Хімія, фізика та технологія поверхні, 2025, 16 (1), 28-38.

Нанопористі вуглецеві адсорбенти для очищення води від фенольних сполук



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp16.01.028

V. О. Sabierova, Yu. V. Таmarkina, A. V. Redko, V. O. Kucherenko

Анотація


Мета роботи – порівняння адсорбції фенолу (Ф) та 4-хлорфенолу (ХФ) зразками активованого вугілля (АВ) з викопного вугілля та напівпродуктів коксування (ПК).

Зразки АВ з питомою поверхнею SDFT = 1009–1547 м2/г отримано лужною активацією при співвідношенні KОН/субстрат – 1 г/г (800 °С, 1 год). Характеристики пористості АВ розраховано за ізотермами (–196 °С) адсорбції – десорбції азоту. Адсорбційну ємність за Ф (АФ) та ХФ (АХФ) виміряно при 25 °С, вмісту АВ – 1 г/л та концентрації 5 ммоль/л. Також визначено питомі адсорбцйні ємності (АФ(S), АХФ(S))та початкові швидкості адсорбції Ф (VФ) і ХФ (VХФ) за перші 5 хв адсорбції. Встановлено, що тип вугілля та ПК визначає пористість та адсорбційну активність АВ. Кінетика адсорбції підпорядковується моделі псевдо-другого порядку (R2 ³ 0.996). Максимальні ємності складають АФ(m) = 1.52–3.11 ммоль/г та АХФ(m) = 1.63–3.87 ммоль/г, початкові швидкості – VФ = 0.096–0.258 ммоль/г·хв та VХФ = 0.107–0.607 ммоль/г·хв. Зі збільшенням SDFT значення АФ(m) та АХФ(m) лінійно зростають. Знайдено, що питомі ємності, які пропорційні поверхневій концентрації адсорбційних центрів (АЦ), лінійно знижуються зі зростанням SDFT для АВ з вугілля. Для АВ з ПК виявлено зворотну тенденцію. Усі зразки адсорбують ХФ краще, ніж фенол з дотриманням пропорційності АХФ(S) = 1.455·АФ(S)–0.456 (R2 = 0.944). Виявлено, що зростання концентрації АЦ збільшує питому швидкість адсорбції ХФ. Протилежний ефект спостерігається для фенолу – зростання концентрації АЦ знижує швидкість, що імовірно обумовлено зниженням енергії взаємодії Ф з АЦ. Показано, що АВ з низькометаморфізованого вугілля є найбільш активними адсорбентами по відношенню до фенольних сполук. ПК також покращують адсорбційні властивості, що робить їх використання перспективним для отримання АВ.


Ключові слова


вугілля; напівпродукт коксування; активование вугілля; адсорбція; фенол; 4-хлорфенол

Посилання


1. Xing B.-L., Go H., Chen L.-J., Chen Z.-F., Zhang C.-X., Huang G.-X., Yu J.-L. Lignite-derived high surface area mesoporous activated carbons for electrochemical capacitors. Fuel Process. Technol. 2015. 138: 734. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2015.07.017

2. Zhao X.-Y., Huang S.-S., Cao J.-P., Xi S.-C., Wei X.-Y., Kamamoto J., Takarada T. KOH activation of a HyperCoal to develop activated carbons for electric double-layer capacitors. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2014. 105: 116. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2013.10.010

3. Chesnokov N.V., Mikova N.M., Ivanov I.P., Kuznetsov B.N. Synthesis of carbon sorbents by chemical modification of fossil coals and plant biomass. SibFU Journal (Chemistry). 2014. 7(1): 42.

