Адсорбційні властивості викопного вугілля, активованого гідроксидом калію. Вплив ступеня метаморфізму
The aim of current work is to establish the effect of coal rank (CR) on the porous structure characteristics and adsorption properties of activated carbons (ACs) prepared by potassium hydroxide activation at the same KOH/coal ratio (1.0 g/g). Coals are samples with an increasing carbon content (Cdaf...
Gespeichert in:
| Datum: | 2020 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/539 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543917566066688 |
|---|---|
| author | Таmarkina, Yu. V. Anishchenko, V. M. Red’ko, A. M. Кucherenko, V. A. |
| author_facet | Таmarkina, Yu. V. Anishchenko, V. M. Red’ko, A. M. Кucherenko, V. A. |
| author_sort | Таmarkina, Yu. V. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-06-29T10:02:32Z |
| description | The aim of current work is to establish the effect of coal rank (CR) on the porous structure characteristics and adsorption properties of activated carbons (ACs) prepared by potassium hydroxide activation at the same KOH/coal ratio (1.0 g/g). Coals are samples with an increasing carbon content (Cdaf=70.4–95.6 %), which is selected as the CR criterion. ACs were obtained in argon in three stages: 1) thermoprogrammed heating (4 degree/min) to 800 °С; 2) isothermal exposure 1 h; 3) cooling, washing from alkali and drying. Based on low-temperature (77 K) nitrogen adsorption-desorption isotherms (Micromeritics ASAP 2020), characteristics of ACs pore structures were determined: total specific volume (Vt, cm3/g) and surface (S, m2/g) of adsorbing pores, total volume of meso- and macropores Vme+ma, volumes of micropores (Vmi) and micropores with diameter D ? 1 nm (V1nm). For all ACs, adsorption capacities for methylene blue (MB) and iodine at 25 °C were obtained. For ACs from brown and long-flame coals, the kinetics and isotherms of MB adsorption were studied. The kinetic curves were approximated by models of intraparticle diffusion, pseudo-first and pseudo-second orders. Adsorption isotherms were calculated by Langmuir, Freundlich, Toth and Redlich – Peterson models. With increasing Cdaf, the Vt and S values were found to vary extremely with maxima for ACs from coals with Сdaf = 80.0–86.4 %. The dominant contribution to the S value is made by the micropore surface Smi: its fraction Smi/S varies in the range of 94.7–99.4 %. The contribution of meso- and macropores surface is small (? 5.3 %), so that the adsorption properties of ACs are determined by their microporous structure. With an Cdaf increasing in the range of 70.4–95.6 %, the maximum adsorption capacity of MB (Am) increases from 197 to a maximum of 241 mg/g (AC from coal with Cdaf=81.0 %) and then decreases to 113 mg/g for anthracite. The iodine adsorption capacity (AI) changes according to a similar curve with a maximum, increases from 963 to 1175 mg/g, then decreases to 502 mg/g. The MB absorption rate was determined to be limited by diffusion in micropores. The adsorption kinetics is best described by the pseudo-first order model (k1 = 0.029–0.030 min–1, R2 ? 0.976); adsorption isotherms - by the Toth model (R2 ? 0.991). The use of other models gives significant (up to 86 %) deviations from experimental data. It was shown that the increase of ACs surface increases the Am and AI values but reduces the specific capacitances expressed in mg/m2 and proportional to the concentration of surface adsorption centers (SACs). A general pattern was found for ACs from hard coal and anthracite - an increase in CR reduces the porosity and surface of ACs, decreases MB and iodine capacities but increases specific capacities (i.e., concentration of SACs) when going to AC from anthracite. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:33:55Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-539 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-07-22T19:33:55Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-5392022-06-29T10:02:32Z Adsorption properties of coals activated with potassium hydroxide. Influence of coal rank Адсорбционные свойства ископаемых углей, активированных гидроксидом калия. Влияние степени метаморфизма Адсорбційні властивості викопного вугілля, активованого гідроксидом калію. Вплив ступеня метаморфізму Таmarkina, Yu. V. Anishchenko, V. M. Red’ko, A. M. Кucherenko, V. A. coal rank alkali activation activated carbon methylene blue and iodine adsorption capacity вугілля ступінь метаморфізму лужна активація активоване вугілля адсорбційна ємність за йодом і метиленовим блакитним уголь степень метаморфизма щелочная активация активированный уголь адсорбционная емкость по иоду и метиленовому голубому The aim of current work is to establish the effect of coal rank (CR) on the porous structure characteristics and adsorption properties of activated carbons (ACs) prepared by potassium hydroxide activation at the same KOH/coal ratio (1.0 g/g). Coals are samples with an increasing carbon content (Cdaf=70.4–95.6 %), which is selected as the CR criterion. ACs were obtained in argon in three stages: 1) thermoprogrammed heating (4 degree/min) to 800 °С; 2) isothermal exposure 1 h; 3) cooling, washing from alkali and drying. Based on low-temperature (77 K) nitrogen adsorption-desorption isotherms (Micromeritics ASAP 2020), characteristics of ACs pore structures were determined: total specific volume (Vt, cm3/g) and surface (S, m2/g) of adsorbing pores, total volume of meso- and macropores Vme+ma, volumes of micropores (Vmi) and micropores with diameter D ? 