ADSORPTION OF NITROGEN COMPOUNDS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.23
Issue: № 4 (130), 2023
Suggested:
06.02.2023
Accepted:
07.04.2023
Published:
17.04.2023
1097
6
XML
PDF

Abstract

Low sanitary safety of surface water courses is currently caused by discharges of insufficiently treated wastewater from chemical, metallurgical and opencast coal mines. One of the contaminants is nitrobenzene. The adsorption equilibrium of nitrobenzene on active carbons of brands AG-5, AG-OV-1, ABG is studied. The regularities and specifics of nitrobenzene adsorption process on active carbons (AC) are determined. Based on the Freundlich and Langmuir monomolecular adsorption theories, the generalized multilayer adsorption theory by S. Brunauer, P. Emmet and E. Teller and the Dubinin-Radushkevich volumetric micropore filling theory the basic adsorption parameters were determined. The sorbent with the best adsorption properties with respect to nitrobenzene – AG-5 was recommended based on the results of the research.

1. Введение

В настоящее время в ресурсориентированных регионах значительно выражены экологические проблемы. Снижение санитарной надежности водных поверхностных источников обусловлено сложными гидрологическими, гидрогеологическими и климато-географическими условиями, природными условиями формирования качества вод, низкой степенью реализации природоохранных мероприятий и неэффективностью применяемых методов очистки сточных вод. Кузбасс относится к крупнейшему территориально-производственному комплексу России, развитому индустриальному региону, на площадках которого размещено значительное количество разрезов, ведущих открытую разработку угля, химических, фармацевтических, металлургических предприятий с высокой степенью концентрации промышленных объектов в юго-западной и западной частях области, являющихся источником интенсивного загрязнения главного водотока области реки Томь техногенными химическими соединениями.

На территории Кемеровской области Кузбасса действует 96 угольных компаний. Добыча угля сопровождается регрессом и отчуждением поверхностного слоя не только на территориях разрезов, но и на прилегающих природных территориях. В биосфере нарушаются геохимические потоки, в том числе в биологический круговорот включаются значительные количества токсичных элементов. Существуют риски переноса контаминантов вместе с частицами пыли, сдуваемой ветрами с отвалов вскрышных пород. Велика вероятность химического загрязнения почв вследствие распространения водных и воздушных миграционных потоков в биосфере. В настоящее время на площади, подвергшейся деградации, в области приходится 90 тыс. га. За последнее столетие территория Кузбасса претерпела настолько сильное техногенное преобразование, что является антропогенным ландшафтом с поверхностными водотоками, относящимися преимущественно к 3 и 4 классам качества воды

,
. Например, нитробензол, применяемый как исходный продукт для получения взрывчатых веществ, в производстве анилина и других красителей, мыла, в парфюмерной промышленности в качестве пахучего вещества, обладающий сильным токсическим действием, относится к 3 классу опасности. Он токсичен, проникая через кожу, оказывает сильное действие на центральную нервную систему, нарушает обмен веществ, вызывает заболевания печени, окисляет гемоглобин в метгемоглобин.

Для восстановления и экологической реабилитации водного объекта, характеризующегося выраженным антропогенным загрязнением, необходимо применение инновационных и экономически целесообразных способов очистки стоков

,
,
,
.

Перспективным направлением в области очистки сточных вод является процесс адсорбции с использованием адсорбентов различной природы, в том числе углеродных материалов.

Целью исследований является установление закономерностей и особенностей процесса адсорбции нитробензола на АУ марок АГ-5, АГ-ОВ-1, АБГ для создания экологически безопасных адсорбционных технологий.

2. Методы и принципы исследования

Объектами исследования являлись: промышленные гранулированные АУ марок АГ-5 и АГ-ОВ-1 (с применением каменноугольного сырья, производитель НПО «Сорбент», г. Пермь) и дробленый АУ марки АБГ (буроугольный полукокс, НПО «Карбоника», Красноярск); модельные водные растворы нитробензола в интервале концентраций от 1.0·10-3 ммоль/дм3 до насыщенного раствора.