4. Chen W., Luo M., Yang K., Zhou X. Microwave-assisted KOH activation from lignin into hierarchically porous carbon with super high specific surface area by utilizing the dual roles of inorganic salts: Microwave absorber and porogen. Microporous Mesoporous Mater. 2020. 300: 110. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2020.110178

5. Ganesan A., Shaijumon M.M. Activated graphene-derived porous carbon with exceptional gas adsorption properties. Microporous Mesoporous Mater. 2016. 220: 21. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2015.08.021

6. 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 Mater. 2019. 34(2): 132. https://doi.org/10.1016/S1872-5805(19)60006-5

7. Javed H., Luong D.X., Lee C.-G., Zhang D., Tour J.M., Alvarez P.J.J. Efficient removal of bisphenol-A by ultra-high surface area porous activated carbon derived from asphalt. Carbon. 2018. 140: 441. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.08.038

8. 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. 439: 760. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.12.203

9. Tamarkina Yu.V., Anishchenko V.M., Red'ko A.M., Kucherenko V.O. Alkali activated coals. Microporous structure and capability to adsorb phenol compounds. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2022. 13(1): 111. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp13.01.111

10. Kucherenko V.A., Tamarkina Yu.V., Mysyk R.D. Properties of adsorbents, obtained by alkaline acyivation of long-flame coal with secondary coking products. Ughlekhymycheskyj Zhurnal. 2016. 6: 35. [in Russian].

11. Czaplicka M. Sources and transformations of chlorophenols in the natural environment. Sci. Total Environ. 2004. 322(1-3): 21. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2003.09.015

12. Ahmed M.J., Theydan S.K. Adsorption of p-chlorophenol onto microporous activated carbon from Albizia lebbeck seed pods by one-step microwave assisted activation. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2013. 100: 253. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2013.01.008

13. Chen C., Geng X., Huang W. Adsorption of 4-chlorophenol and aniline by nanosized activated carbons. Chem. Eng. J. 2017. 327: 941. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.06.183

14. Peng Y., Chen J., Lu S., Huang J., Zhang M., Buekens A., Yan J. Chlorophenols in municipal solid waste incineration: a review. Chem. Eng. J. 2016. 292: 398. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.01.102

15. Ding H., Li X., Wang J., Zhang X., Chen C. Adsorption of chlorophenols from aqueous solutions by pristine and surface functionalized single-walled carbon nanotubes. J. Environ. Sci. 2016. 43: 187. https://doi.org/10.1016/j.jes.2015.09.004

16. Kucherenko V.O., Tamko V.O., Shendrik T.G., Shevkoplias V.M. Thermolysis of long-flame coal with wastes of coke chemical plants: process and its producats. Voprosy Khimii Khim. Tekhnol. 2017. 4(111): 56. [in Ukrainian].

17. Jagiello J., Olivier J.P. 2D-NLDFT adsorption models for carbon slit-shaped pores with surface energetical heterogeneity and geometrical corrugation. Carbon. 2013. 55: 70. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.12.011

18. Wu J., Montes V., Virla L.D., Hill J.M. Impacts of amount of chemical agent and addition of steam for activation of petroleum coke with KOH or NaOH. Fuel Process. Technol. 2018. 181: 53. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2018.09.018

19. 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. 87(9-10): 1051. https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117

20. Lorenc-Grabowska E., Rutkowski P. High basicity adsorbents from solid residue of cellulose and synthetic polymer co-pyrolysis for phenol removal: kinetics and mechanism. Appl. Surf. Sci. 2014. 316: 435. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.08.024

21. Tamarkina Yu.V., Anishchenko V.M., Redko A.M., Kucherenko V.A. Adsorption of phenol by activated carbons based on fossil coals of various degrees of metamorphism. Solid Fuel Chem. 2021. 55(3): 133. https://doi.org/10.3103/S0361521921030101

22. Wu F.-C., Wu P.-H., Tseng R.-L., Juang R.-S. Preparation of novel activated carbons from H2SO4-pretreated corncob hulls with KOH activation for quick adsorption of dye and 4-chlorophenol. J. Environ. Manag. 2011. 92(3): 708. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2010.10.003

23. Ho Y., McKay G. Pseudo-second order model for sorption processes. Process Biochem. 1999. 34(5): 451. https://doi.org/10.1016/S0032-9592(98)00112-5




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp16.01.028

Copyright (©) 2025 V. О. Sabierova, Yu. V. Таmarkina, A. V. Redko, V. O. Kucherenko

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.