Адсорбция фенола на активированном угле, полученном из ветвей финиковой пальмы

Введение. Фенолы являются одним из основных органических компонентов, присутствующих в стоках многих промышленных предприятий. Удаление фенола из сточных вод, содержащих фенол, — приоритетная задача из-за его высокой токсичности для людей и животных даже при низкой концентрации. Адсорбция на основе активированного угля (АУ) — один из передовых процессов очистки, широко используется для очистки водных загрязнителей. Цель исследования — изучение адсорбции фенола на активированном угле на основе ветвей финиковой пальмы (ВФП-АУ) в качестве низкозатратного адсорбента.

Материалы и методы. В качестве сырья для получения АУ методом химической активации H3PO4 использовались ВФП. Эксперименты по адсорбции проводились в партиях. Также исследованы кинетика и изотермы адсорбции.

Результаты. ВФП-АУ получен химической активацией ветвей финиковой пальмы с использованием H3PO4 (600 °C, 60 мин), образец был обозначен ВФП-АУ-H3PO4. Результаты показали выход АУ в размере 52,7 %. Максимальная эффективность адсорбции фенола была достигнута при pH = 7. Адсорбция фенола хорошо описывалась кинетикой псевдовторого порядка с K2, г/(мг·мин). Модель изотермы адсорбции фенола следовала модели Ленгмюра, где R² было 0,9215 и KL = 0,0161 л/мг при 180 мин времени равновесия. Максимальная емкость адсорбции фенола составляла 77,52 мг/г (мг фенола, поглощенного/г ВФП-АУ-H3PO4), что является высоким значением по сравнению со многими другими результатами, представленными в литературе.

Выводы. Результаты свидетельствуют о том, что АУ, полученный из ветвей финиковой пальмы, может быть перспективным материалом для очистки сточных вод, а также эффективным средством для решения проблем экологического загрязнения.

1. Артемьянов А.П., Земскова Л.А., Иванов В.В. Каталитическое жидкофазное окисление фенола в водных средах с использованием катализатора углеродное волокно / (железо, оксид железа) // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2017. T. 60. № 8. C. 88–95. DOI: 10.6060/tcct.2017608.5582. EDN ZDNKPD.

2. Тамаркина Ю.В., Анищенко В.Н., Редько А.Н., Кучеренко В.А. Адсорбция фенола активированными углями на основе ископаемых углей разной степени метаморфизма // Химия твердого топлива. 2021. № 3. С. 3–11. DOI: 10.31857/S0023117721030105. EDN JWZHPL.

3. Yohi S., Wu C.-M., Koodali R.T. A kinetic study of photocatalytic degradation of phenol over titania–silica mixed oxide materials under UV illumination // Catalysts. 2022. Vol. 12. Issue 2. P. 193. DOI: 10.3390/catal12020193

4. Beloborodova N., Bairamov I., Olenin A., Shubina V., Teplova V., Fedotcheva N. Effect of phenolic acids of microbial origin on production of reactive oxygen species in mitochondria and neutrophils // Journal of Biomedical Science. 2012. Vol. 19. Issue 1. DOI: 10.1186/1423-0127-19-89

5. Michałowicz J., Duda W. Phenols — sources and toxicity // Polish Journal of Environmental Studies. 2007. Vol. 16. Issue 3. Pp. 347–362. EDN MFIKYZ.

6. Liew R.K., Chong M.Y., Osazuwa O.U., Nam W.L., Phang X.Y., Su M.H., Cheng C.K. Production of activated carbon as catalyst support by microwave pyrolysis of palm kernel shell: a comparative study of chemical versus physical activation // Research on Chemical Intermediates. 2018. Vol. 44. Issue 6. Pp. 3849–3865. DOI: 10.1007/s11164-018-3388-y

7. Enaime G., Ennaciri K., Ounas A., Bacaoui A., Seffen M., Selmi T. Preparation and characterization of activated carbons from olive wastes by physical and chemical activation: application to indigo carmine adsorption // Journal of Materials and Environmental Sciences. 2017. Vol. 8. Issue 11. Pp. 4125–4137.

8. Mbarki F., Selmi T., Kesraoui A., Seffen M. Low-cost activated carbon preparation from Corn stigmata fibers chemically activated using H3PO4, ZnCl2 and KOH: Study of methylene blue adsorption, stochastic isotherm and fractal kinetic // Industrial Crops and Products. 2022. Vol. 178. P. 114546. DOI: 10.1016/j.indcrop.2022.114546

9. Gupta A., Balomajumder C. Simultaneous adsorption of Cr(VI) and phenol from binary mixture using iron incorporated rice husk: insight to multicomponent equilibrium isotherm // International Journal of Chemical Engineering. 2016. Vol. 2016. Pp. 1–11. DOI: 10.1155/2016/7086761

10. Gupta A., Garg A. Primary sewage sludge-derived activated carbon: Characterisation and application in wastewater treatment // Clean Technologies and Environmental Policy. 2015. Vol. 17. Issue 6. Pp. 1619–1631. DOI: 10.1007/s10098-014-0895-4

11. Kacan E. Optimum BET surface areas for activated carbon produced from textile sewage sludges and its application as dye removal // Journal of Environmental Management. 2016. Vol. 166. Pp. 116–123. DOI: 10.1016/j.jenvman.2015.09.044

12. Gundogdu A., Duran C., Senturk H.B., Soylak M., Ozdes D., Serencam H. et al. Adsorption of phenol from aqueous solution on a low-cost activated carbon produced from tea industry waste: Equilibrium, kinetic, and thermodynamic study // Journal of Chemical & Engineering Data. 2012. Vol. 57. Issue 10. Pp. 2733–2743. DOI: 10.1021/je300597u

