Сорбционно-поверхностные характеристики модифицированного биоугля, полученного при карбонизации опилок сосны

Елена Викторовна Томина; Наталия Анатольевна  Ходосова; Анатолий Николаевич  Лукин

doi:10.17308/sorpchrom.2022.22/10600

Елена Викторовна Томина Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия, https://orcid.org/0000-0002-5222-0756
Наталия Анатольевна Ходосова Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия https://orcid.org/0000-0002-2809-717X
Анатолий Николаевич Лукин Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия

DOI: https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2022.22/10600

Ключевые слова: биоуголь, метиленовый синий, сорбция, щелочная активация, ИК-спектроскопия

Аннотация

Очистка сточных вод по-прежнему является актуальной задачей. Наиболее эффективным методом очистки остается сорбция токсичных компонентов. В этой связи перспективным направлением является поиск и синтез альтернативных и дешевых сорбентов. Одним из возможных путей решения проблемы является использование в качестве исходного материала для создания сорбентов отходов лесной, сельско-хозяйственной, деревоперерабатывающей промышленностей – опилок, стружки, коры и др. В работе показана возможность получения биоугля карбонизацией опилок сосны и последующей щелочной модификации полученного сорбента. Карбонизацию проводили в закрытом реакторе со скоростью нагрева 10°С/мин до температуры 500°С.

Активацию полученного биоугля осуществляли 2 М раствором гидроксида калия, в соотношении образец – модификатор 1:4 при температуре 21^оС. Фотоколориметрическим методом изучена кинетика сорбции органического красителя метиленового синего из водных растворов. Установлено, что адсорбционное равновесие достигается в течение 24 часов.

Методом ИК-спектроскопии установлен полифункциональный характер поверхности биоугля и наличие разнообразных функциональных групп: ОН, -СН₂, С=О, -СН₃. Мольные соотношения Н/С и О/С для биоугля составляют 0.193 и 0.026, после щелочной модификации 0.190 и 0.025 соответственно. Более низкое мольное соотношение свидетельствует о том, что активация способствует повышению гидрофобности поверхности с высоким сродством к органическому загрязнителю. По данным РЭМ щелочная активация приводит к уменьшению частиц в 4-6 раз. Степень извлечения метиленового синего достигает 66% на исходном биоугле и 96% – на активированном. Значительный вклад в процесс сорбции вносит электростатическое взаимодействие между адсорбентом и молекулами красителя. Получены изотермы сорбции, которые можно отнести к IV типу, характерному для мезопористых твердых тел. Щелочная активация приводит к возрастанию сорбции биоуглем метиленового синего в 1.5 раза.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Елена Викторовна Томина, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия,

д.х.н., зав. кафедрой химии, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия; доцент кафедры материаловедения и индустрии наносистем, Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия

Наталия Анатольевна Ходосова, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия

к.х.н., доцент кафедры химии, Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия

Анатолий Николаевич Лукин , Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия

к.ф.-м.н., доцент кафедры физики твердого тела и наноструктур, Воронежский государственный университет, Воронеж, Российская Федерация

Литература

Ahmad Z., Gao B., Mosa A., Yu H., Yin X., Bashir A., Ghoveisi H., Wang S. Removal of Cu(II), Cd(II) and Pb(II) ions from aqueous solutions by biochars derived from potassium-rich biomass. Journal of Cleaner Production. 2018; 180: 437–449. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.01.133

Li B., Yang L., Wang C.Q., Zhang Q.P., Liu Q.C., Li Y.D., Xiao R. Adsorption of Cd(II) from aqueous solutions by rape straw biochar derived from different modi-fication processes. Chemosphere. 2017; 175: 332-340. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.02.061

Yin G., Song X., Tao L., Sarkar B., Sarmah A.K., Zhang W., Lin Q., Xiao R., Liu Q., Wang H. Novel Fe-Mn binary ox-ide-biochar as an adsorbent for removing Cd(II) from aqueous solutions. Chemical Engineering Journal. 2020; 389: 124465. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124465

Fang G., Liu C., Wang Yu., Dionysiou D.D., Zhou D. Photogeneration of reactive oxygen species from biochar suspension for diethyl phthalate degradation. Applied Ca-talysis B: Environmental. 2017; 214: 34-45. https://doi.org/10.1016/J.APCATB.2017.05.036

Sahmoune M.N., Yeddou A.R. Poten-tial of sawdust materials for the removal of dyes and heavy metals: examination of iso-therms and kinetics. Desalination and Wa-ter Treatment. 2016; 57: 24019-24034. https://doi.org/10.1080/19443994.2015.1135824

Davoudi M., Alidadi H., Mehrabpour M., Dolatabadi M. Competitive removal of cationic dye (BR 46) and heavy metal (copper II) from synthetic textile effluent using adsorbent of Melia azedarach sawdust Desalination and Water Treatment. 2018; 118: 326-335. https://doi.org/10.5004/dwt.2018.22645

Denisova T.R., Mavrin G.V., Sippel I.Y. et al. The influence of ash tree sawdust acid treatment on the removal of crude oil from water surfaces. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016. Vol. 7.pp. 1742-1750.

Alzaydien Atef S. Adsorption of Methylene Blue from Aqueous Solution onto a Low-Cost Natural Jordanian Tripo-li.American Journal of Environmental Sci-ences. 2009; 5(3): 197-208.