Определение содержания нитробензола проводилось по собственному поглощению раствора при λ = 269 нм и толщине слоя 1 см на спектрофотрометре СФ-2000. Диапазон определяемых концентраций нитробензола составил 1.0 – 15.0 мг/дм3, погрешность определения 10%. При концентрации выше 15.0 мг/дм3 проводилось необходимое разбавление, коэффициент разбавления подбирался для каждого раствора индивидуально.

Выполнено адсорбционное извлечение нитробензола из водных модельных растворов в статических условиях на АУ, отличающихся техническими характеристиками (таблица 1) и способом получения.

Адсорбция нитробензола из водных растворов на подготовленных образцах осуществлялась при периодическом перемешивании в течение 24 часов в статических изотермических условиях (20 ± 1 0С). Величину адсорбции (а, ммоль/г) для исследуемых сорбентов определенной массы (m, г) устанавливали по разности исходной (С0, ммоль/дм3) и равновесной (Ср, ммоль/дм3) концентраций нитробензола в водном растворе определенного объема (V, дм3):

img
(1)

По результатам эмпирического исследования получены изотермы адсорбции нитробензола (рисунок 1), форма которых характеризуются как классическая и согласно классификации Гильса изотермы отнесены к классу Ленгмюра (L).

Таблица 1 - Технические характеристики активных углей

Марка АУ

АГ-ОВ-1

АГ-5

АБГ

Производитель

НПО «Сорбент», г.Пермь

НПО «Сорбент», г.Пермь

НПО

«Карбоника Ф», г.Красноярск

Размер частиц,мм

1,5-2,8

1-1,5

0,1-3

Сырье

каменный уголь марки КС, лесохимическая и коксохимическая смола

каменный уголь марки Д, лесохимическая и коксохимическая смола

буроугольный полукокс

Объем пор, см3

Макро-

Мезо-

Микро-

 

0,58

0,22

0,21

 

0,529

0,058

0,269

 

0,84

0,25

0,03

Объем пор суммарный, см3

1,03

0,95

0,57

Плотность насыпная, г/см3

0,54

0,47

0,50

3. Основные результаты

Установлено, что адсорбционная способность исследуемых сорбентов по отношению к ниторобензолу уменьшается следующим образом: АГ-5>АГ-ОВ-1>АБГ (рис. 1). Для аналитического описания экспериментальных изотерм адсорбции использованы уравнения Ленгмюра, Фрейндлиха, Дубинина-Радушкевича и Брунауэра, Эммета и Теллера (рис. 2-5), рассчитаны теоретические изотермы адсорбции
,
,
,
. Определены основные адсорбционные параметры (таблица 2).
Адсорбционные изотермы нитробензола: 1 – АГ-5; 2 – АГ-ОВ-1; 3 – АБГ

Рисунок 1 - Адсорбционные изотермы нитробензола:

1 – АГ-5; 2 – АГ-ОВ-1; 3 – АБГ

Адсорбционные изотермы нитробензола: 1 - АГ-ОВ-1; 2 - АГ-5; 3 - АБГ

Рисунок 2 - Адсорбционные изотермы нитробензола:

1 - АГ-ОВ-1; 2 - АГ-5; 3 - АБГ

Примечание: уравнение Фрейндлиха

Адсорбционные изотермы нитробензола: 1 - АГ-ОВ-1; 2 - АГ-5; 3 - АБГ

Рисунок 3 - Адсорбционные изотермы нитробензола:

1 - АГ-ОВ-1; 2 - АГ-5; 3 - АБГ

Примечание: уравнение Ленгмюра

Адсорбционные изотермы нитробензола: 1 - АГ-ОВ-1; 2 - АГ-2; 3 - АБГ

Рисунок 4 - Адсорбционные изотермы нитробензола:

1 - АГ-ОВ-1; 2 - АГ-2; 3 - АБГ

Примечание: уравнение БЭТ

Адсорбционные изотермы нитробензола: 1 - АГ-ОВ-1; 2 - АГ-5; 3 - АБГ

Рисунок 5 - Адсорбционные изотермы нитробензола:

1 - АГ-ОВ-1; 2 - АГ-5; 3 - АБГ

Примечание: уравнение Дубинина-Радушкевича

Таблица 2 - Рассчитанные по уравнениям параметры адсорбции нитробензола

 Параметры

Марки АУ

АГ-5

АГ-ОВ-1

АБГ

Уравнение БЭТ

аm,ммоль/г

0,99

0,94

0,78

К

292,60

108,55

67,11

Q,кДж/ммоль

31,18

29,75

27,57

Уравнение Ленгмюра

аm,ммоль/г

1,15

1,14

0,71

К

14,12

4,98

3,43

-∆G, кДж/ммоль

33,41

31,05

30,11

Уравнение Фрейндлиха

1/n

0,33

0,99

0,77

b,ммоль/г

1,33

1,15

1,61

Уравнение Дубинина – Радушкевича

аm, ммоль/дм3

2,51

1,46

0,91

c, нм

2,30

1,46

1,53

Е, кДж/ммоль

6,64

10,45

9,96

W0, см3

0,256

0,149

0,093

4. Обсуждение

Рассчитанные изотермы с использованием уравнений Дубинина-Радушкевича, Ленгмюра и БЭТ имели хорошее согласование с экспериментально полученными, однако уравнение Фрейндлиха не применимо для описания процесса адсорбции нитробензола.

Величины энергии Гиббса адсорбции (-∆Gадс) сопоставимы с энергией водородной связи (8 – 40 кДж/моль), что помимо неспецифического дисперсионного взаимодействия также предполагает специфическую физическую адсорбцию для всех исследуемых сорбентов, вероятно за счет образования связей КФГ с заместителями ароматического кольца, и его π-электронной системой.

Рассчитанные значения характеристической энергии указывают на адсорбцию нитробензола в основном в микро- и мезо-порах адсорбентов. Учитывая, что максимальный эффективный диаметр молекулы нитробензола не более 0,72 нм, рассчитанный средний размер полуширины щелевидных пор заполненных молекулами нитробензола 1,4 – 2,3 нм, вероятно процесс сорбции нитробензола протекает в объеме доступных микропор. Величины предельного адсорбционного объема (W0) для всех исследуемых углей подтверждают протекание процесса адсорбции нитробензола по объемному механизму заполнения пор.

Определение степени извлечения нитробензола из водных растворов изучаемыми сорбентами показало, что все АУ в области низких концентраций полностью извлекают адсорбтив (табл. 3).

Таблица 3 - Степень извлечения нитробензола из водных растворов

промышленными АУ

Содержание нитробензола, мг/дм3

ε, %

АГ-ОВ-1

АГ-5

АБГ

0,5

100

100

100

1

98,93

98,38

96,12

5,2

98,71

97,87

94,62

10,5

98,35

96,08

89,73

52

98,01

96,62

83,55

105

97,89

95,33

79,63

525

97,17

94,81

70,42

1050

96,45

92,54

65,18

1500

95,21

90,48

61,54

5. Заключение

Установлено, что адсорбционная способность исследуемых сорбентов по отношению к нитробензолу уменьшается в ряду: АГ-5>АГ-ОВ-1>АБГ. Извлечение нитробензола активными углями характеризуется объёмным механизмом заполнения микропор. Кроме того, значения энергии Гиббса адсорбции указывают на наличие специфического взаимодействия нитробензола с поверхностью сорбентов, активными центрами которых могут выступать группы с повышенной электронной плотностью (например, хиноидные и карбонильные). Для создания экологически безопасной адсорбционной технологии очистки стоков химических, фармацевтических, металлургических, угольных и других предприятий может быть рекомендован к использованию активный уголь АГ-5.

Article metrics

Views:1097
Downloads:6
Views
Total:
Views:1097