Влияние ультразвуковой обработки на сорбционно-поверхностные характеристики березового биоугля

Елена Викторовна  Томина; Наталия Анатольевна Ходосова; Варвара Евгеньевна  Мануковская; Анатолий Николаевич  Лукин; Анна Юрьевна Корчагина

doi:10.17308/sorpchrom.2023.23/11318

Елена Викторовна Томина Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия, Воронежский государственный университет, 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
Варвара Евгеньевна Мануковская Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия
Анатолий Николаевич Лукин Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия
Анна Юрьевна Корчагина Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия

DOI: https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2023.23/11318

Ключевые слова: биоуголь, древесина березы, модификация, ультразвук, сорбция, ионы меди Cu(II)

Аннотация

Интерес к биоуглю как сорбенту для очистки сточных вод, в том числе, и для извлечения ионов тяжелых металлов, определяется его свойствами: устойчивостью к деградации, большой площадью и значительным отрицательным зарядом поверхности, возможностью генерации активных форм кислорода при ультрафиолетовом облучении с последующей деструкцией органических поллютантов.

Целью работы является создание сорбента на основе опилок березы как древесных отходов лесопиления в результате направленного физико-химического модифицирования биоугля, определение его характеристик и сорбционной способности в отношении ионов меди.

По данными растровой электронной микроскопии одновременная активация карбонизата березовых опилок щелочью КОН и ультразвуком в течение 30 минут способствует увеличению фракции частиц биоугля размером 20-60 мкм и исчезновению частиц биоугля размером более 100 мкм, отмечается рост насыпной плотности. Методом энергодисперсионного анализа установлено увеличение содержания углерода в биоугле после активации и уменьшение мольного отношения О/C с 0.304 до 0.258. Методом ИК спектроскопии подтверждено наличие ряда поверхностных кислородсодержащих функциональных групп: гидроксильных, карбонильных, карбоксильных, хиноидных.

Сорбция ионов Cu²⁺ модифицированным углем повышается в 2.2 раза по сравнению с исходным карбонизатом березовых опилок. Изотермы сорбции ионов меди как исходным, так активированным биоуглем, удовлетворительно описываются уравнением Ленгмюра. Физико-химическая модификация биоугля КОН и ультразвуком способствует возрастанию емкости адсорбционного монослоя и константы равновесия. Проведение сорбции при pH=5.8 способствует депротонизации кислородсодержащих функциональных групп –COOH и –OH, присутствующих на поверхности биоугля, что увеличивает адсорбцию ионов Cu²⁺.

Образование связи Cu-О между карбоксилат-ионами и Cu²⁺подтверждается сдвигом полос пр
1200 см^-1, соответствующих валентным колебаниям связи С-О в карбоксильной группе, в ИК-спектрах образцов биоугля после сорбции в область меньших частот. Большее смещение характерно для спектра образца Б+КОН+УЗ+CuSO₄, что согласуется с повышением сорбции ионов меди активированным биоуглем.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

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

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

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, Российская Федерация

Варвара Евгеньевна Мануковская, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия

студентка 2 курса лесопромышленного факультета, 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

Анна Юрьевна Корчагина, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия

младший научный сотрудник лаборатории промышленных биотехнологий, Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия

Литература

Sharififard H., Nabavinia M., Soleimani M. Evaluation of adsorption efficiency of activated carbon/chitosan composite for removal of Cr (VI) and Cd (II) from single and bi-solute dilute solution. Advances in Environmental Technology. 2016; 2: 215-227. https://doi.org/10.22104/aet.2017.484

Saleh T.A., Gupta V.K. Column with CNT/magnesium oxide composite for lead(II) removal from water. Environmental Science and Pollution Research. 2012; 19: 1224-1228. https://doi.org/10.1007/s11356-011-0670-6

Jacob J.M., Karthik C., Saratale R.G., Kumar S.S., Prabakar D., Kadirvelu K., Pugazhendhi A. Biological approaches to tackle heavy metal pollution: A survey of literature. Journal of Environmental Management. 2018; 217: 56-70. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.03.077

Trivedi P., Axe L. Predicting divalent metal sorption to hydrous Al, Fe, and Mn oxides. Environmental Science and Technology. 2001; 35: 1779-1784. https://doi.org/10.1021/es001644+

