ORIGINAL PAPER
Sorption properties of selected clays from south-eastern Poland and their prospects for use in environmental protection
1
Academy of Tarnow
2
AGH University of Krakow
Submission date: 2024-09-26
Final revision date: 2025-01-24
Acceptance date: 2025-02-28
Publication date: 2025-03-19
Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 2025;41(1):141-161
KEYWORDS
TOPICS
Scientific background of mineral resource managementResearch on mineral raw materials marketsEffective mineral deposits exploitationImpact of mineral raw materials industries on the environmentPreparation and processing of mineral raw materialsWaste management from extractive industriesRational use of mineral raw materials
ABSTRACT
Due to the decline in the production of ceramic building materials (bricks, ceramic hollow blocks), alternative possibilities for managing clay raw materials and using equipment for their processing in production plants are sought. Therefore, the subject of this paper is the assessment of the suitability of selected raw clay materials from southeastern Poland for use as mineral sorbents. For this purpose, the following raw materials were used: Krakowiec clays, clay-silica raw materials from the Dynów Foothills, and Krosno slate in their natural state, as well as after sodium and acid activation. Sorption of copper, nickel, zinc, and chromium from their salts was carried out on the samples using the batch static method, aqueous solutions of experimentally determined concentrations. Experiments were performed using an AAS analyzer. The effect of the sorption environment was determined in conditions of changing pH.
It was found that the sorption of heavy metals depends to the greatest extent on pH and smectite content. However, it is also determined by the content of other mineral components, such as illite, kaolinite, opal, zeolite, iron, and manganese minerals. The influence of chemical modification of samples on sorption parameters and morphology of samples was also investigated. The latter factor was considered based on SEM micrographs. On their basis, prospects for developing the tested mineral raw materials for use as a medium-quality sorbent (clay-silica raw material) and in constructing mineral barriers (Krakowiec clays) were found.
ACKNOWLEDGEMENTS
This study was carried out within the grant No. BAD-01/2024 obtained from the Academy of Tarnow.
CONFLICT OF INTEREST
The Authors have no conflict of interest to declare.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Właściwości sorpcyjne wybranych iłów południowo-wschodniej Polski i ich perspektywy wykorzystania w ochronie środowiska
sorpcja metali ciężkich, surowce smektytowe, surowce ilaste, aktywacja bentonitów
W związku ze spadkiem produkcji ceramicznych materiałów budowlanych (cegły, pustaki ceramiczne) poszukuje się alternatywnych możliwości zagospodarowania surowców ilastych i wykorzystania urządzeń do ich przerobu w zakładach produkcyjnych. Dlatego też przedmiotem niniejszej pracy jest ocena przydatności wybranych surowców ilastych z południowo-wschodniej Polski do stosowania jako sorbenty mineralne. Do tego celu wykorzystano następujące surowce: gliny krakowskie, surowce ilasto-krzemionkowe z Pogórza Dynowskiego oraz łupki krośnieńskie w stanie naturalnym oraz po aktywacji sodowej i kwasowej. Na próbkach przeprowadzono sorpcję miedzi, niklu, cynku i chromu z ich soli metodą statyczną okresową, roztworami wodnymi o ustalonych doświadczalnie stężeniach. Doświadczenia przeprowadzono przy użyciu analizatora AAS. Określono wpływ środowiska sorpcyjnego w warunkach zmieniającego się pH.
Stwierdzono, że sorpcja metali ciężkich w największym stopniu zależy od pH i zawartości smektytu. Decyduje o tym jednak także zawartość innych składników mineralnych, takich jak illit, kaolinit, opal, zeolit, minerały żelaza i manganu. Badano także wpływ modyfikacji chemicznej próbek na parametry sorpcji i morfologię próbek. Ten ostatni czynnik uwzględniono na podstawie mikrofotografii SEM. Na ich podstawie stwierdzono perspektywy rozwoju badanych surowców mineralnych do zastosowania jako średniej jakości sorbent (surowiec ilasto-krzemionkowy) oraz do budowy barier mineralnych (gliny krakowskie).
REFERENCES (38)
1.
