Czasopismo Inżynieria i Ochrona Środowiska

ISSN 1505-3695

Kolegium Redakcyjne

Strona czasopisma w trakcie migracji pod NOWYM ADRESEM

UWAGA ! Preferujemy artykuły w języku angielskim.

Drodzy Czytelnicy i Autorzy

Seria wydawnicza "Inżynieria i Ochrona Środowiska" stanowi czasopismo naukowe, w którym są zamieszczane prace naukowe i opracowania techniczne obejmujące szeroko rozumianą inżynierię i ochronę środowiska. Inicjatywa powołania czasopisma powstała w lutym 1997r. w Ustroniu na spotkaniu dziekanów wydziałów politechnik prowadzących kierunki studiów inżynieria środowiska i ochrona środowiska. W 2001r Komitet Inżynierii Środowiska PAN objął swoim patronatem wydawanie naszego czasopisma. 

Mamy nadzieję, że "Inżynieria i Ochrona Środowiska" zyskała już wielu Czytelników. Jak wiadomo jest ona adresowana przede wszystkim do środowisk naukowych, technicznych i przemysłowych, zainteresowanych problematyką publikowanych artykułów. Nie mniej jednak swą ofertę wydawniczą kierujemy zarówno do teoretyków, jak i praktyków, a także do wszystkich osób pasjonujących się inżynierią i ochroną środowiska. Zainteresowanych zapraszamy do współpracy.

 

Tom 10, Numer 1

1. Analiza i strojenie modelu procesu filtracji wody
Analyzing and Tuning of Water Filtration Model
Krystyna WOJCIECHOWSKA
Strony: 5-26

Model procesu filtracji zawiera współczynniki, których wartości liczbowe nie wynikają z przesłanek fizycznych. Współczynniki te mogą być zatem wykorzystane do strojenia modelu, to jest uzyskania zgodności danych generowanych przez model z pomiarami na obiekcie rzeczywistym. W pracy zaproponowano ilościową miarę zgodności pomiędzy danymi generowanymi przez model a pomiarami pochodzącymi z procesu fizycznego oraz metodę doboru wartości wybranych współczynników modelu z warunku maksymalizacji tej zgodności. Miara zgodności wyznaczona dla różnych wartości strojonych parametrów nazywana jest funkcją podobieństwa i jako funkcja określa wrażliwość modelu na zmiany wybranych współczynników. W pracy przeprowadzono symulacje numeryczne, których celem było wyznaczenie postaci funkcji podobieństwa w zależności od wyboru punktów pomiarowych w złożu, czasowych chwil pomiaru, liczby pomiarów oraz błędów pomiarowych. Minimalizacja funkcji podobieństwa względem współczynników modelu stanowi podstawę metody doboru wartości strojonych współczynników. Nastrojony model może być następnie wykorzystany do predykcji procesu filtracji w filtrze pospiesznym.

In the paper, based on comparison of simulated functions C(t,L), (t,L), h(t,L) representing dependence of concentration of particles in filtered water, concentration of particles deposited in filtration bed, pressure in the bed, as functions of time and depth in the filter layer, with values of analogous functions obtained from measurements, evaluation analyzing and tuning of water filtration model for rapid sand filter is presented. The model of rapid sand filter contains coefficients whose values do not depend on process physical laws. Coefficients selected for tuning should have significant influence on three main model functions, namely: volume density, filtration coefficient and head loss, as functions of bulk density and filtration velocity. Such an influence is numerically examined and illustrated in the first part of the paper. On the other hand, due to numerical effects governed by dimension of minimization problem, number of coefficients should be as small as possible. In the paper measure of similarity between simulated data and measurements is proposed as well as procedure of tuning of coefficients based on minimization of such a measure. Similarity measure as function of coefficients is called similarity function. Such a function characterise model sensitivity with respect to tuned coefficients but also minimization problem properties such as local and global minima, valleys important for proper interpretation of obtained results of minimization. For this reason similarity function was numerically determined and tested for different structures of measurements data defined by location of measurement points in space and time, number of measurements, as well as measurement error. In this tests due to necessity of flexibility so called simulated measurements was used which can be easily reconfigured and for which true values of coefficients are known. Finally the proposed tuning method was numerically tested for real measurement data of rapid sand filters of water treatment plant GoCzaII (Upper Silesia, South Poland). In this case measurements are given as each hour measure of pressure at the bottom and the top of the bed, head loss, velocity of filtration and concentration of particles at the filter outlet. It was shown that based on developed method results of simulations for optimal values of tuned parameters are very closed to measurements.