1 nm (V1nm). For all ACs, adsorption capacities for methylene blue (MB) and iodine at 25 °C were obtained. For ACs from brown and long-flame coals, the kinetics and isotherms of MB adsorption were studied. The kinetic curves were approximated by models of intraparticle diffusion, pseudo-first and pseudo-second orders. Adsorption isotherms were calculated by Langmuir, Freundlich, Toth and Redlich – Peterson models. With increasing Cdaf, the Vt and S values were found to vary extremely with maxima for ACs from coals with Сdaf = 80.0–86.4 %. The dominant contribution to the S value is made by the micropore surface Smi: its fraction Smi/S varies in the range of 94.7–99.4 %. The contribution of meso- and macropores surface is small (? 5.3 %), so that the adsorption properties of ACs are determined by their microporous structure. With an Cdaf increasing in the range of 70.4–95.6 %, the maximum adsorption capacity of MB (Am) increases from 197 to a maximum of 241 mg/g (AC from coal with Cdaf=81.0 %) and then decreases to 113 mg/g for anthracite. The iodine adsorption capacity (AI) changes according to a similar curve with a maximum, increases from 963 to 1175 mg/g, then decreases to 502 mg/g. The MB absorption rate was determined to be limited by diffusion in micropores. The adsorption kinetics is best described by the pseudo-first order model (k1 = 0.029–0.030 min–1, R2 ? 0.976); adsorption isotherms - by the Toth model (R2 ? 0.991). The use of other models gives significant (up to 86 %) deviations from experimental data. It was shown that the increase of ACs surface increases the Am and AI values but reduces the specific capacitances expressed in mg/m2 and proportional to the concentration of surface adsorption centers (SACs). A general pattern was found for ACs from hard coal and anthracite - an increase in CR reduces the porosity and surface of ACs, decreases MB and iodine capacities but increases specific capacities (i.e., concentration of SACs) when going to AC from anthracite. Цель работы – установить влияние степени метаморфизма (СМ) ископаемого угля на характеристики пористой структуры и адсорбционные свойства активированных углей (АВ), полученных активацией гидроксидом калия при одинаковом соотношении KОН/уголь (1.0 г/г). Угли – образцы с возрастающим содержанием углерода (Cdaf = 70.4–95.6 %), которое выбрано критерием СМ. АВ получали в аргоне в три стадии: 1) термопрограммируемое нагревание (4 град/мин) до 800 °С; 2) изотермическая выдержка 1 ч; 3) охлаждение, отмывка от щелочи и сушка. На основании низкотемпературных (77 К) изотерм адсорбции-десорбции азота (Micromeritics ASAP 2020) определены характеристики пористой структуры АВ: общий удельный объем (Vt, см3/г) и поверхность (S, м2/г) адсорбирующих пор, суммарный объем мезо- и макропор Vme+ma, объемы микропор (Vmi) и микропор с диаметром D ? 1 нм (V1nm). Для всех АВ получены адсорбционные емкости по метиленовому голубому (МБ) и иоду при 25 °С. Для АВ из бурого и длиннопламенного углей изучены кинетика и изотермы адсорбции МБ. Кинетические зависимости аппроксимированы моделями внутричастичной диффузии, псевдо-первого и псевдо-второго порядков. Изотермы адсорбции рассчитаны моделями Ленгмюра, Фрейндлиха, Тота и Редлиха–Петерсона. Установлено, что с ростом Cdaf величины Vt и S меняются экстремально с максимумами для АВ из углей с Сdaf = 80.0–86.4 %. Доминирующий вклад в величину S вносит поверхность микропор Smi: ее доля Smi/S варьируется в диапазоне 94.7–99.4 %. Вклад поверхности мезо- и макропор мал (? 5.3 %), так что адсорбционные свойства АВ определяются их микропористой структурой. С ростом Cdaf в диапазоне 70.4–95.6 % максимальная адсорбционная емкость по МБ (Аm) увеличивается от 197 до максимальной 241 мг/г (АВ из газового угля с Cdaf = 81.0 %) и снижается к антрацитам до 113 мг/г. По аналогичной кривой с максимумом изменяется адсорбционная емкость по иоду (АI): возрастает от 963 до 1175 мг/г, затем уменьшается до 502 мг/г. Определено, что скорость поглощения МБ лимитируется диффузией в микропорах. Кинетика адсорбции лучше всего описывается моделью псевдо-первого порядка (k1 = 0.029–0.030 мин–1, R2 ? 0.976); изотермы адсорбции – моделью Тота (R2 ? 