Abollino et al. 2008 – Abollino, O., Giacomino, A., Malandrino, M. and Mentasti, E. 2008. Interaction of metal ions with montmorillonite and vermiculite. Applied Clay Science 38(3–4), pp. 227–236, DOI: 10.1016/j.clay.2007.04.002.
2.
Ayari et al. 2005 – Ayari, F., Srasra, E. and Trabelsi-Ayadi, M. 2005. Characterization of bentonitic clays as adsorbent. Desalination 185, pp. 391–397, DOI: 10.1016/j.desal.2005.04.046.
3.
Ayari et al. 2007 – Ayari, F., Srasra, E. and Trabelsi-Ayadi, M. 2007. Effect of exchangeable cations on the physicochemical properties of smectite. Surface Engineering and Applied Electrochemistry 43(5), pp. 369–378, DOI: 10.3103/S1068375507050110.
4.
Bobrowska, M. and Szaniawska, D. 2011. Investigations of modified bentonites for use in environmental protection (Badania modyfikacji bentonitów do zastosowań w ochronie środowiska). Inżynieria i Aparatura Chemiczna 50(5), pp. 20–21 (in Polish).
5.
Bourg et al. 2003 – Bourg, I.C., Bourg, A.C.M. and Sposito, G. 2003. Modeling diffusion and adsorption in compacted bentonite: a critical review. Journal of Contaminant Hydrology 61(1), pp. 293–302, DOI: 10.1016/S0169-7722(02)00128-6.
6.
Brański, P. 1995. Prospects for the use of Miocene clays from the Carpathian Foredeep in environmental protection (Perspektywy wykorzystania iłów mioceńskich zapadliska przedkarpackiego w ochronie środowiska). Przegląd Geologiczny 43(6), pp. 493–496 (in Polish).
7.
Brown, G. 1955. The effect of isomorphous substitutions on the intensities of (001) reflections of mica- and chlorite-type structures. Mineralogical Magazine and Journal of the Mineralogical Society 30(229), pp. 657–665. DOI: 10.1180/minmag.1955.030.229.06.
8.
Brzeziński, D. 2021. Bentonites and bentonite clays (Bentonity i iły bentonitowe). [In:] Szuflicki, M., Malon, A. and Tymiński, M. (eds.), Balance of Mineral Deposit Resources in Poland as of December 31, 2020 (Bilans Zasobów Złóż Kopalin w Polsce wg stanu na 31 XII 2020 r.). Warszawa: PIG-PIB, pp. 89–90 (in Polish).
9.
Bujdák et al. 2001 – Bujdák, J., Janek, M., Madejová, J. and Komadel, P. 2001. Methylene blue interactions with reduced-charge smectite. Clays and Clay Minerals 49(3), pp. 244–254, DOI: 10.1346/CCMN.2001.0490307.
10.
Churchman et al. 2006 – Churchman, G.J., Gates, W.P., Theng, B.K.G. and Yuan, G. 2006. Clays and clay minerals for pollution control. [In:] Bergaya, F., Theng, B.K.G. and Lagaly, G. (eds.), Handbook of Clay Science. Amsterdam-Tokyo: Elsevier, pp. 625–676.
11.
Czurda, K. 2006. Clay liners and waste disposal. in Bergaya, F., Theng, B.K.G. and Lagaly, G. (eds.), Handbook of Clay Science. Amsterdam-Tokyo: Elsevier, pp. 693–701.
12.
Fusi et al. 2015 – Fusi, L., Primicerio, M. and Monti, A. 2015. A model for calcium carbonate neutralization in the presence of armoring. Applied Mathematical Modelling 39(1), pp. 348–362, DOI: 10.1016/j.apm.2014.05.037.
13.
Górniak et al. 2021 – Górniak, K., Szydłak, T., Wyszomirski, P., Gaweł, A. and Niemiec, M. 2021. Recently discovered thick bentonite bed hosted by the Lithothamnium Limestones (Badenian) in the Polish part of the Carpathian Foredeep: The evidence for volcanic origin. Minerals 11(12), DOI: 10.3390/min11121417.
14.