2. Czynniki wpływające na pojemność adsorpcyjną i selektywność jonowymienną klinoptylolitu wobec kationów metali ciężkich
Factors Affecting Adsorption Capacity and Ion Exchange Selectivity of Clinoptilolite Towards Heavy Metal Cations
Magdalena ZABOCHNICKA-ŚWIĄTEK
Strony: 27-43

Omówiono wpływ właściwości klinoptylolitu, właściwości adsorbatu i charakter środowiska zewnętrznego na pojemność adsorpcyjną i selektywność jonowymienną klinoptylolitu. Spośród czynników związanych z właściwościami sorbentu omówiono znaczenie: czystości złoża, rozmiaru i kształtu porów oraz składu i rozmieszczenia kationów na efektywność zatrzymywania jonów na klinoptylolicie. Scharakteryzowano najważniejsze cechy adsorbatu: wartościowość jonów, wielkość promienia jonowego i stopień uwodnienia jonu. Omówiona selektywność wiązania poszczególnych jonów była nie tylko związana z rodzajem środowiska zewnętrznego (woda, ściek, grunt), ale również z jego składem chemicznym, odczynem i temperaturą. Zwrócono uwagę na interakcje zachodzące pomiędzy poszczególnymi czynnikami. Dokonano przeglądu terminologii określającej różne rodzaje pojemności jonowymiennej zeolitów w zależności od warunków prowadzenia procesu i składu zeolitu. Omówiono najważniejsze metody zagospodarowania zużytego klinoptylolitu. Przedstawiono szereg obecnych zastosowań klinoptylolitu oraz opisano możliwości jego przyszłych zastosowań.

Nowadays, heavy metal contamination poses a significant threat to the environment. Mobility of heavy metals in the environment is controlled by the processes of sorption, ion exchange, precipitation and complexing. Zeolites are defined as crystalline hydrated aluminosilicates of metals from the group I and II (Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba). They have a solid microporous structure with approximately 50% of intrinsic free space with the surface up to 1500 m2/g. They consist water molecules. Zeolite water can be removed at high temperatures leaving the open spaces in the matrix. The specific characteristics of zeolites produce unique molecular sieves, sorptive and ion exchange properties. Hence, zeolites have a great potential for immobilization of many toxic organic and inorganic pollutants that can be used for industrial, agricultural, medical and environmental protection applications. Zeolites show specific selectivity towards heavy metal cations. This property has been employed in a number of technologies applied to remove metal cations from solutions. The metal uptake by zeolite is attributed to different mechanisms. Natural zeolite, clinoptilolite is the most abundant naturally occurring zeolite that is capable of removing cations from aqueous solutions. Sorption of cations by clinoptilolite from contaminated environment is complex. The clinoptilolite characteristics, adsorbate properties and the reaction environment were discussed. Ion exchange is efficient when an exchanger has a high selectivity for the metal to be removed and the concentration of competing ions is low. The differences in the ion exchange selectivity of clinoptilolite derived from different researchers are discussed. The size and shape of pores in zeolite, ions charge, solution strength, pH and temperature influence on the sorption and ion exchange selectivity. Adsorption of elements in the zeolite pores and skeletal canals is strongly dependent on their valency and hydration energy. The lower valency number and hydration energy the process of sorption is more effective. The efficiency of ion exchange processes increases when the ionic radius length of elements present in zeolites and in a contaminated solution are similar. In the field of zeolite science various concepts of zeolite capacity are encountered and vari-ous kinds of capacities, measured by different experimental methods are used, as: theoretical capacity - TEC, ideal capacity - IEC, real capacity - REC, maximum exchange level - MEL, operation capacity - OC and effective capacity - EC. The values of TEC and REC depend on the amount and the nature of impurities. In the case of zeolite ores (tuffs), TEC is al-ways higher than REC. REC is equal to IEC in the case of pure zeolites. MEL is always higher than OC. MEL and REC could be equal for “ideal” ion exchange systems, i.e., systems where complete exchange is achieved. The main methods of clinoptilolite use were presented. The application of natural minerals such as clinoptilolite instead of currently applied chemical substances would allow for utilization of materials that facilitate the protection of natural environment.

