ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Мета роботи – встановити вплив ступеня метаморфізму (СМ) викопного вугілля на характеристики поруватої структури та адсорбційні властивості активованого вугілля (АВ), отриманого активацією гідроксидом калію при однаковому співвідношенні KОН/вугілля (1.0 г/г). Вугілля – зразки зі зростаючим вмістом вуглецю (C^daf=70.4–95.6 %), який обрано за критерій СМ. АВ отримували в аргоні в три стадії: 1) термопрограмоване нагрівання (4 град/хв) до 800 °С; 2) ізотермічна витримка 1 год; 3) охолодження, відмивка від лугу та сушка. На основі низькотемпературних (77 К) ізотерм адсорбції-десорбції азоту (Micromeritics ASAP 2020) визначено характеристики поруватої структури АВ: загальний питомий об’єм (V_t, см³/г) і поверхня (S, м²/г) адсорбуючих пор, сумарний об’єм мезо- і макропор V_me+ma, об’єми мікропор (V_mi) та мікропор з діаметром D ≤ 1 нм (V_1nm). Для усіх АВ отримано адсорбційні ємності за метиленовим блакитним (МБ) та йодом при 25 °С. Для АВ з бурого та довгополум’яного вугілля вивчено кінетику та ізотерми адсорбції МБ. Кінетичні залежності апроксимовано моделями внутрішньочастинкової дифузії, псевдо-першого та псевдо-другого порядків. Ізотерми адсорбції розраховано моделями Ленгмюра, Фрейндліха, Тота та Редліха–Петерсона. Встановлено, що з ростом C^daf величини V_t та S змінюються екстремально з максимумами для АВ з вугілля з С^daf = 80.0–86.4 %. Домінуючий внесок в величину S вносить поверхня мікропор S_mi: її частка S_mi/S варіюється в діапазоні 94.7–99.4 %. Внесок поверхні мезо- і макропор є малим (≤ 5.3 %); таким чином, адсорбційні властивості АВ визначаються їхньою мікропоруватою структурою. Зі зростанням C^daf в діапазоні 70.4–95.6 % максимальна адсорбційна ємність за МБ (А_m)збільшується від 197 до максимальної 241 мг/г (АВ з газового вугілля з C^daf = 81.0 %) і знижується для антрацитів до 113 мг/г. За аналогічною кривою з максимумом змінюється адсорбційна ємність за йодом (А_I): збільшується від 963 до 1175 мг/г, потім зменшується до 502 мг/г. Визначено, що швидкість поглинання МБ лімітується дифузією в мікропорах. Кінетика адсорбції краще за все описується моделлю псевдо-першoго порядку (k₁=0.029–0.030 хв^–1, R² ≥ 0.976); ізотерми адсорбції – моделлю Тота (R² ≥ 0.991). Застосування інших моделей дає значні (до 86 %) відхилення від експериментальних даних. Показано, що збільшення поверхні АВ збільшує значення А_m та А_I, але знижує питомі ємності, виражені в мг/м², які пропорційні концентрації поверхневих адсорбційних центрів (АЦ). Для АВ з кам’яного вугілля та антрацитів знайдено загальну закономірність – збільшення СМ зменшує поруватість та поверхню АВ, знижує ємності за МБ та йодом, але збільшує питомі ємності (тобто концентрації поверхневих АЦ) при переході до АВ з антрациту.

1. Tascon J.M.D. Novel Carbon Adsorbents. (Amsterdam: Elsevier, 2012).

2. Bansal R.C., Goyal M. Activated carbon adsoption. (Tyler&Francis Group: Boca Raton, 2005). https://doi.org/10.1201/9781420028812

3. Xing B.-L., Guo H., Chen L.-J., Chen Z.-F., Zhang, C.-X., Huang G.-X., Xie W., 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

4. Yoshizawa N., Maruyama K., Yamada Y., Ishikawa E., Kobayashi M., Toda Y., Shiraishi M. XRD evaluation of KOH activation process and influence of coal rank. Fuel. 2002. 81(13): 1717. https://doi.org/10.1016/S0016-2361(02)00101-1

5. Mikova N.M., Chesnokov N.V., Kuznetsov B.N. Study of high porous carbons prepared by the alkaline activation of anthracites. Journal of Siberian Federal University. Chemistry. 2009. 2(1): 3.

6. Mochizuki T., Kubota M., Matsuda H., D'Elia Camacho L.F. Adsorption behaviors of ammonia and hydrogen sulfide on activated carbon prepared from petroleum coke by KOH chemical activation. Fuel Process. Technol. 2016. 144: 164. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2015.12.012

7. Wei L., Yushin G. Nanostructured activated carbons from natural precursors for electrical double layer capacitors. Nano Energy. 2012. 1(4): 552. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.05.002

8. Tiwari D., Bhunia H., Bajpai P.K. Development of chemically activated N-enriched carbon adsorbents from urea-formaldehyde resin for CO2 adsorption: Kinetics, isotherm, and thermodynamics. J. Environ. Manage. 2018. 218: 579. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.04.088

