Антрацитові нанопористі матеріали, отримані азотнокислотним інтеркалюванням з наступною лужною активацією
The aim of the work is to determine the effect of nitric acid intercalation of anthracite on the porous structure and adsorption properties of activated carbons (ACs) obtained by alkaline activation.Intercalation was carried out by blowing anthracite with vapor-phase HNO3 (57 %) at 140 °C. Activatio...
Saved in:
| Date: | 2025 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2025
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/776 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| id |
oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-776 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2025-06-19T08:55:56Z |
| collection |
OJS |
| language |
English |
| topic |
антрацит інтеркалювання лужна активація активоване вугілля нанопористість адсорбція екотоксикант |
| spellingShingle |
антрацит інтеркалювання лужна активація активоване вугілля нанопористість адсорбція екотоксикант Kucherenko, V. O. Tamarkina, Yu. V. Sabierova, V. O. Nechitaylov, M. M. Антрацитові нанопористі матеріали, отримані азотнокислотним інтеркалюванням з наступною лужною активацією |
| topic_facet |
anthracite intercalation alkaline activation activated carbon nanoporosity adsorption ecotoxicant антрацит інтеркалювання лужна активація активоване вугілля нанопористість адсорбція екотоксикант |
| format |
Article |
| author |
Kucherenko, V. O. Tamarkina, Yu. V. Sabierova, V. O. Nechitaylov, M. M. |
| author_facet |
Kucherenko, V. O. Tamarkina, Yu. V. Sabierova, V. O. Nechitaylov, M. M. |
| author_sort |
Kucherenko, V. O. |
| title |
Антрацитові нанопористі матеріали, отримані азотнокислотним інтеркалюванням з наступною лужною активацією |
| title_short |
Антрацитові нанопористі матеріали, отримані азотнокислотним інтеркалюванням з наступною лужною активацією |
| title_full |
Антрацитові нанопористі матеріали, отримані азотнокислотним інтеркалюванням з наступною лужною активацією |
| title_fullStr |
Антрацитові нанопористі матеріали, отримані азотнокислотним інтеркалюванням з наступною лужною активацією |
| title_full_unstemmed |
Антрацитові нанопористі матеріали, отримані азотнокислотним інтеркалюванням з наступною лужною активацією |
| title_sort |
антрацитові нанопористі матеріали, отримані азотнокислотним інтеркалюванням з наступною лужною активацією |
| title_alt |
Anthracite nanoporous carbons obtained by nitric acid intercalation followed by alkaline activation |
| description |
The aim of the work is to determine the effect of nitric acid intercalation of anthracite on the porous structure and adsorption properties of activated carbons (ACs) obtained by alkaline activation.Intercalation was carried out by blowing anthracite with vapor-phase HNO3 (57 %) at 140 °C. Activation with the AC formation was performed by thermoprogrammed heating (4 deg/min) of an alkali (KOH) impregnated sample to 800 °C with isothermal holding for 1 h, cooling, washing from alkali and drying. Based on low-temperature nitrogen adsorption-desorption isotherms, the integral and differential dependences of the specific surface area (S) and pore volume (V) on pore average diameter were calculated by the 2D-NLDFT-HS method (SAIEUS program). The volumes and specific surface areas of ultramicropores, supermicropores and micropores were determined. The kinetics and isotherms of adsorption of Pb(II), 4-chlorophenol and methylene blue dye from aqueous media were measured (25 °С).Intercalation of HNO3 into anthracite transforms it into anthracite nitrate (AN) with the formation of oxygen functional groups and intra-framework ion pairs with cationic and cation-radical graphene fragments. The most intact graphene structure remains undestroyed for up to 30 min, and increasing the intercalation time results in AN oxydestruction with the formation of aroxyl radicals and products of deep oxidation up to CO and CO2. Thermal shock (800 °C) destroys the AN with the release of nitrogen dioxide and the formation of a thermolyzed material with S = 60 m2/g and the high content of structural oxygen (10.4 %). Exfoliation of the AN, similar to that of graphite nitrate, is not observed. Alkaline activation (800 °C) converts the AN into AC with a yield of 41.6 % and S ~ 2000 m2/g, which consists of 91 % of the micropore surface including 28 % of the ultramicropore surface. Activation of AN thermolyzed by thermal shock gives AС (S ~ 1500 m2/g) with a dominant portion (54.8 %) of the ultramicropore surface. Activation of the starting anthracite poorly develops the surface (S ? 