3. Zastosowanie metody adsorpcji błękitu metylenowego w badaniach powierzchni właściwej wybranych sorbentów
Application of Methylene Blue Adsorption Method in Testing Specific Surface Area of Selected Sorbents
Joanna FRONCZYK, Kazimierz GARBULEWSKI, Małgorzata LESZCZYŃSKA, Lidia KIEDRYŃSKA
Strony: 45-57

Celem przedstawionych w artykule badań była ocena możliwości wykorzystania do określania powierzchni właściwej sorbentów naturalnych i innych podobnych materiałów reaktywnych metody adsorpcji błękitu metylenowego (ABM). Metoda ta, jak pokazują wyniki przeprowadzonych badań, jest tania, niezbyt czasochłonna i daje miarodajne wartości powierzchni właściwej. Metodę ABM zastosowano do określenia powierzchni właściwej zeolitu ukraińskiego i słowackie-go oraz mieszanek zeolitowo-piaskowych (10, 20, 50, 80% zeolitu). Badane materiały proponowane są do zastosowania w przepuszczalnych barierach reaktywnych zabezpieczających środowisko gruntowo-wodne przed zanieczyszczeniem odciekami ze składowisk odpadów. Poza prostą metodą ABM zastosowano w badaniach metodę adsorpcji azotu (AA), która wymaga specjalistycznej aparatury. Nie zaobserwowano znaczących różnic wartości powierzchni właściwej badanych materiałów uzyskanych z obu metod. W przypadku metody ABM konieczne jest przeprowadzanie badań na materiale sproszkowanym, ponieważ w innym przypadku otrzymane wartości są wyraźnie mniejsze od uzyskanych z innych metod. W przepuszczalnych barierach reaktywnych wykorzystuje się jako materiał reaktywny zeolit modyfikowany 5% NaCl. W tym przypadku wyniki badań wskazują na większe wartości powierzchni właściwej w porównaniu do materiału niemodyfikowanego. Z przeprowadzonych badań wynika, że prosta, niewymagająca skomplikowanej aparatury i długiego czasu metoda ABM daje porównywalne wyniki z metodą AA. Jednakże, w przypadku metody AA możliwa jest szersza interpretacja wyników badań, np. uzyskanie dodatkowych danych o rozkładzie porów i ich wielkości.

Specific surface area (SSA), defined as the total amount of all surfaces of all particles contained in a unit weight (or sometimes in a unit volume) of the porous medium, has meaningful effect on physico-chemical characteristics of porous medium, particularly on the fine grained soils. Many phenomena and processes which occur in the porous medium, such as sorption of organic and inorganic substances, ion exchange, retention and groundwater movement, swelling and shrinking and many others depend very much upon the extent of the surfaces exposed. In general, there are several methods and approaches available for determining the SSA of soils and minerals. However, many recently developed methods require to much specialized apparatus and are too time-consuming. It is here pointed out that the obtained SSA varies from method to method. Therefore, it is advisable in engineering practice to measure the SSA of soils and minerals as well as sorbents by more simple and rapid methods. The present study was undertaken to compare the capabilities of two well known methods: N2 adsorption and methylene blue-spot test (MB-st). These methods were applied to determinate the SSA of the Ukrainian and Slovak zeolite and zeolite-sand blends (10, 20, 50, 80% of zeolite). Materials applied in the tests are proposed to fill permeable reactive barriers (PRB) in vicinity of landfills. The first of mentioned methods uses the ASAP 2010 V4.00 apparatus (Micrometritics). The theoretical basis upon which the ASAP operates is the BTE and Langmuir approaches. The SSA value is determined from the relationship between the applied pressure and volume of gas imposed into the specimen. The second method consists in sample mixing with de-ionized water and adding carefully methylene blue, then removing a small drop and placing onto filter paper. The unadsorbed methylene blue forms a permanent blue halo around the soil aggregate spot onto the filter paper. No significant differences were observed between N2 SSA and MB-st tests for materials tested. The MB-spot test method is simpler than the N2 SSA method, it can be easily applicable in the laboratory because of no need of specialized equipment. The interpretation possibility of results from N2 adsorption method is much wider in comparison to MB-st method. The characterisation of the pore structure of material is the focus of this method: specific surface, volume of pores and function schedule of volume of pores. Performed tests shown that important is to use the powdered material in MB methods because in the case of granular material the results of SSA are considerably smaller. Zeolite used as a reactive material in permeable reactive barriers is usually regenerated with 5% NaCl. Presence of Na ions can cause receiving greater SSA value in comparison to no regenerated materials because of faster exchange between Na-ion and methylene blue.