Mukhina О.Yu., Piskunova I.A., Ly-senko А.А. Sorption of methylene blue dye by activated carbon fibers. Russian Journal of Applied Chemistry. 2003; 76(6): 896-900. (In Russ.)

Khokhotva О., Malykhina L., Lysht-va Z., Fedorok Н. Phosphorylated carbon sorbent for the removal of heavy metals from water. Bulletin of the National Tech-nical University «KhPI» Series New solu-tions in modern technologies. 2017; 7: 205-210. (In Russ.)

Shaikhiev I.G., Shaikhieva К.I. Use of coniferous tree components to remove pollutants from aquatic environments. 1. Pine. Bulletin of the Technological Univer-sity. 2016; 19(4): 127-139. (In Russ.)

Carrot P.J.M, Ribeiro Carrot M.M.L., Mourao P.A.M. Pore size control in activated carbons obtained by pyrolysis under different conditions of chemically impregnated cork. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2006; 73: 120-127.

Chesnokov N.V., Mikova N.M., Ivanov I.P., Kuznecov B.N. Production of carbon sorbents by chemical modification of fossil coals and plant biomass. J. оf Si-berian Federal University. Chemistry. 2014; 7: 42-53. (In Russ.)

Xie Ya., Wang L., Li H., Westholm L.J., Carvalho L., Thorin E., Yu Zh., Yu X., Skreiberg Ø. A critical review on produc-tion, modification and utilization of bio-char Journal of Analytical and Applied Py-rolysis. 2022; 161: 105405. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2021.105405

Zawadzki J. Infrared Spectroscopy in Surface Chemistry of Carbons Chemistry and Physics of Carbon. N.Y. Marcel Dek-ker. 1989; 21: 147-369.

Zhang X., Zhao B., Liu H., Zhao Yu., Li L. Effects of pyrolysis temperature on biochar’s characteristics and speciation and environmental risks of heavy metals in sewage sludge biochars. Environmental Technology & Innovation. 2022; 26: 102288. https://doi.org/10.1016/j.eti.2022.102288

Quan G., Fan Q., Cui L., Zimmer-man A.R., Wang H., Zhu Zh., Gao B., Wu v, Yan J. Simulated photocatalytic aging of biochar in soil ecosystem: Insight into or-ganic carbon release, surface physicochem-ical properties and cadmium sorption. En-vironmental Research Journal. 2020; 183: 109241. https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.109241

Wei J., Tu C., Yuan G., Bi D., Xiao L., Theng B.K.G., Wang H., Ok Y.S. Car-bon-coated montmorillonite nanocompo-site for the removal of chromium(VI) from aqueous solutions. Journal of Hazardous Ma-terials. 2019; 368: 541-549. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.01.080

Zhang H., Shao J., Zhang S., Zhang X., Chen H. Effect of phosphorus-modified biochars on immobilization of Cu (II), Cd (II), and As (V) in paddy soil. Journal of Hazardous Materials. 2019; 379: 121349. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121349

Puziy A.M., Poddubnaya O.I., Mar-tinez-Alonso A. et al. Synthetic carbons activated with phosphoric acid: I. Surface chemistry and ion binding properties. Car-bon. 2002; 40: 1493-1505. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(01)00317-7

Qambrani N.A., Rahman M.M., Won S., Shim S., Ra C. Biochar properties and eco-friendly applications for climate change mitigation, waste management, and wastewater treatment: A review. Renewa-ble and Sustainable Energy Reviews. 2017; 79: 255-273. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.057

Uchimiya M., Wartelle L.H., Lima I.M., Klasson K.T. Sorption of Deisopropy-latrazine on Broiler Litter Biochars. Jour-nal of Agricultural and Food Chemis-try.2010; 58: 12350-12356. https://doi.org/10.1021/jf102152q

Ahmad M., Lee S.S., Dou X., Mohan D., Sung J.K., Yang J.E., Ok Y.S. Effects of pyrolysis temperature on soybean stover- and peanut shell-derived biochar properties and TCE adsorption in water. Bioresource Technology. 2012; 118: 536-544. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.05.042

European Biochar Certificate – Guidelines for a Sustainable Production of Biochar. European Biochar Foundation (EBC), Arbaz, Switzerland 2012. http://www.european-biochar.org/en/download. 10.13140/RG.2.1.4658.7043

Standardized product definition and product testing guidelines for biochar that is used in soil Int. Biochar Initiat. 2015. 22. https://biochar-international.org/wp-con-tent/uploads/2018/04/IBI_Biochar_Standards_V2.1_Final.pdf

Hale S.E., Arp H.P.H., Kupry-ianchyk D., Cornelissen G. A synthesis of parameters related to the binding of neutral organic compounds to charcoal. Chemo-sphere. 2016; 144: 65-74. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2015.08.047

Essandoh M., Kunwar B., Pittman C.U., Mohan D., Mlsna T. Sorptive remov-al of salicylic acid and ibuprofen from aqueous solutions using pine wood fast py-rolysis biochar. Chemical Engineering Journal. 2015; 265: 219-227. https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.12.006

Budai A., Wang L., Gronli M., Strand T.S., Antal M.J., Abiven S., Die-guezAlonso A., Anca-Couse A., Rasse D.P. Surface Properties and Chemical Composi-tion of Corncob and Miscanthus Biochars: Effects of Production Temperature and Method. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2014; 62: 3791-3799. https://doi.org/10.1021/jf501139f