Removal of nitrates and ammonium ions from water using natural sorbent zeolite (clinoptilolite)

Abstract

Experimental investigation of nitrogen compound (nitrates and ammonium ions) removal from water using natural zeolite was carried out in the laboratory of Water Management Department in VGTU. Shallow‐well water samples were taken from a few place situated in Vilnius city and Vilnius district, nitrate concentration was enhanced adding Na NO₃ into the samples. Nitrate removal from water solutions was carried out under static conditions: solutions with nitrate concentration of 74–288 mg/l were mixed during one hour with 5 g of 0.315 mm particle‐sized zeolite in an automatic mixer when mixing intensity was 100 min.⁻¹; after 30 min. sedimentation nitrate concentration was measured in all the samples. Ammonium ion removal from water solutions (made of shallow‐well and tap water with NH₄Cl) was carried out under static and dynamic conditions (water solutions with 10–15 mg/l of ammonium ion concentration were filtered through 0.315–0.63 mm particle‐sized filter medium). Experimental results show that shallow‐well water (with nitrate concentration of 74–288 mg/l), after one‐hour mixing with 5 g of 0.315 mm particle‐sized zeolite and after 30 min. sedimentation, nitrate concentration stayed the same without any reduction. The same shallow‐well water (with 1–10 mg/l ammonium ion concentration) mixed with 5 g of 0.315–0.63 mm particle‐sized zeolite showed ammonium ion removal efficiency of 72–86 %. For ammonium ion removal from tap water and NH₄Cl solution (primary concentration was 15 mg/l) under dynamic conditions, filtering through 400 mm high, 0.315–0.63 mm particle‐sized zeolite filter medium, when filtration rate was 5 mg/l, NH₄⁺ removal efficiency was 95–99.9 %. Ammonium ion removal from shallow‐well water and NH₄Cl solution (primary concentration was 10 mg/l) under dynamic conditions, filtered through 95 mm high, 0.315–0.63 mm particle‐sized zeolite filter medium, when filtration rate was 3 mg/l, NH₄⁺ removal in filtered water samples decreased with exponential dependency. The obtained results show that zeolite particles are not suitable for nitrate sorption from water solutions, but 0.315–0.63 mm particle‐sized zeolite can be a very useful sorbent for NH₄⁺ removal from water because of the above mentioned reasons, therefore, further investigations are needed in this area.

Natūraliojo sorbento ceolito (klinoptilolito) naudojimas nitratams ir amonio jonams šalinti iš vandens

Santrauka. VGTU Vandentvarkos katedros laboratorijoje vykdyti eksperimentiniai azoto junginių (nitratų bei amonio jonų) šalinimo iš vandens, naudojant gamtinius ceolitus, tyrimai. Iš kelių Vilniaus mieste ir rajone esančių šachtinių šulinių paimti vandens mėginiai. Nitratų koncentracijos juose padidėjo pridėjus NaNO₃. Nitratai šalinti iš vandeninių tirpalų statiniu būdu, tirpalus (kuriuose nitratų koncentracijos siekė 74–288 mg/l)
1 h maišant su 5 g 0,315 mm stambumo ceolito grūdelių frakcija automatinėje maišyklėje 100 aps./min intensyvumu ir po 30 min nusodinimo išmatuojant juose nitratų koncentraciją. Amonio jonų šalinimas iš vandeninių tirpalų (kurie buvo pasigaminti iš šachtinio šulinio ir vandentiekio vandens pridedant NH₄Cl) atliktas statiniu ir dinaminiu būdu (filtruojant vandens tirpalus, kuriuose amonio jonų koncentracijos siekė 10–15 mg/l, per  0,315–0,63 mm ceolito grūdelių užpildo sluoksnį). Eksperimentų rezultatai parodė, kad, maišant šachtinio šulinio vandenį (kuriame nitratų koncentracijos buvo 74–288 mg/l) vieną valandą su 5 g 0,315 mm grūdelių stambumo ceolito frakcija, po 30 min tirpalams nusistovėjus, nustatyta, kad nitratų koncentracija juose nesumažėjo. Tokiu pat būdu maišant šachtinio šulinio vandenį (kuriame amonio jonų koncentracijos buvo 1–10 mg/l) su 5 g 0,315–0,63 mm grūdelių stambumo ceolito frakcija, nustatyta, kad amonio jonų šalinimo efektyvumas mėginiuose siekė 72–86 %.Šalinant amonio jonus iš vandentiekio vandens ir NH₄Cl tirpalo (pradinė koncentracija 15 mg/l) dinaminiu būdu, filtruojant per 400 mm aukščio 0,315–0,63 mm stambumo ceolito grūdelių užpildą 5 m/h greičiu, NH₄⁺ šalinimo efektyvumas siekė 95–99,9 %. Šalinant amonio jonus iš šachtinio šulinio vandens ir NH₄Cl tirpalo (pradinė koncentracija 10 mg/l) dinaminiu būdu, filtruojant per 95 mm aukščio 0,315–0,63 mm stambumo ceolito grūdelių užpildą 3 m/h greičiu, NH₄⁺  koncentracija filtrato mėginiuose mažėjo pagal eksponentinę priklausomybę. Gauti rezultatai parodė, kad ceolito grūdeliai netinka nitratų sorbcijai iš vandeninių tirpalų, bet 0,315–0,63 mm stambumo ceolito  grūdelių  frakcija  galėtų  būti  ypač  tinkamas sorbentas NH₄⁺ šalinti iš vandens, todėl būtų  tikslinga  atlikti  daugiau  tyrimų šioje srityje. 