Boukhalfa C., Mennour A., Reinert L., Duclaux L. Removal of copper from aqueous solutions by coprecipitation with hydrated iron oxide. Asian Journal of Chemistry. 2007; 19: 4267-4276. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2004.04.010

Ahmad R., Kumar R., Haseeb S. Ad-sorption of Cu2+ from aqueous solution onto iron oxide coated eggshell powder: Evaluation of equilibrium, isotherms, ki-netics, and regeneration capacity. Arabian Journal of Chemistry. 2012; 5: 353-359. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2010.09.003

Feng Y., Gong J.L., Zeng G.M., Niu Q.Y., Zhang H.Y., Niu C.G., Zhang H.Y., Niu C.G., Deng J.H., Yan M. Adsorption of Cd (II) and Zn (II) from aqueous solutions using magnetic hydroxyapatite nanoparticles as adsorbents. Chemical Engineering Journal. 2010; 162: 487-494. https://doi.org/10.1016/j.cej.2010.05.049

Regmi P., Moscoso J.L.G., Kumar S., Cao X., Mao J., Schafran G. Removal of copper and cadmium from aqueous solution using switch grass biochar produced via hydrothermal carbonization process. Journal of Environmental Management. 2012; 109: 61-69. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2012.04.047

Uchimiya M., Bannon D.I., Wartelle L.H. Retention of heavy metals by carboxyl functional groups of biochars in small arms range soil. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2012; 60: 1798-1809. https://doi.org/10.1021/jf2047898

Sizmur T., Quilliam R., Puga A.P., Moreno-Jiménez E., Beesley L., Gomez-Eyles J.L. Application of biochar for soil remediation. Agricultural and Environmental Applications of Biochar: Advances and Barriers. 2016; 63: 295-324. https://doi.org/10.2136/sssaspecpub63.2014.0046.5

Tan X., Liu Y., Zeng G., Wang X., Hu X., Gu Y., Yang Z. Application of biochar for the removal of pollutants from aqueous solutions. Chemosphere. 2015; 125: 70-85. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2014.12.058

Poluboyarinov O.I. Wood density. Leningrad, Chemistry. 1973. 76 p. (In Russ.)

Timerbaev N.F., Safina A.V., Khabibullina A.R., Nazarov I.Y. The current state of charcoal production. Energy problems. 2017; 19; 13-20. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2017-19-7-8-13-20

Tsyganova S.I., Melnikov A.N., Korolkova I.V., Chesnokov N.V., Kuznetsov B.N. Obtaining porous carbon materials from modified ZnСl2 birch sawdust. Journal of Applied Chemistry. 2007; 80: 943-945

Moreno-Castilla C., Carrasco-Marin F., Lopez-Ramon M.V., Alvarez-Merino M.A. Chemical and physical activation of olive-mill waste water to produce activated carbons. Carbon. 2001; 39: 1415-1420. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00268-2

Bronzov O.V., Utkin G.K., Kislitsyn A.N. Charcoal. Production, main properties and applications of charcoal. Moscow. Forest Industry. 1979. 137 p.

Sajjadi B., Chen W.Y., Egiebor N.O. A comprehensive review on physical activation of biochar for energy and environ-mental applications. Reviews in Chemical Engineering. 2019; 35: 735-776. https://doi.org/10.1515/revce-2017-0113

Chen F., Ji Y., Deng Y., Ren F., Tan S., Wang Z. Ultrasonic-assisted fabrication of porous carbon materials derived from agricultural waste for solid-state supercapacitors. Journal of Materials Science. 2020; 55: 11512-11523. https://doi.org/10.1007/s10853-020-04751-y

Peter A., Chabot B., Loranger E. En-hanced activation of ultrasonic pre-treated softwood biochar for efﬁcient heavy metalremoval from water. Journal of Environmental Management. 2021; 290: 112569. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112569

Chatterjee R., Sajjadi B., Chen W., Mattern D.L., Egiebor N.O., Hammer N., Raman V. Low frequency ultrasound enhanced dual amination of biochar: A nitrogen-enriched sorbent for CO2 capture. En-ergy Fuels. 2019; 33: 2366-2380. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b03583

