσρόφησης των CLDH/LDH μπορεί να συμβάλει περαιτέρω στην απομάκρυνση κατιόντων βαρέων μετάλλων.
Αυτά τα ευρήματα των Laipan et al. περιγράφονται λεπτομερώς στην πρόσφατη δημοσίευση του Applied Clay Science , στο άρθρο τους με τίτλο «Πυρωμένο Mg/Al-LDH για επεξεργασία όξινων λυμάτων:Ταυτόχρονη εξουδετέρωση και αφαίρεση ρύπων». Οι αντίστοιχοι συγγραφείς Runliang Zhu, καθηγητής στο GIG &CAS, και Luyi Sun, καθηγητής στο UConn, είναι και οι δύο αφοσιωμένοι στη μελέτη ορυκτών όπως τα LDH και τις πολλά υποσχόμενες εφαρμογές τους. Ελπίζουμε ότι αυτά τα άφθονα και χαμηλού κόστους ορυκτά μπορούν να προσφέρουν βελτιώσεις στις τρέχουσες τεχνολογίες και σύντομα θα διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην περιβαλλοντική αποκατάσταση.
