Активоване лугом викопне вугілля. Мікропориста структура та здатність адсорбувати фенольні сполуки
The aim of the work is to compare the microporous structure characteristics of activated carbons (ACs) prepared from coals of different coals rank (CR) by alkaline activation (RKOH = 1 g/g, 800 °C) and to determine the ACs capability to adsorb phenol and 4-chlorophenol from aqueous solutions.Startin...
Gespeichert in:
| Datum: | 2022 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2022
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/616 |
| 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_ | 1856543934996545536 |
|---|---|
| author | Таmarkina, Yu. V. Anishchenko, V. M. Red'ko, A. M. Kucherenko, V. O. |
| author_facet | Таmarkina, Yu. V. Anishchenko, V. M. Red'ko, A. M. Kucherenko, V. O. |
| author_sort | Таmarkina, Yu. V. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-06-29T08:47:30Z |
| description | The aim of the work is to compare the microporous structure characteristics of activated carbons (ACs) prepared from coals of different coals rank (CR) by alkaline activation (RKOH = 1 g/g, 800 °C) and to determine the ACs capability to adsorb phenol and 4-chlorophenol from aqueous solutions.Starting materials are coals with increasing carbon content (Cdaf = 80.0–95.6 %) selected as a CR criterion. ACs were obtained in argon in three stages: 1) thermoprogrammed heating (4 grad/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, integral and differential dependences of the specific surface area S (m2/g) and pore volume V (cm3/g) on the average pore diameter (D, nm) were calculated. They were used to define volumes of ultramicropores (Vumi), supermicropores (Vsmi) and micropores (Vmi). The total pore volume Vt was calculated from the nitrogen amount adsorbed at a relative pressure p/p0 ~ 1.0. The S values of ultramicropores (Sumi), supermicropores (Ssmi) and micropores (Smi) were similarly determined.The volumes and specific surfaces of different categories of pores were found to decrease with CR increase: volume Vt – from 0.59 to 0.23 cm3/g; Vmi – from 0.51 to 0.17 cm3/g; the ultramicropores volume – from 0.31 cm3/g to zero in anthracite AC. The supermicropores volume is almost independent on CR and varies in the wide range Vsmi = 0.15–0.22 cm3/h. The specific surface area is the maximum (S = 1547 m2/g) in AC from the coal of the lowest CR and decreases with coal metamorphism up to 322 m2/g. The micropores surfaces make dominant contributions to the S values: its portion is 94.7–99.4 %. For all ACs, the adsorption of phenol (Ph) and 4-chlorophenol (CPh) from aqueous solutions at 25 °C was studied. Adsorption kinetics and isotherms are best described by the pseudo-second order model and the Langmuir model (R2 ? 0.998). With increasing CR, the maximum adsorption capacities decrease from 3.113 to 1.498 mmol/g (Ph) and from 3.9 to 2.1 mmol/g (CPh), that is approximately ~2 times when the specific surface area decreases by ~5 times. The Ph and CPh specific capacities, characterizing the adsorption capacity of 1 m2 of surface, change little at Cdaf?86 %, but markedly increase (2.3–2.5 times) for anthracite AСs. The Ph and CPh capacitances were determined to increase linearly (R2 ? 0.966) with increasing ACs specific surface area. Similar dependences were found on the Sumi and Smi parameters. The phenols were concluded to be equally adsorbed on the surface of pores of any size. A general trend was found for ACs from hard coals and anthracite: an increase in CR reduces the ACs microporosity and surface, decreases Ph and CPh capacities but increases specific capacities, i.e. concentrations of surface adsorption centers. The Ph and CPh adsorption was accepted to include the interaction of ?-electrons of phenolic rings and ?-electrons of graphene layers in ACs, the formation of complexes with surface groups and forming hydrogen bonds with OH-groups. Their contributions depend on adsorbate nature and change with the growth of fossil coals CR. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:34:34Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-616 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-17T12:08:23Z |