318 м2/г). The adsorption kinetics was found to obey a pseudo-second-order equation, and the isotherms are better approximated by the Langmuir model. For each AC, the adsorption capacities increase in the order Pb(II) < dye < chlorophenol and differ by 2.3–3.6 times. The most active adsorbent is AC from anthracite nitrate, which shows the largest capacities for Pb(II) (1.80 mmol/g), dye (2.34 mmol/g) and chlorophenol (4.90 mmol/g). The increase in the specific surface area upon activation is accompanied by a proportional increase in the number of adsorption centers, but their surface concentration almost does not change. This is caused by the leveling action of KOH on the structure of ACs formed upon activation. The preliminary nitric acid intercalation is shown to increase significantly the specific surface area of the final AC (by 6.3 times) and its adsorption capacities for Pb(II) (by 7.5 times), chlorophenol (by 6.4 times), methylene blue (by 8.0 times). Thermal shock of anthracite nitrate results in a more inert carbon material, which forms AC with deteriorated (by 25–33 %) adsorption properties. The obtained anthracite carbons is concluded to be effective adsorbents for the purification of aqueous media from heavy metals, dyes and phenolic compounds. |
| publisher |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| publishDate |
2025 |
| url |
https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/776 |
| work_keys_str_mv |
AT kucherenkovo anthracitenanoporouscarbonsobtainedbynitricacidintercalationfollowedbyalkalineactivation AT tamarkinayuv anthracitenanoporouscarbonsobtainedbynitricacidintercalationfollowedbyalkalineactivation AT sabierovavo anthracitenanoporouscarbonsobtainedbynitricacidintercalationfollowedbyalkalineactivation AT nechitaylovmm anthracitenanoporouscarbonsobtainedbynitricacidintercalationfollowedbyalkalineactivation AT kucherenkovo antracitovínanoporistímateríaliotrimaníazotnokislotnimínterkalûvannâmznastupnoûlužnoûaktivacíêû AT tamarkinayuv antracitovínanoporistímateríaliotrimaníazotnokislotnimínterkalûvannâmznastupnoûlužnoûaktivacíêû AT sabierovavo antracitovínanoporistímateríaliotrimaníazotnokislotnimínterkalûvannâmznastupnoûlužnoûaktivacíêû AT nechitaylovmm antracitovínanoporistímateríaliotrimaníazotnokislotnimínterkalûvannâmznastupnoûlužnoûaktivacíêû |
| first_indexed |
2025-07-22T19:35:40Z |
| last_indexed |
2025-09-24T17:46:01Z |
| _version_ |
1844168319834259456 |
| spelling |
oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-7762025-06-19T08:55:56Z Anthracite nanoporous carbons obtained by nitric acid intercalation followed by alkaline activation Антрацитові нанопористі матеріали, отримані азотнокислотним інтеркалюванням з наступною лужною активацією Kucherenko, V. O. Tamarkina, Yu. V. Sabierova, V. O. Nechitaylov, M. M. anthracite intercalation alkaline activation activated carbon nanoporosity adsorption ecotoxicant антрацит інтеркалювання лужна активація активоване вугілля нанопористість адсорбція екотоксикант The aim of the work is to determine the effect of nitric acid intercalation of anthracite on the porous structure and adsorption properties of activated carbons (ACs) obtained by alkaline activation.Intercalation was carried out by blowing anthracite with vapor-phase HNO3 (57 %) at 140 °C. Activation with the AC formation was performed by thermoprogrammed heating (4 deg/min) of an alkali (KOH) impregnated sample to 800 °C with isothermal holding for 1 h, cooling, washing from alkali and drying. Based on low-temperature nitrogen adsorption-desorption isotherms, the integral and differential dependences of the specific surface area (S) and pore volume (V) on pore average diameter were calculated by the 2D-NLDFT-HS method (SAIEUS program). The volumes and specific surface areas of ultramicropores, supermicropores and micropores were determined. The kinetics and isotherms of adsorption of Pb(II), 4-chlorophenol and methylene blue dye from aqueous media were measured (25 °С).Intercalation of HNO3 into anthracite transforms it into anthracite nitrate (AN) with the formation of oxygen functional groups and intra-framework ion pairs with cationic and cation-radical graphene fragments. The most intact graphene structure remains undestroyed for up to 30 min, and increasing the intercalation time results in AN oxydestruction with the formation of aroxyl radicals and products of deep oxidation up to CO and CO2. Thermal shock (800 °C) destroys the AN with the release of nitrogen dioxide and the formation of a thermolyzed material with S = 60 m2/g and the high content of structural oxygen (10.4 %). Exfoliation of the AN, similar to that of graphite nitrate, is not observed. Alkaline activation (800 °C) converts the AN into AC with a yield of 41.6 % and S ~ 2000 m2/g, which consists of 91 % of the micropore surface including 28 % of the ultramicropore surface. Activation of AN thermolyzed by thermal shock gives AС (S ~ 1500 m2/g) with a dominant portion (54.8 %) of the ultramicropore surface. Activation of the starting anthracite poorly develops the surface (S ? 