0.991). Применение других моделей дает значительные (до 86 %) отклонения от экспериментальных данных. Показано, что увеличение поверхности АВ увеличивает значения Аm и АI, но снижает удельные емкости, выраженные в мг/м2 и пропорциональные концентрации поверхностных адсорбционных центров (АЦ). Для АВ из каменных углей и антрацитов найдена общая закономерность – увеличение СМ уменьшает пористость и поверхность АВ, снижает емкости по МГ и иоду, но увеличивает удельные емкости (то есть концентрации поверхностных АЦ) при переходе к АВ из антрацита. 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 (Cdaf=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 (Vt, см3/г) і поверхня (S, м2/г) адсорбуючих пор, сумарний об’єм мезо- і макропор Vme+ma, об’єми мікропор (Vmi) та мікропор з діаметром D ? 1 нм (V1nm). 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 Cdaf величини Vt та S змінюються екстремально з максимумами для АВ з вугілля з Сdaf = 80.0–86.4 %. Домінуючий внесок в величину S вносить поверхня мікропор Smi: її частка Smi/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 Cdaf в діапазоні 70.4–95.6 % максимальна адсорбційна ємність за МБ (Аm)збільшується від 197 до максимальної 241 мг/г (АВ з газового вугілля з Cdaf = 81.0 %) і знижується для антрацитів до 113 мг/г. За аналогічною кривою з максимумом змінюється адсорбційна ємність за йодом (АI): 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 Аm та АI, 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. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2020-05-27 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/539 10.15407/hftp11.02.175 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 11 No. 2 (2020): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 175-189 Химия, физика и технология поверхности; Том 11 № 2 (2020): Химия, физика и технология поверхности; 175-189 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 11 № 2 (2020): Хімія, фізика та технологія поверхні; 175-189 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp11.02 uk https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/539/542 Copyright (c) 2020 Yu. V. Таmarkina, V. M. Anishchenko, A. M. Red’ko, V. A. Кucherenko |
| spellingShingle | вугілля ступінь метаморфізму лужна активація активоване вугілля адсорбційна ємність за йодом і метиленовим блакитним Таmarkina, Yu. V. Anishchenko, V. M. Red’ko, A. M. Кucherenko, V. A. Адсорбційні властивості викопного вугілля, активованого гідроксидом калію. Вплив ступеня метаморфізму |
| title | Адсорбційні властивості викопного вугілля, активованого гідроксидом калію. Вплив ступеня метаморфізму |
| title_alt | Adsorption properties of coals activated with potassium hydroxide. Influence of coal rank Адсорбционные свойства ископаемых углей, активированных гидроксидом калия. Влияние степени метаморфизма |
| title_full | Адсорбційні властивості викопного вугілля, активованого гідроксидом калію. Вплив ступеня метаморфізму |
| title_fullStr | Адсорбційні властивості викопного вугілля, активованого гідроксидом калію. Вплив ступеня метаморфізму |
| title_full_unstemmed | Адсорбційні властивості викопного вугілля, активованого гідроксидом калію. Вплив ступеня метаморфізму |
| title_short | Адсорбційні властивості викопного вугілля, активованого гідроксидом калію. Вплив ступеня метаморфізму |
| title_sort | адсорбційні властивості викопного вугілля, активованого гідроксидом калію. вплив ступеня метаморфізму |
| topic | вугілля ступінь метаморфізму лужна активація активоване вугілля адсорбційна ємність за йодом і метиленовим блакитним |
| topic_facet | coal rank alkali activation activated carbon methylene blue and iodine adsorption capacity вугілля ступінь метаморфізму лужна активація активоване вугілля адсорбційна ємність за йодом і метиленовим блакитним уголь степень метаморфизма щелочная активация активированный уголь адсорбционная емкость по иоду и метиленовому голубому |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/539 |
| work_keys_str_mv | AT tamarkinayuv adsorptionpropertiesofcoalsactivatedwithpotassiumhydroxideinfluenceofcoalrank AT anishchenkovm adsorptionpropertiesofcoalsactivatedwithpotassiumhydroxideinfluenceofcoalrank AT redkoam adsorptionpropertiesofcoalsactivatedwithpotassiumhydroxideinfluenceofcoalrank AT kucherenkova adsorptionpropertiesofcoalsactivatedwithpotassiumhydroxideinfluenceofcoalrank AT tamarkinayuv adsorbcionnyesvojstvaiskopaemyhuglejaktivirovannyhgidroksidomkaliâvliâniestepenimetamorfizma AT anishchenkovm adsorbcionnyesvojstvaiskopaemyhuglejaktivirovannyhgidroksidomkaliâvliâniestepenimetamorfizma AT redkoam adsorbcionnyesvojstvaiskopaemyhuglejaktivirovannyhgidroksidomkaliâvliâniestepenimetamorfizma AT kucherenkova adsorbcionnyesvojstvaiskopaemyhuglejaktivirovannyhgidroksidomkaliâvliâniestepenimetamorfizma AT tamarkinayuv adsorbcíjnívlastivostívikopnogovugíllâaktivovanogogídroksidomkalíûvplivstupenâmetamorfízmu AT anishchenkovm adsorbcíjnívlastivostívikopnogovugíllâaktivovanogogídroksidomkalíûvplivstupenâmetamorfízmu AT redkoam adsorbcíjnívlastivostívikopnogovugíllâaktivovanogogídroksidomkalíûvplivstupenâmetamorfízmu AT kucherenkova adsorbcíjnívlastivostívikopnogovugíllâaktivovanogogídroksidomkalíûvplivstupenâmetamorfízmu |