4. Zdolności adsorpcyjne kaolinu wobec barwników kationowych i anionowych
Adsorption Abilities of Kaolin towards Cationic and Anionic Dyes
Dorota ZIÓŁKOWSKA, Alexander SHYICHUK
Strony: 59-70

Przemysłowy kaolin (surowy oraz modyfikowany chemicznie bądź termicznie) poddano badaniom pod kątem jego przydatności jako ekonomicznego adsorbentu stosowanego do usuwania zarówno barwników kationowych, tj. błękitu metylenowego, czerwieni anilanowej GRL i zieleni malachitowej, jak również barwników anionowych, tj. pąsu kwasowego 4R i zieleni kwasowej czystej V, z roztworów wodnych. Izotermy adsorpcji wyznaczono metodą statyczną w temperaturze pokojowej. Kaolin niemodyfikowany w porównaniu z innymi kaolinami okazał się skutecznym adsorbentem dla barwników kationowych, osiągając wartości maksymalnej adsorpcji w zakresie 1330 mg/g. Wykazano, że wielkość adsorpcji barwników o stosunkowo małych cząsteczkach (błękit metylenowy) można zwiększyć poprzez przemywanie adsorbentu zasadą, a barwników azowych (czerwień anilanowa GRL) - poprzez obróbkę kaolinu kwasem. Stwierdzono, iż kaolin przemysłowy wygrzewany w temperaturze 750°C może adsorbować niektóre barwniki anionowe.

An industrial kaolin was modified by chemical treating, i.e. by washing with H2SO4 or NaOH solutions, as well as by calcination at 750°C. Both raw and modified kaolin samples were examined as economic adsorbents employed for elimination of three cationic dyes (methylene blue, basic red 46 and basic green 4) as well as two anionic dyes (acid red 18 and acid green 16) from aqueous solutions. The adsorption isotherms were determined with batch method at the room temperature. Values of parameters of Langmuir and Freundlich equations as well as proportional process efficiency have been calculated for all the adsorption systems. Non-modified kaolin appeared to be an effective adsorbent for cationic dyes. Values of adsorption capacity for these adsorbates are contained in the range: 12.6 mg/g (methylene blue) to about 30 mg/g (basic red 46). It was proved that adsorption of methylene blue from the solutions of high concentrations increases after washing of the adsorbent with basic. In this case new ad-sorption sites probably originate as a result of zeolitization and are accessible only for relatively small dye molecules. Adsorption of azo-dyes (basic red 46) increases as a consequence of treating of the kaolin sample with acid. Then, calcination of the adsorbent makes it almost inactive towards most of examined cationic dyes. When initial dye concentration is equal 20 mg/dm3 and raw kaolin dose amounts 1 g/dm3, obtained decolorization degree of solutions is contained in the range from 46.9% (basic red 46) to 85.6% (methylene blue). Process efficiency for basic red 46 can be additionally improved by 14% as a result of washing of adsorbent with acid. Moreover it was stated that raw industrial kaolin does not adsorb anionic dyes. However, in consequence of heating at 750°C crystalline lattice of the adsorbent disintegrates and amorphous silica as well as aluminum oxide appear. Thanks to the mentioned process the calcined mineral shows affinity for some anionic dyes (acid green 16).