| publishDate | 2022 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-6162022-06-29T08:47:30Z Alkali activated coals. Microporous structure and capability to adsorb phenol compounds Активоване лугом викопне вугілля. Мікропориста структура та здатність адсорбувати фенольні сполуки Таmarkina, Yu. V. Anishchenko, V. M. Red'ko, A. M. Kucherenko, V. O. coal alkali activation activated carbon phenol and 4-chlorophenol adsotption capacity вугілля лужна активація активоване вугілля адсорбційна ємність за фенолом та 4-хлорфенолом The aim of the work is to compare the microporous structure characteristics of activated carbons (ACs) prepared from coals of different coals rank (CR) by alkaline activation (RKOH = 1 g/g, 800 °C) and to determine the ACs capability to adsorb phenol and 4-chlorophenol from aqueous solutions.Starting materials are coals with increasing carbon content (Cdaf = 80.0–95.6 %) selected as a CR criterion. ACs were obtained in argon in three stages: 1) thermoprogrammed heating (4 grad/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, integral and differential dependences of the specific surface area S (m2/g) and pore volume V (cm3/g) on the average pore diameter (D, nm) were calculated. They were used to define volumes of ultramicropores (Vumi), supermicropores (Vsmi) and micropores (Vmi). The total pore volume Vt was calculated from the nitrogen amount adsorbed at a relative pressure p/p0 ~ 1.0. The S values of ultramicropores (Sumi), supermicropores (Ssmi) and micropores (Smi) were similarly determined.The volumes and specific surfaces of different categories of pores were found to decrease with CR increase: volume Vt – from 0.59 to 0.23 cm3/g; Vmi – from 0.51 to 0.17 cm3/g; the ultramicropores volume – from 0.31 cm3/g to zero in anthracite AC. The supermicropores volume is almost independent on CR and varies in the wide range Vsmi = 0.15–0.22 cm3/h. The specific surface area is the maximum (S = 1547 m2/g) in AC from the coal of the lowest CR and decreases with coal metamorphism up to 322 m2/g. The micropores surfaces make dominant contributions to the S values: its portion is 94.7–99.4 %. For all ACs, the adsorption of phenol (Ph) and 4-chlorophenol (CPh) from aqueous solutions at 25 °C was studied. Adsorption kinetics and isotherms are best described by the pseudo-second order model and the Langmuir model (R2 ? 0.998). With increasing CR, the maximum adsorption capacities decrease from 3.113 to 1.498 mmol/g (Ph) and from 3.9 to 2.1 mmol/g (CPh), that is approximately ~2 times when the specific surface area decreases by ~5 times. The Ph and CPh specific capacities, characterizing the adsorption capacity of 1 m2 of surface, change little at Cdaf?86 %, but markedly increase (2.3–2.5 times) for anthracite AСs. The Ph and CPh capacitances were determined to increase linearly (R2 ? 0.966) with increasing ACs specific surface area. Similar dependences were found on the Sumi and Smi parameters. The phenols were concluded to be equally adsorbed on the surface of pores of any size. A general trend was found for ACs from hard coals and anthracite: an increase in CR reduces the ACs microporosity and surface, decreases Ph and CPh capacities but increases specific capacities, i.e. concentrations of surface adsorption centers. The Ph and CPh adsorption was accepted to include the interaction of ?-electrons of phenolic rings and ?-electrons of graphene layers in ACs, the formation of complexes with surface groups and forming hydrogen bonds with OH-groups. Their contributions depend on adsorbate nature and change with the growth of fossil coals CR. Мета роботи – порівняти характеристики мікропористої структури активованого вугілля (АВ), отриманого з вугілля різного ступеня метаморфізму (СМ) при лужній активації (RКОН = 1 г/г, 800 °С) та визначити здатність АВ адсорбувати фенол і 4-хлорфенол з водних розчинів.Вихідні речовини – зразки вугілля зі зростаючим вмістом карбону (Cdaf = 80.40–95.6 %), який обрано критерієм 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. За низькотемпературними (77 K) ізотермами адсорбції-десорбції азоту методом 2D-NLDFT-НS розраховано (програма SAIEUS) інтегральні та диференційні залежності питомої площі поверхні S (м2/г) та об’єму пор V (см3/г) від середнього діаметра пор (D, нм). З них визначено об’єми ультрамікропор (Vumi), супермікропор (Vsmi) та мікропор (Vmi). Загальний об’єм пор Vt обчислений за кількістю азоту, адсорбованого при відносному тиску p/p0 ~ 1.0. Аналогічно визначено питомі поверхні ультрамікропор (Sumi), супермікропор (Ssmi) та мікропор (Smi).