Hazrati S., Farahbakhsh M., Cerda A., Heydarpoor G. Functionalization of ultrasound enhanced sewage sludge-derivedbiochar: Physicochemical improvement and its effects on soil enzyme activities and heavy metals availability. Chemosphere. 2020; 269: 128767. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.128767

Sajjadi B., Broome J.W., Chen W.Y., Mattern D.L., Egiebor N.O., Hammer N., Smith C.L. Urea functionalization of ultrasoundtreated biochar: A feasible strategy for enhancing heavy metal adsorption capacity. Ultrasonics Sonochemistry. 2018; 51: 20-30. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2018.09.015

Wang C., Wang H., Cao Y. Pb(II) sorption by biochar derived from Cinnamomum camphora and its improvement with ultrasound assisted alkali activation. Colloids and Surfaces A Physicochemical and Engineering Aspects. 2018; 556: 177-184. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.08.036

GOST 6217-74 Crushed active char-coal. (In Russ.)

Zawadzki J. Infrared Spectroscopy in Surface Chemistry of Carbons. In: Thrower, P.A., Ed., Chemistry and Physics of Carbon. N.Y. Marcel Dekker. 1989; 21: 147-369.

Xin Zhang, Baowei Zhao, Hui Liu, Yue Zhao, Liujun Li. Environmental Tech-nology & Innovation. 2022; 26; 102288. https://doi.org/10.1016/j.eti.2022.102288

Aguayo-Villarreal I.A., Bonilla-Petriciolet A., Muniz-Valencia R. Preparation of activated carbons from pecan nut-shell and their application in the antagonistic adsorption of heavy metal ions. Journal of Molecular Liquids. 2017; 230: 686-695. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.01.039

Lv D., Liu Y., Zhou J., Yang K., Lou Z., Baig S. A., Xu X. Application of EDTA-functionalized bamboo activated carbon (BAC) for Pb(II) and Cu(II) removal from aqueous solutions. Applied Surface Science. 2018; 428: 648-658. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.09.151

Li H., Dong X., da Silva E.B., de Oliveira L.M., Chen Y., Ma L.Q. Mechanisms of metal sorption by biochars: Biochar characteristics and modifications. Chemosphere. 2017; 178: 466-478. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.03.072

Da’na E., Awad A. Regeneration of spent activated carbon obtained from home filtration system and applying it for heavy metals adsorption. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2017; 5: 3091-3099. https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.06.022

Linnikov O. D., Rodina I. V., Baklanova I.V., Suntsov A.Yu. Sorption of copper ions with activated carbon of the BAU-A brand. Sorption and chromatographic processes. 2018; 18: 554-562. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2018.18/563

Lozinskaya E. F., Mirakova T. N., Zhilyaeva N. A. Study of sorption properties of natural sorbents with respect to copper (II) ions. Scientific notes: electronic scientific journal of Kursk State University. 2013; 2: 329-333.

Kostin А.V., Mostalygina L.V Study of the mechanism of sorption of copper and lead ions on bentonite clay. Sorbtsionnye i khromatograficheskiye protsessy. 2012: 12: 949-957. (In Russ.)

Vedenyapina M.D., Kurmysheva A.Yu., Kulaishin S.A., Kryazhev Yu.G. Adsorption of some heavy metals on activated carbons (review). Chemistry of solid fuel. 2021; 2: 18-41 https://doi.org/10.31857/S0023117721020092

Monier M., Nawar N., Abdel-Latif D.A. Preparation and characterization of chelating fibers based on natural wool for removal of Hg (II), Cu (II) and Co (II) metal ions from aqueous solutions. Journal of hazardous materials. 2010; 184: 118-125. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.08.013

Aluigi A., Corbellini A., Rombaldo-ni F., Mazzuchetti G. Wool-derived keratin nanofiber membranes for dynamic adsorption of heavy-metal ions from aqueous solutions. Textile Research Journal. 2013; 83; 1574-1586. https://doi.org/10.1177/0040517512467060

Yin Z., Chen M., Hu S., Cheng H. Carboxylate functionalized wool fibers for removal of Cu(II) and Pb(II) from aqueous solution. Desalination and Water Treatment. 2016; 7: 17367-17376. https://doi.org/10.1080/19443994.2015.1084484