5. Ocena możliwości wykorzystania węgla brunatnego jako efektywnego źródła materii organicznej w gruntach przekształconych antropogenicznie
Evaluation of Brown Coal as an Effective Source of Organic Matter in Anthropologically Transformed Soils
Jolanta KWIATKOWSKA
Strony: 71-85, Pobierz w wersji .PDF

Zabezpieczenie środowiska gruntowo-wodnego przed zanieczyszczeniem, prowadzące do likwidacji lub ograniczenia zagrożeń (tzw. zarządzanie ryzykiem), może polegać na izolowaniu ognisk zanieczyszczeń i/lub obszarów zanieczyszczonych od obszarów, które w wyniku migracji zanieczyszczeń mogą ulec skażeniu/degradacji. Gleba, stanowiąca wierzchnią warstwę litosfery, jako stały element środowiska jest pierwszym odbiorcą zanieczyszczeń antropogenicznych. Obecność w glebie substancji humusowych, podobnie jak minerałów ilastych, jest bardzo korzystna ze względu na ich wysoką pojemność sorpcyjną i związaną z tym zdolność do zatrzymywania (immobilizacji) zanieczyszczeń (np. metali ciężkich). Odtworzenie substancji humusowych w wierzchniej warstwie litosfery poprzez humifikację sztucznie wprowadzonej substancji organicznej pozwala na odtworzenie naturalnej bariery ochronnej, a tym samym może stanowić metodę ograniczenia/likwidacji ryzyka zdrowotnego i/lub środowiskowego na terenach objętych antropopresją. W pracy zaproponowano model koncepcyjny gleby jako naturalnej bariery ograniczającej ryzyko związane z pochłanianiem metali ciężkich przez rośliny oraz ich wymywaniem do wód podziemnych. Na podstawie dokonanego przeglądu literatury omówiono procesy związane z humifikacją materii organicznej z węgla brunatnego oraz główne parametry tych procesów. Poddano ocenie możliwości wykorzystania węgla brunatnego jako efektywnego źródła materii organicznej w gruntach przekształconych antropogenicznie. Przedstawiono także wyniki dotychczas przeprowadzonych badań właściwości i wpływu materii organicznej na akumulację metali ciężkich przez rośliny w glebie, zwłaszcza w aspekcie trwałości i skuteczności ich stosowania oraz pod kątem skuteczności ograniczania migracji metali ciężkich do wód podziemnych.

According to the European Parliament Directive, soils are mainly non-renewable resources, because degradation processes can proceed much faster than soil formation and remediation processes. Soil degradation and/or contamination have significant influence on quality of ground and surface water. On the base of Water Framework Directive (WFD) and, the so-called daughter Directive considering groundwater, achieving main goals of water policy re-quires prevention of deterioration of water quality, as well as contaminants removal. Ground-water protection against contaminants leading to elimination or reduction of risk might rely on isolation of the so-called ”hot-spots” and/or contaminated areas to avoid spreading of pollutants within uncontaminated aquifers due to their migration. In such cases immobilization of contaminants in soil may often be applied. Soil is the first and primary receiver of contaminants, and may or may not serve as a natural barrier to protect groundwater against contamination from the surface. In this context, humic substances (especially humic and fulvic acids) and cohesive fractions (clay, silt, silt clay, etc.) present in soil are favourable components. It is because of their high sorption capacity with respect to many contaminants, including heavy metals, which may result in their immobilisation and, consequently protect groundwater against contamination. Mobility of metal ions in soil and groundwater is influenced by character of organic and mineral combinations of complexes, metal ion saturation degree in a complex, sorption of a complex on mineral matrix and biodegradation of an organic fraction of a complex. Antropogenically transformed soils often do not contain humic substances, thus their role as a natural barrier is decreased. Therefore, regeneration of humic substances through humification of organic matter from diverse sources added to soils may be the way to rebuild the protective character of soil barrier, and consequently to reduce environmental and/or health risks at areas under anthropopression. The goal of this study was to discuss fine brown coal and the brown coal - derived fertilizer (Rekulter) as effective sources of organic matter (and humic substances) in soils that are anthropogenically transformed. A conceptual model was developed for soil as a protective barrier against heavy metals uptake by plants and/or migration towards groundwater. An overview of literature was made on properties and influences of organic matter on accumulation of heavy metals by plants and their infiltration through the vadose zone towards aquifers, especially from the process stability and effectiveness points of view. Transformation processes of soil organic matter, and the role of humic substances in heavy metals immobilisation, were briefly discussed. Transformation processes of brown coal applied to soil were described to evaluate the use of this material as an effective source of organic matter and humic substances generation in degraded soils. Finally, some recent studies on successful application of brown coal additives for reclamation of soils transformed anthropogenically were briefly discussed.