318 м2/г). The adsorption kinetics was found to obey a pseudo-second-order equation, and the isotherms are better approximated by the Langmuir model. For each AC, the adsorption capacities increase in the order Pb(II) < dye < chlorophenol and differ by 2.3–3.6 times. The most active adsorbent is AC from anthracite nitrate, which shows the largest capacities for Pb(II) (1.80 mmol/g), dye (2.34 mmol/g) and chlorophenol (4.90 mmol/g). The increase in the specific surface area upon activation is accompanied by a proportional increase in the number of adsorption centers, but their surface concentration almost does not change. This is caused by the leveling action of KOH on the structure of ACs formed upon activation. The preliminary nitric acid intercalation is shown to increase significantly the specific surface area of the final AC (by 6.3 times) and its adsorption capacities for Pb(II) (by 7.5 times), chlorophenol (by 6.4 times), methylene blue (by 8.0 times). Thermal shock of anthracite nitrate results in a more inert carbon material, which forms AC with deteriorated (by 25–33 %) adsorption properties. The obtained anthracite carbons is concluded to be effective adsorbents for the purification of aqueous media from heavy metals, dyes and phenolic compounds. Мета роботи – визначення впливу азотнокислотного інтеркалювання антрациту на пористу структуру та адсорбційні властивості активованого вугілля (АВ), отриманого лужною активацією.Інтеркалювання здійснювали продуванням антрациту парофазною HNO3 (57 %) при 140 °С. Активацію з утворенням АВ виконували термопрограмованим нагріванням (4 град/хв) імпрегнованого лугом (KOH) зразка до 800 °С з ізотермічною витримкою 1 год, охолодженням, відмивкою від лугу та сушінням. За низькотемпературними ізотермами адсорбції-десорбції азоту методом 2D-NLDFT-НS розраховано (програма SAIEUS) інтегральні та диференційні залежності питомої площі поверхні (S) та об’єму пор (V) від їхнього середнього діаметра. Визначено об’єми та питомі площі поверхні ультрамікропор, супермікропор та мікропор. Виміряно кінетику та ізотерми адсорбції катіонів Pb(II), 4-хлорфенолу та барвника метиленового блакитного з водних середовищ (25 °С).Інтеркалювання HNO3 в антрацит трансформує його в нітрат антрациту (НА) з утворенням кисневих функціональних груп та внутрішньокаркасних іонних пар з катіонними і катіон-радикальними графеновими фрагментами. Найбільш неушкоджена графенова структура зберігається до 30 хв, а збільшення часу інтеркалювання окиснює НА з утворенням ароксильних радикалів та продуктів глибокої оксидеструкції аж до СО і СО2. Тепловий удар (800 °С) руйнує НА з виділенням діоксиду азоту та утворенням термолізованого матеріалу з S = 60 м2/г та великим вмістом структурного кисню (10.4 %). Спучування НА, аналогічне спучуванню нітрату графіту, не спостерігається. Лужна активація (800 °С) перетворює нітрат антрацит на АВ з виходом 41.6 % та S ~ 2000 м2/г, яка на 91 % складається з поверхні мікропор, включаючи 28% поверхні ультрамікропор. Активація НА, термолізованого тепловим ударом, дає АВ (S ~ 1500 м2/г) з домінуючою часткою (54.8 %) поверхні ультрамікропор. Активація вихідного антрациту погано розвиває поверхню (S ? 318 м2/г).Встановлено, що кінетика адсорбції підпорядковується рівнянню псевдо-другого порядку, а ізотерми краще апроксимуються моделлю Ленгмюра. Для кожного АВ адсорбційні ємності зростають в ряду Pb(II) < барвник < хлорфенол і різняться у 2.3–3.6 рази. Найактивнішим адсорбентом є АВ з нітрату антрациту, який показує найбільші ємності за Pb(II) (1.80 ммоль/г), барвником (2.34 ммоль/г) та хлорфенолом (4.90 ммоль/г). Збільшення питомої поверхні при активації супроводжується пропорційним зростанням числа адсорбційних центрів, але їхня поверхнева концентрація майже не змінюється. Це викликано нівелюючою дією KОН на структуру АВ, яке утворюється при активації.Показано, що попереднє азотнокислотне інтеркалювання значно збільшує питому площу поверхні кінцевого АВ (в 6.3 рази) та його адсорбційні ємності за Pb(II) (у 7.5 рази), хлорфенолом (у 6.4 рази), метиленовим блакитним (у 8.0 разів). Тепловий удар нітрату антрациту формує більш інертний вуглецевий матеріал, який утворює АВ з погіршеними (на 25–33 %) адсорбційними властивостями. Зроблено висновок, що отримане антрацитове АВ є ефективним адсорбентом для очищення водних середовищ від катіонів важких металів, барвників та фенольних сполук. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2025-06-01 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/776 10.15407/hftp16.02.238 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 16 No. 2 (2025): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 238-252 Химия, физика и технология поверхности; Том 16 № 2 (2025): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 238-252 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 16 № 2 (2025): Хімія, фізика та технологія поверхні; 238-252 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp16.02 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/776/794 Copyright (c) 2025 V. O. Kucherenko, Yu. V. Tamarkina, V. O. Sabierova, M. M. Nechitaylov |