Встановлено, що об’єми і питомі поверхні різних категорій пор знижуються зі зростанням СМ вихідного вугілля: об’єм Vt – з 0.59 до 0.23 см3/г; об’єм Vmi – з 0.51 до 0.17 см3/г; об’єм ультрамікропор Vumi – з 0.31 см3/г до нуля у антрацитового АВ. Об’єм супермікропор майже не залежить від СМ та варіюється в широкому інтервалі Vsmi = 0.15–0.22 см3/г. Питома площа поверхні є максимальною (S = 1547 м2/г) у АВ з вугілля найнижчого СМ та зменшується в ряду метаморфізму до 322 м2/г. Домінуючий внесок в величину S має поверхня мікропор: її частка становить 94.7–99.4 %. Для усіх АВ досліджено адсорбцію фенолу (Ф) та 4-хлорфенолу (ХФ) з водних розчинів при 25 °С. Кінетика та ізотерми адсорбції найкраще описуються моделлю псевдо-другoго порядку та моделлю Ленгмюра (R2 ? 0.998). З ростом CМ знижуються максимальні адсорбційні ємності за Ф (від 3.113 до 1.498 ммоль/г) та ХФ (від 3.872 до 2.053 ммоль/г), тобто приблизно в ~2 рази при зменшенні питомої поверхні в ~5 разів. Питомі ємності за Ф та ХФ, які характеризують адсорбційну здатність 1 м2 поверхні, мало змінюються при Cdaf ? 86 %, але помітно збільшуються (в 2.3–2.5 рази) для антрацитових АВ. Визначено, що ємності за Ф та ХФ лінійно (R2 ? 0.966) зростають з підвищенням питомої поверхні АВ. Аналогічні залежності встановлено від параметрів Sumi та Smi. Зроблено висновок, що феноли однаково адсорбуються на поверхні пор будь-якого розміру. Для АВ з кам’яного вугілля і антрацитів простежується загальна закономірність з ростом СМ – зниження мікропористості і питомої поверхні, зменшення ємностей за фенольними сполуками, але збільшення питомих ємностей, які пропорційні концентрації поверхневих адсорбційних центрів. Прийнято, що адсорбція Ф або ХФ включає взаємодію ?-електронів фенольного кільця і ?-електронів графенового шару в АВ, формування комплексів з поверхневими групами та утворення водневих зв’язків ОН-груп. Їхній внесок залежить від природи адсорбата та змінюється з ростом СМ викопного вугілля. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2022-03-01 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/616 10.15407/hftp13.01.111 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 13 No. 1 (2022): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 111-124 Химия, физика и технология поверхности; Том 13 № 1 (2022): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 111-124 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 13 № 1 (2022): Хімія, фізика та технологія поверхні; 111-124 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp13.01 uk https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/616/625 Copyright (c) 2022 Yu. V. Таmarkina, V. M. Anishchenko, A. M. Red'ko, V. O. Kucherenko |
| spellingShingle | вугілля лужна активація активоване вугілля адсорбційна ємність за фенолом та 4-хлорфенолом Таmarkina, Yu. V. Anishchenko, V. M. Red'ko, A. M. Kucherenko, V. O. Активоване лугом викопне вугілля. Мікропориста структура та здатність адсорбувати фенольні сполуки |
| title | Активоване лугом викопне вугілля. Мікропориста структура та здатність адсорбувати фенольні сполуки |
| title_alt | Alkali activated coals. Microporous structure and capability to adsorb phenol compounds |
| title_full | Активоване лугом викопне вугілля. Мікропориста структура та здатність адсорбувати фенольні сполуки |
| title_fullStr | Активоване лугом викопне вугілля. Мікропориста структура та здатність адсорбувати фенольні сполуки |
| title_full_unstemmed | Активоване лугом викопне вугілля. Мікропориста структура та здатність адсорбувати фенольні сполуки |
| title_short | Активоване лугом викопне вугілля. Мікропориста структура та здатність адсорбувати фенольні сполуки |
| title_sort | активоване лугом викопне вугілля. мікропориста структура та здатність адсорбувати фенольні сполуки |
| topic | вугілля лужна активація активоване вугілля адсорбційна ємність за фенолом та 4-хлорфенолом |
| topic_facet | coal alkali activation activated carbon phenol and 4-chlorophenol adsotption capacity вугілля лужна активація активоване вугілля адсорбційна ємність за фенолом та 4-хлорфенолом |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/616 |
| work_keys_str_mv | AT tamarkinayuv alkaliactivatedcoalsmicroporousstructureandcapabilitytoadsorbphenolcompounds AT anishchenkovm alkaliactivatedcoalsmicroporousstructureandcapabilitytoadsorbphenolcompounds AT redkoam alkaliactivatedcoalsmicroporousstructureandcapabilitytoadsorbphenolcompounds AT kucherenkovo alkaliactivatedcoalsmicroporousstructureandcapabilitytoadsorbphenolcompounds AT tamarkinayuv aktivovanelugomvikopnevugíllâmíkroporistastrukturatazdatnístʹadsorbuvatifenolʹníspoluki AT anishchenkovm aktivovanelugomvikopnevugíllâmíkroporistastrukturatazdatnístʹadsorbuvatifenolʹníspoluki AT redkoam aktivovanelugomvikopnevugíllâmíkroporistastrukturatazdatnístʹadsorbuvatifenolʹníspoluki AT kucherenkovo aktivovanelugomvikopnevugíllâmíkroporistastrukturatazdatnístʹadsorbuvatifenolʹníspoluki |