АДСОРБЕНТИ, ОТРИМАНІ АЗОТНОКИСЛОТНИМ ІНТЕРКАЛЮВАННЯМ ТА ЛУЖНОЮ АКТИВАЦІЄЮ АНТРАЦИТУ
DOI:
https://doi.org/10.32782/pcsd-2025-1-9Ключові слова:
антрацит, інтеркалювання, лужна активація, вуглейевий адсорбент, екотоксикантАнотація
Мета. Визначення адсорбційних властивостей вуглецевих адсорбентів (ВА), отриманих азотнокислотним інтеркалюванням антрациту з наступною лужною активацією. Методологія. Інтеркалювання з утворенням нітрату антрациту здійснювали продуванням антрациту парофазною HNO3 (57 %) при 140 °С. Активацію з утворенням ВА виконували нагріванням імпрегнованого лугом (KOH) антрациту до 800 °С з ізотермічною витримкою 1 год, охолодженням, відмиванням від лугу та сушінням. Характеристики пористості ВА розраховано за ізотермами низькотемпературної (77 К) адсорбції – десорбції азоту (метод 2D-NLDFT-НS). Адсорбційні вимірювання виконано при 25 °С та постійному вмісті ВА (1 г/л) у водних розчинах. Дані з кінетики адсорбції розраховано моделями псевдо-першого і псевдо-другого порядку та внутрішньочасткової дифузії. Ізотерми адсорбції апроксимовано моделями Ленгмюра та Фрейндліха. Наукова новизна. Вперше досліджено адсорбцію 4-хлорфенолу (ХФ), барвника метиленового блакитного (МБ) та катіонів свинцю з водних розчинів (25 °С) новими адсорбентами. Встановлено, що адсорбційна рівновага досягається за 2–4 год залежно від адсорбату. Кінетика адсорбції підпорядковується рівнянню псевдо-другого порядку. Початкові швидкості збільшуються в ряду адсорбатів МБ < Pb(II) < ХФ і за величиною різняться у 49 разів. Швидкість адсорбції лімітується взаємодією адсорбатів з поверхневими адсорбційними центрами. Ізотерми адсорбції апроксимуються моделлю Ленгмюра краще ніж моделлю Фрейндліха. Ємності насичених шарів адсорбатів, які розраховано з моделі Ленгмюра, є найбільшими у адсорбента з нітрату антрациту, підвищуються в ряді Pb(II) < МБ < ХФ та становлять 1,80 ммоль/г, 2,34 ммоль/г та 4,90 ммоль/г, відповідно. Ступінь вилучення адсорбатів збільшується зі зменшенням їх концентрації у воді та досягає 99,7 % для ХФ та 90 % для МБ та катіонів Pb(II). Ефективність вилучення сполук адсорбентами за першую хвилину складає ≤ 4,6 % для МБ, ≤ 20,9 % для ≤ 4.6 % для Pb(II) та ≤ 50,7 % для ХФ. Отримані характеристики адсорбційної активності антрацитових адсорбентів ілюструють їх високу ефективність при очищенні води від екотоксикантів.
Посилання
Wei F., Zhang H., He X., Ma H., Dong S., Xie X. Synthesis of porous carbons from coal tar pitch for high-performance supercapacitors. New carbon materials. 2019. V. 34(2). P. 132–139. https://doi.org/10.1016/S1872-5805(19)60006-5
Javed H., Luong D. X., Lee C.-G., Zhang D., Tour J. M., Alvarez P. J. J. Efficient removal of bisphenol-A by ultrahigh surface area porous activated carbon derived from asphalt. Carbon. 2018. Vol. 140. P. 441–448. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.08.038
Hamyali H., Nosratinia F., Rashidi A., Ardjmand M. Anthracite coal-derived activated carbon as an effectiveness adsorbent for superior gas adsorption and CO2 / N2 and CO2 / CH4 selectivity: Experimental and DFT study. J. Environ. Chem. Eng. 2022. Vol. 10. Is.1. Article 107007. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.107007
Tiwari D., Bhunia H., Bajpai P. K. Adsorption of CO2 on KOH activated, N-enriched carbon derived from urea formaldehyde resin: kinetics, isotherm and thermodynamic studies. Appl. Surf. Sci., 2018. Vol. 439. P. 760–771. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.12.203
Gayathiri M., Pulingam T., Lee K. T., Sudesh K. Activated carbon from biomass waste precursors: Factors affecting production and adsorption mechanism. Chemosphere, 2022. Vol.294, Article 133764. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.133764
Seow Y. X., Tan Y. H., Mubarak N. M., Kansedo J., Khalid M., Ibrahim M. L., Ghasemi M. A review on biochar production from different biomass wastes by recent carbonization technologies and its sustainable applications. J. Environ. Chem. Eng. 2022. Vol. 10. Is.1. Article 107017. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.107017
Shi M., Xin Y., Chen X., Zou K., Jing W., Sun J., Chen Y., LiuY. Coal-derived porous activated carbon with ultrahigh specific surface area and excellent electrochemical performance for supercapacitors. J. Alloys and Compounds. 2021. Vol. 859. Article 157856. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157856
Liu Y., Qu X., Huang G., Xing B., Fan Y., Zhang C., Cao Y. Microporous carbon derived from anthracite as supercapacitor electrodes with commercial level mass loading. J. Energy Storage. 2021. Vol. 43. Article 103200. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103200
Ma W., Xiao R., Wang X., Lv X., ZhangW., Wang W., Li Y., Li M., Hou L., Gong Y., ZhangY., Chen C.-M. Chemical co-activated modified small mesoporous carbon derived from nature anthracite toward enhanced supercapacitive behaviors. J. Electroanalytical Chem. 2022. Vol. 917. Article 116417. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2022.116417
Lyubchik S. B., Galushko L. Ya., Rego A. M., Tamarkina Yu. V., Galushko O. L., Fonseca I. M. Intercalation as an approach to the activated carbon preparation from Ukrainian anthracites. J. Phys. Chem. Solids. 2004. Vol. 65. No. 2–3. P. 127–132. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2003.10.006
Гаврилюк Н. А., Шевчук О. М., Приходько Г. П., Картель М. Т. Оксид графену: одержання. властивості. застосування (огляд). Хімія, фізика та технологія поверхні. 2015. Т. 6. № 4. C. 413–448. https://doi.org/10.15407/hftp06.04.413
Lee S.-Yi., Mahajan R.L. A facile method for coal to graphene oxide and its application to a biosensor. Carbon<. 2021. Vol. 181. P. 408–420. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.05.007
Сапунов В. А., Рудаков Е. С., Гагаринова С. И., Кучеренко В. А. Окисление угля парами азотной кислоты. Укр. хим. ж. 1986. Т. 52. № 8. С. 832–835.