9. Zhu Y., Murali S., Stoller M.D., Ganesh K.J., Cai W. Ferreira P.J., Pirkle A., Wallace R.M., Cychosz K.A., Thommes M., Su D., Stach E.A., Ruoff R.S. Carbon-based supercapacitors produced by activation of grapheme. Science. 2011. 332(6037): 1537. https://doi.org/10.1126/science.1200770

10. Marsh H., Yan D.S., O'Grady T.M., Wennerberg A. Formation of active carbons from cokes using potassium hydroxide. Carbon. 22(6): 603. https://doi.org/10.1016/0008-6223(84)90096-4

11. Rafatullah M., Sulaiman O., Hashim R., Ahmad A. Adsorption of methylene blue on low-cost adsorbents: A review. J. Hazar. Mater. 2010. 177(1-3): 70. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.12.047

12. Kucherenko V.A., Tamarkina Yu.V., Frolova I.B., Chernyschova M.I., Saberova V.A. Reorganization of black coals structure during the impregnation by potassium hydroxide. Uglekhimicheskii Jurnal. 2017. 19(1-2): 10. [in Russian].

13. Kucherenko V.A., Tamarkina Yu.V., Rayenko G.F. Potassium hydroxide influence on the strucrute and surface area development of brown coal under alkali activation. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2017. 8(2): 133. [in Russian]. https://doi.org/10.15407/hftp08.02.133

14. 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

15. Bedin K.C., Martins A.C., Cazetta A.L., Pezoti O., Almeida V.C. KOH-activated carbon prepared from sucrose spherical carbon: Adsorption equilibrium, kinetic and thermodynamic studies for Methylene Blue removal. Chem. Eng. J. 2016. 286: 476. https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.10.099

16. Hameed B.H., Din A.T.M., Ahmad A.L. Adsorption of methylene blue onto bamboo-based activated carbon: Kinetics and equilibrium studies. J. Hazard. Mater. 2007. 141(3): 819. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2006.07.049

17. Dural M.U., Cavas L., Papageorgiou S.K., Katsaros F.K. Methylene blue adsorption on activated carbon prepared from Posidonia oceanica (L.) dead leaves: Kinetics and equilibrium studies. Chem. Eng. J. 2011. 168(1): 77. https://doi.org/10.1016/j.cej.2010.12.038

18. Cazetta A.L., Vargas A.M.M., Nogami E.M., Kunita M.H., Guilherme M.R., Martins A.C., Silva T.L., Moraes J.C.G., Almeida V.C. NaOH-activated carbon of high surface area produced from coconut shell: Kinetics and equilibrium studies from the methylene blue adsorption. Chem. Eng. J. 2011. 174(1): 117. https://doi.org/10.1016/j.cej.2011.08.058

19. Foo K.Y., Hameed B.H. Adsorption characteristics of industrial solid waste derived activated carbon prepared by microwave heating for methylene blue. Fuel Process. Technol. 2012. 99: 103. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2012.01.031

20. Cherifi H., Fatiha B., Salah H. Kinetic studies on the adsorption of methylene blue onto vegetal fiber activated carbons. Appl. Surf. Sci. 2013. 282: 52. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.05.031

21. Karaçetin G., Sivrikaya S., Imamoğlu M. Adsorption of methylene blue from aqueous solutions by activated carbon prepared from hazelnut husk using zinc chloride. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2014. 110: 270. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2014.09.006

22. Han R., Zhang J., Han P., Wang Y., Zhao Z., Tang M. Study of equilibrium, kinetic and thermodynamic parameters about methylene blue adsorption onto natural zeolite. Chem. Eng. J. 2009. 145(3): 496. https://doi.org/10.1016/j.cej.2008.05.003

23. Royer B., Cardoso N.F., Lima E.C., Vaghetti J.C.P., Simon N.M., Calvete T., Veses R.C. Applications of Brazilian pine-fruit shell in natural and carbonized forms as adsorbents to removal of methylene blue from aqueous solutions - kinetic and equilibrium study. J. Hazard. Mater. 2009. 164(2-3): 1213. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.09.028

24. Arias M., López E., Nuñez A., Rubino D., Soto B., Barral M.T., Díaz-Fierros F. Adsorption of methylene blue by red mud, an oxide-rich byproduct of bauxite refining. In: Effect of mineral-organic-microorganism interactions on soil and freshwater environments. (Boston: Springer, 1999). https://doi.org/10.1007/978-1-4615-4683-2_39

25. Dotto G.L., Santos J.M.N., Rodrigues I.L., Rosa R., Pavan F.A., Lima E.C. Adsorption of methylene blue by ultrasonic surface modified chitin. J. Colloid Interface Sci. 2015. 446: 133. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2015.01.046

26. Jia P., Tan H., Liu K., Gao W. Removal of methylene blue from aqueous solution by bone char. Appl. Sci. 2018. 8(10): 1903. https://doi.org/10.3390/app8101903

27. Tamarkina Yu.V., Kucherenko V.A., Shendrik T.G. Alkaline activation of coals and carbon-base materials. Solid Fuel Chemistry. 2014. 48: 251. https://doi.org/10.3103/S0361521914040119

28. Mahadevi A.S., Sastry G.N. Cation−π Interaction: Its role and relevance in chemistry, biology, and material science. Chem. Rev. 2013. 113(3): 2100. https://doi.org/10.1021/cr300222d