13. Da̧browski A., Podkościelny P., Hubicki Z., Barczak M. Adsorption of phenolic compounds by activated carbon : a critical review // Chemosphere. 2005. Vol. 58. Issue 8. Pp. 1049–1070. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2004.09.067

14. Busca G., Berardinelli S., Resini C., Arrighi L. Technologies for the removal of phenol from fluid streams : a short review of recent developments // Journal of Hazardous Materials. 2008. Vol. 160. Issue 2–3. Pp. 265–288. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2008.03.045

15. Lü G., Hao J., Liu L., Ma H., Fang Q., Wu L. et al. The adsorption of phenol by lignite activated carbon // Chinese Journal of Chemical Engineering. 2011. Vol. 19. Issue 3. Pp. 380–385. DOI: 10.1016/S1004-9541(09)60224-x

16. Yang G., Chen H., Qin H., Feng Y. Amination of activated carbon for enhancing phenol adsorption: Effect of nitrogen-containing functional groups // Applied Surface Science. 2014. Vol. 293. Pp. 299–305. DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.12.155

17. Ho Y.S., McKay G. Pseudo-second order model for sorption processes // Process Biochemistry. 1999. Vol. 34. Issue 5. Pp. 451–465. DOI: 10.1016/S0032-9592(98)00112-5

18. Vieira A.P., Santana S.A.A., Bezerra C.W.B., Silva H.A.S., Chaves J.A.P., de Melo J.C.P. et al. Kinetics and thermodynamics of textile dye adsorption from aqueous solutions using babassu coconut mesocarp // Journal of Hazardous Materials. 2009. Vol. 166. Issue 2–3. Pp. 1272–1278. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2008.12.043

19. Qiu H., Lv L., Pan B., Zhang Q.Q., Zhang W., Zhang Q.Q. Critical review in adsorption kinetic models // Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 2009. Vol. 10. Issue 5. Pp. 716–724. DOI: 10.1631/jzus.A0820524

20. Fu Y., Shen Y., Zhang Z., Ge X., Chen M. Activated bio-chars derived from rice husk via one- and two-step KOH-catalyzed pyrolysis for phenol adsorption // Science of the Total Environment. 2019. Vol. 646. Pp. 1567–1577. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.07.423

21. Shi R., Li Y., Yin J., Yang S. Preparation of activated carbon from corn straw and research of adsorption kinetics // Chinese Journal of Environmental Engineering. 2014. Vol. 8. Issue 8. Pp. 3428–3432.

22. Al-Malack M.H., Dauda M. Competitive adsorption of cadmium and phenol on activated carbon produced from municipal sludge // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2017. Vol. 5. Issue 3. Pp. 2718–2729. DOI: 10.1016/j.jece.2017.05.027

23. Yener J., Kopac T., Dogu G., Dogu T. Dynamic analysis of sorption of Methylene Blue dye on granular and powdered activated carbon // Chemical Engineering Journal. 2008. Vol. 144. Issue 3. Pp. 400–406. DOI: 10.1016/j.cej.2008.02.009

24. Srivastava V.C., Swamy M.M., Mall I.D., Prasad B., Mishra I.M. Adsorptive removal of phenol by bagasse fly ash and activated carbon: Equilibrium, kinetics and thermodynamics // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2006. Vol. 272. Issue 1–2. Pp. 89–104. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2005.07.016

25. Makrigianni V., Giannakas A., Deligiannakis Y., Konstantinou I. Adsorption of phenol and methylene blue from aqueous solutions by pyrolytic tire char: Equilibrium and kinetic studies // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2015. Vol. 3. Issue 1. Pp. 574–582. DOI: 10.1016/j.jece.2015.01.006

26. Sierra I., Iriarte-Velasco U., Cepeda E.A., Gamero M., Aguayo A.T. Preparation of carbon-based adsorbents from the pyrolysis of sewage sludge with CO2 Investigation of the acid washing procedure // Desalination and Water Treatment. 2016. Vol. 57. Issue 34. Pp. 16053–16065. DOI: 10.1080/19443994.2015.1075428

27. Kumar A., Jena H.M. Removal of methylene blue and phenol onto prepared activated carbon from Fox nutshell by chemical activation in batch and fixed-bed column // Journal of Cleaner Production. 2016. Vol. 137. Pp. 1246–1259. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.07.177

28. Shen Y., Fu Y. KOH-activated rice husk char via CO2 pyrolysis for phenol adsorption // Materials Today Energy. 2018. Vol. 9. Pp. 397–405. DOI: 10.1016/j.mtener.2018.07.005

29. Da Gama B.M.V., do Nascimento G.E., Sales D.C.S., Rodríguez-Díaz J.M., de Menezes Barbosa C.M.B., Duarte M.M.M.B. Mono and binary component adsorption of phenol and cadmium using adsorbent derived from peanut shells // Journal of Cleaner Production. 2018. Vol. 201. Pp. 219–228. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.07.291

30. Kilic M., Apaydin-Varol E., Pütün A.E. Adsorptive removal of phenol from aqueous solutions on activated carbon prepared from tobacco residues: Equilibrium, kinetics and thermodynamics // Journal of Hazardous Materials. 2011. Vol. 189. Issue 1–2. Pp. 397–403. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2011.02.051

31. Singh K.P., Malik A., Sinha S., Ojha P. Liquid-phase adsorption of phenols using activated carbons derived from agricultural waste material // Journal of Hazardous Materials. 2008. Vol. 150. Issue 3. Pp. 626–641. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2007.05.017