Кучеренко В. О., Тамаркіна Ю. В., Попов А. Ф. Лужна активація з тепловим ударом – новий спосіб отримання нанопоруватих вуглецевих адсорбентів. Доп. НАН України. 2016. № 12, С. 74–81. https://doi.org/10.15407/dopovidi2016.12.074
Jagiello J. Olivier J. P. 2D-NLDFT adsorption models for carbon slit-shaped pores with surface energetical heterogeneity and geometrical corrugation. Carbon. 2013. Vol. 55. P. 70–80. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.12.011
Thommes M., Kaneko K., Neimark A. V., Olivier J. P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol. J., Sing K. S. W. Physisorption of gases. with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. 2015. Vol. 87. Is. 9–10. P. 1051–1069. https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117
Garba Z. N., Zhou W., Lawan I., Xiao W., Zhang M., Wang L., Chen L., Yuan Z. An overview of chlorophenols as contaminants and their removal from wastewater by adsorption: A review. J. Environ. Manage. 2019. Vol. 241.P. 59–75. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.04.004
Ghorbani M., Seyedin O., Aghamohammadhassan M. Adsorptive removal of lead (II) ion from water and wastewater media using carbon-based nanomaterials as unique sorbents: A review. J. Environ. Manage. 2020. Vol. 254. Article 109814. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.109814
Oladoye P. O., Ajiboye T. O., Omotola E. O., Oyewola O. J. Methylene blue dye: Toxicity and potential elimination technology from wastewater. Results in Engineering. 2022. Vol. 16. Article 100678. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2022.100678
Revellame E. D., Fortela D. L., Sharp W., Zappi M. E. Adsorption kinetic modeling using pseudo-first order and pseudo-second order rate laws: A review. Cleaner Eng. Technol. 2020. Vol. 1. Article 100032. https://doi.org/10.1016/j.clet.2020.100032
Wang J., Guo X. Rethinking of the intraparticle diffusion adsorption kinetics model: Interpretation. solving methods and applications. Chemosphere. 2022. Vol. 309. Article 136732. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.136732
Al-Ghouti M. A., Da’ana D. A. Guidelines for the use and interpretation of adsorption isotherm models: A review. J. Hazardous Materials. 2020. Vol. 393. Article 122383. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.122383
Chalil Oglou R, Gokce Y., Yagmur R., Aktas Z. Production of demineralised high quality hierarchical activated carbon from lignite and determination of adsorption performance using methylene blue and p-nitrophenol: The role of surface functionality, accessible pore size and surface area. J. Environ. Manage. 2023. Vol.345. Article 118812. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118812
Chen C., Geng X., Huang W.А. Adsorption of 4-chlorophenol and aniline by nanosized activated carbons. Chem. Eng. J. 2017. Vol. 327. P. 941–952. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.06.183
Jasri K., Abdulhameed A. S., Jawad A. H., Al Othman Z. A., Yousef T. A., Al Duaij O. K. Mesoporous activated carbon produced from mixed wastes of oil palm frond and palm kernel shell using microwave radiation-assisted K2CO3 activation for methylene blue dye removal: Optimization by response surface methodology. Diamond and Related Materials. 2023. Vol. 131. Article 109581. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.109581
Wang Q., Mu J. Baking-inspired pore regulation strategy towards a hierarchically porous carbon for ultra-high efficiency cationic/anionic dyes adsorption. Bioresource Technology. 2024. Vol.395. 2024. Article 130324. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.130324
Liu G., Qiu L., Deng H., WangJ., Yao L., Deng L. Ultrahigh surface area carbon nanosheets derived from lotus leaf with super capacities for capacitive deionization and dye adsorption. Appl. Surf. Sci. 2020. Vol. 524. Article 146485. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.146485
Wu F.-C., Wu P.-H., Tseng R.-L., Juang R.-S. Preparation of novel activated carbons from H2SO4-рretreated corncob hulls with KOH activation for quick adsorption of dye and 4-chlorophenol. J. Environ. Manage. 2011. Vol. 92. Is. 3. P. 708-713. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2010.10.003