Gualtieri et al. 2008 – Gualtieri, A.F., Ferrari, S., Leoni, M., Grathoff, G., Hugo, R., Shatnawi, M., Paglia, G. and Billinge, S. 2008. Structural characterization of the clay mineral illite-1M. Journal of Applied Crystallography 41, pp. 402–415, DOI: 10.1107/S0021889808004202.
15.
Helios-Rybicka et al. 1995 – Helios-Rybicka, E., Calmano, W. and Breeger, A. 1995. Heavy metals sorption/desorption on competing clay minerals; an experimental study. Applied Clay Science 9(5), pp. 369–381, DOI: 10.1016/0169-1317(94)00030-T.
16.
Heyde et al. 2020 – Heyde, J., Glaeser, S.P., Bisping, L., Kirchberg, K., Ellinghaus, R., Siemens, J. and Mulder, I. 2020. Smectite clay minerals reduce the acute toxicity of quaternary alkylammonium compounds towards potentially pathogenic bacterial taxa present in manure and soil. Scientific Reports 10, DOI: 10.1038/s41598-020-71720-5.
17.
Kabata-Pendias, A. and Pendias, H. 1999. Biogeochemistry of trace elements (Biogeochemia pierwiastków śladowych). Warszawa: Wyd. Naukowe PWN (in Polish).
18.
Kłapyta, Z. and Żabiński, W. (eds.) 2008. Polish mineral sorbents (Sorbenty mineralne Polski). Kraków: AGH (in Polish).
19.
Koch, D. 2002. Bentonites as a basic material for technical base liners and site encapsulation cut-off walls. Applied Clay Science 21(1–2), pp. 1–11, DOI: 10.1016/S0169-1317(01)00087-4.
20.
Komadel, P. 2003. Chemically modified smectites. Clay Minerals 38(1), pp. 127–138, DOI: 10.1180/0009855033810083.
21.
Korichi et al. 2012 – Korichi, S., Elias, A., Mefti, A. and Bensmaili, A. 2012. The effect of microwave irradiation and conventional acid activation on the textural properties of smectite: Comparative study. Applied Clay Science 59–60, pp. 76–83, DOI: 10.1016/j.clay.2012.01.020.
22.
Kou et al. 2000 – Kou, M.R.S., Mendioroz, S. and Muñoz, V. 2000. Evaluation of the acidity of pillared montmorillonites by pyridine adsorption. Clays and Clay Minerals 48(5), pp. 528–536, DOI: 10.1346/CCMN.2000.0480505.
23.
Madejová et al. 1998 – Madejová, J., Bujdák, J., Janek, M. and Komadel, P. 1998. Comparative FT-IR study of structural modifications during acid treatment of dioctahedral smectites and hectorite. Spectrochimica Acta Part A 54(10), pp. 1397–1406, DOI: 10.1016/S1386-1425(98)00040-7.
24.
Majer et al. 2007 – Majer, E., Łuczak-Wilamowska, B., Wysokiński, L. and Drągowski, A. 2007. Principles of assessing the suitability of cohesive soils in Poland for the construction of mineral insulation barriers (Zasady oceny przydatności gruntów spoistych Polski do budowy mineralnych barier izolacyjnych). Warszawa: Instytut Techniki Budowlanej (in Polish).
25.
Millward, G.E. 1980. The adsorption of cadmium by iron(III) precipitates in model estuarine solutions. Environmental Technology Letters 1(8), pp. 394–399, DOI: 10.1080/09593338009383993.
26.
Nieć, M. and Ratajczak, T. 2004. Deposits of bentonite and zeolite minerals (Złoża kopalin bentonitowych i zeolitowych). [In:] Ney, R. (ed.), Mineral resources of Poland. Rock raw materials. Clay raw materials (Surowce mineralne Polski. Surowce skalne. Surowce ilaste). Kraków: MEERI PAS, pp. 101–116 (in Polish).
27.
Ociepa-Kubicka, A. and Ociepa, E. 2012. Toxic effects of heavy metals on plants, animals and people (Toksyczne oddziaływanie metali ciężkich na rośliny, zwierzęta i ludzi). Inżynieria i Ochrona Środowiska 15(2), pp. 169–180 (in Polish).
28.