Reikšminiai žodžiai: ceolitas, klinoptilolitas, nitratai, amonis, sorbcija, filtravimas.

Применение натурального сорбента цеолита (клиноптилолита) для очистки воды от нитратов и аммония

Резюме. Экспериментальные исследования очистки воды от азотосодержащих соединений (нитратов и аммония) с применением природного цеолита были проведены в лаборатории кафедры водоснабжения Вильнюсского технического университета им. Гедиминаса. Для этой цели использовалась вода из нескольких шахтных колодцев, находящихся в г. Вильнюсе и его районе, концентрация нитратов была увеличена, дозируя NaNO₃. Очистка водных растворов от нитратов производилась статическим методом, растворы (концентрация нитратов составляла 74–288 мг/л) в течение часа смешивали с 5 г цеолита (фракция – до 0,315 мм) автоматической мешалкой при интенсивности 100 об/мин. После 30 мин отстаивания определялась концентрация нитратов. Очистка от аммония водных растворов, полученных из воды шахтных колодцев и водопроводной воды с добавлением NH₄Cl, производилась статическим и динамическим методами (водные растворы, в которых концентрация аммония достигала 10–15 мг/л, фильтрировались через загрузочный материал из цеолита с фракцией 0,315–0,63 мм). Результаты эксперимента показали, что концентрация нитратов в растворах не уменьшилась, когда воду из шахтных колодцев, в которых концентрация нитратов достигала 74–288 мг/л, смешивали в течение часа с 5 г цеолита, фракция которого составляла 0,315 мм, и отстаивали в течение 30 мин. При смешивании воды из шахтного колодца, в котором концентрация аммония достигала 10–15 мг/л, с 5 г цеолита, фракция которого составляла 0,315–0,63 мм, эффективность очистки от аммония достигала 72–86 %. При очистке водопроводной воды с раствором NH₄Cl от аммония, концентрация которого составляла 15 мг/л, в динамических условиях, фильтруя через загрузочный материал высотой в 400 мм и фракцией 0,315–0,63 мм со скоростью 5 м/ч, эффективность очистки достигала 95–99,9 %. При очистке воды из шахтных колодцев с раствором NH₄Cl от аммония (концентрация составляла 10 мг/л) в динамических условиях, фильтруя через загрузочный материал высотой в 95 мм со скоростью 3 м/ч, концентрация NH₄⁺ в фильтрате уменьшалась с закономерностью экспонентной функции. Полученные результаты показали, что загрузка цеолита не способствует сорбции нитратов из водных растворов, в то время как цеолит с фракцией в 0,315–0,63 мм может быть приемлемым сорбентом для очистки воды от NH₄⁺ , поэтому целесообразно проведение дополнительных исследований.

Ключевые слова: цеолит, клиноптилолит, нитраты, аммоний, сорбция, фильтрирование.

First Published Online: 14 Oct 2010

Keyword : zeolite, clinoptilolite, nitrates, ammonium, sorption, filtration