Panna, W. 2016. Properties of smectites and technological suitability of selected clay raw materials from south-eastern Poland (Właściwości smektytów a przydatność technologiczna wybranych surowców ilastych południowo-wschodniej Polski). Rozprawa doktorska AGH w Krakowie. [Online:] https://winntbg.bg.agh.edu.pl/... (in Polish).
29.
Panna et al. 2014a – Panna, W., Prosowicz, G. and Wyszomirski, P. 2014a. Assessment of smectite content in some clay raw materials based on spectrophotometric sorption tests (Ocena zawartości smektytu w niektórych surowcach ilastych na podstawie spektrofotometrycznych badań sorpcyjnych). Chemik 68(7), pp. 612–619 (in Polish).
30.
Panna et al. 2014b – Panna, W., Wyszomirski, P. and Myszka, R. 2014b. Characteristics of the clayey-siliceous rock from the Dylągówka–Zapady deposit (Polish Flysch Carpathians) as a mineral raw material (Charakterystyka surowcowa kopaliny ilasto-krzemionkowej ze złoża Dylągówka-Zapady (polskie Karpaty fliszowe)). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 30(2), pp. 85–102, DOI: 10.2478/gospo-2014-0012.
31.
Panna et al. 2015 – Panna, W., Wyszomirski, P. and Myszka, R. 2015. Characteristics of the exploitation waste from the sandstone quarry in Wysoczany (Podkarpackie Voivodeship) (Charakterystyka surowcowa odpadu eksploatacyjnego z kopalni piaskowca w Wysoczanach (woj. podkarpackie)). Zeszyty Naukowe IGSMiE PAN 88, pp. 183–194 (in Polish).
32.
Ratajczak et al. 2005 – Ratajczak, T., Jończyk, W. and Skórzak, A. 2005. Ecology and associated minerals on the example of the "Bełchatów" brown coal deposit (Ekologia a kopaliny towarzyszące na przykładzie złoża węgla brunatnego „Bełchatów”). Górnictwo Odkrywkowe 47(2), pp. 34–38 (in Polish).
33.
Shannon, R.D. 1976. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides. Acta Crystallographica: Section A 32(5), pp. 751–767, DOI: 10.1107/S0567739476001551.
34.
Sikora, W.S. 1996. Sorption of heavy metals by minerals and clay rocks (Sorpcja metali ciężkich przez minerały i skały ilaste). [In:] Kościówko, H. and Wyrwicki, R. (eds.) Methodology of research on clay minerals (Metodyka badań kopalin ilastych). Warszawa-Wrocław: PIG, pp. 189–197 (in Polish).
36.
Wyszomirski, P. and Lewicka, E. 2005. Bentonite as a versatile industrial mineral for different markets (Bentonity jako uniwersalny surowiec wielu dziedzin przemysłu). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 21(3), pp. 5–19 (in Polish).
37.
Wyszomirski et al. 2024 – Wyszomirski, P., Szydłak, T., Zawadzki, T. and Baranowski, M. 2024. Basalt weathering crust from Rutki near Niemodlin (Opole Voivodship) – opportunities for its current utilization and remarks on its former use. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 40(2), pp. 69–87, DOI: 10.24425/gsm.2024.150822.
38.
Żytko et al. 1989 – Żytko, K., Zając, R. and Gucik, S. 1989. Map of the tectonic elements of the Western Outer Carpathians and their foreland 1:500 000. [In:] Poprawa, D. and Nemcok, J. (eds.), Geological Atlas of the Western Outer Carpathians and their Foreland. Warszawa: PIG.
| eISSN: | 2299-2324 |
| ISSN: | 0860-0953 |
We process personal data collected when visiting the website. The function of obtaining information about users and their behavior is carried out by voluntarily entered information in forms and saving cookies in end devices. Data, including cookies, are used to provide services, improve the user experience and to analyze the traffic in accordance with the Privacy policy. Data are also collected and processed by Google Analytics tool (more).
You can change cookies settings in your browser. Restricted use of cookies in the browser configuration may affect some functionalities of the website.
You can change cookies settings in your browser. Restricted use of cookies in the browser configuration may affect some functionalities of the website.
