ОПИСАНИЕ ИЗОТЕРМ АДСОРБЦИИ АНИЛИНА ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ДРОБЛЕНЫМИ АКТИВНЫМИ УГЛЯМИ

Активные угли (АУ) широко используются для очистки природных и сточных вод от органических загрязнителей. При этом предполагают, что адсорбция органических компонентов протекает за счет дисперсионного взаимодействия. Однако наличие в структуре молекулы полярных функциональных групп может привести к образованию водородных или донорно-акцепторных связей с поверхностными соединениями кислорода, образованными в процессе получения активных углей.

Целью работы было исследование адсорбции анилина дроблеными активными углями, отличающимися сырьем и способом получения.

Объектами исследования выбраны активные угли марок АБГ и Пуролат-Стандарт, полученные карбонизацией и активацией в окислительной атмосфере в одну стадию, и КАД-йодный, произведенный по традиционной двустадийной технологии.

Удельная поверхность (S_БЭТ), объём микро- (V_микро) и мезопор (V_мезо) образцов АУ определялись по низкотемпературной адсорбции азота, суммарный объём пор – пикнометрическим методом по воде [2, 244], объём макропор (V_макро) рассчитывался по разнице между суммарным объёмом пор и суммой объёмов микро- и мезопор. Общее количество титруемых кислотных и основных групп на поверхности адсорбентов оценивалось по реакции обмена с растворами NaOH (СОЕ OH^˗) и HCl (СОЕ H⁺) соответственно. Характеристики активных углей приведены в таблице 1.

Исследование пористой структуры и состояния поверхности адсорбентов показало значительные различия изученных характеристик. Установлено, что АБГ — мезопористый сорбент с преобладающими на поверхности основными группами; у Пуролат-Стандарта отсутствуют микро- и мезопоры, а поверхностные группы преимущественно кислотного типа; КАД-йодный — микропористый уголь с приблизительно равным количеством кислотных и основных групп.

Адсорбция анилина изучалась в статических условиях в интервале концентраций 0.05 – 1.0 г/дм³, при соотношении навески адсорбента к объёму анализируемого раствора, равном 1:100. Равновесная концентрация анилина определялась по собственному поглощению растворов при 230 нм. Полученные изотермы адсорбции представлены на рисунке.

Таблица 1.

Характеристика углеродных сорбентов

Марка АУ		АБГ	Пуролат-стандарт	КАД-йодный
*сырьё*		бурый уголь	антрацит	каменный уголь
*карбонизация и активация*		одностадийная	одностадийная	двустадийная
S_БЭТ, м²/г		412	311	657
V_макро, см³/г		0.73	0.43	1.06
V_мезо, см³/г		0.24	—	0.09
V_микро, см³/г		0.02	0.07	0.29
*СОЕ,* ммоль/г	OH^˗	0.15	0.25	0.40
*СОЕ,* ммоль/г	H⁺	0.92	0.12	0.56

Изотермы адсорбции анилина на исследованных активных углях можно отнести к H-3 типу по классификации Гильса [3, 22], что предполагает сильное специфическое взаимодействие сорбент – сорбат и начало полислойного закрепления анилина на поверхности активных углей.

Для количественного описания изотерм адсорбции в интервале области концентраций, отвечающих образованию монослоя анилина, была использована модель Ленгмюра, которая предполагает наличие определенного числа активных центров с одним и тем же сорбционным потенциалом [1, 75; 4, 575]:

, (1)

где Г_∞ – адсорбционная емкость заполненного монослоя, моль/г, С_p – равновесная концентрация, моль/дм³; K_L – константа сорбционного равновесия для монослоя, дм³/моль.

Энергия Гиббса адсорбции рассчитывалась по формуле (2) [, 85]:

, (2)

где ΔG – энергия адсорбции, Дж/моль; Т – температура, К; K – константа, полученная из уравнения Ленгмюра.

Рисунок. Изотермы адсорбции анилина из водных растворов дроблеными активными углями

Количественное описание полимолекулярной сорбции использовали модель БЭТ [4, 575]:

, (3)

где K_S – константа сорбционного равновесия для полимолекулярной адсорбции, дм³/моль.

Величину теплоты полимолекулярной адсорбции рассчитывали по формуле [1, 82]:

. (4)

где K – константа, полученная из уравнения БЭТ, дм³/моль.

Для определения значений констант, входящих в уравнения изотерм Ленгмюра и БЭТ, и связанных с ними термодинамических характеристик использовали линеаризованные уравнения данных моделей. Полученные значения параметров адсорбции, а также коэффициенты корреляции представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Параметры адсорбции анилина из водных растворов АУ

параметр	АБГ	Пуролат-Стандарт	КАД-йодный
*Модель Ленгмюра*
*Г_∞, ммоль/г*	0.73	0.30	1.02
*— Δ*G, кДж/моль	25.55	21.17	21.89
R²	0.99	0.99	0.98
*Модель БЭТ*
*Г_∞, ммоль/г*	0.53	0.31	0.77
—*Q_L, кДж/моль***	27.28	20.64	23.00
—*Q_S, кДж/моль***	9.26	7.37	10.32
R²	1.00	0.99	1.00

Значения коэффициентов корреляции (R²) при линеаризации изотерм показывают, что адсорбция анилина с максимальной вероятностью описывается уравнением БЭТ.

Величины предельной емкости монослоя (Г_∞), рассчитанные с использованием моделей Ленгмюра и БЭТ, сопоставимы только для АУ марки Пуролат-Стандарт, что предполагает преимущественно мономолекулярную адсорбцию анилина на этом адсорбенте. Большое различие между рассчитанными по уравнениям Ленгмюра и БЭТ значениями Г_∞ (~ 35%) для АУ марок АБГ и КАД-йодный, связано, вероятно, с наличием микро- и мезопор в структуре данных адсорбентов.

Значения термодинамических характеристик взаимодействия сорбент – сорбат при образовании монослоя (ΔG и Q_L) подтверждают предположение о сильной специфической адсорбции анилина, которая может быть реализована за счет сильной водородной связи аминогруппы или донорно-акцепторного взаимодействия π- электронной системы молекулы анилина с поверхностными соединениями кислорода кислотного и основного типа соответственно. Наибольшее значение этих параметров характерно для АУ с наивысшим суммарным количеством кислотных и основных поверхностных групп (АБГ). Образование второго слоя при полимолекулярной адсорбции (согласно значению Q_S) может происходить за счет диполь — дипольного взаимодействия (например, слабой водородной связи).

Проведенные исследования показали, что в исследованной области концентраций наблюдается полимолекулярная адсорбция анилина, реализуемая за счет специфического взаимодействия сорбент – сорбат. Адсорбция анилина из разбавленных растворов наилучшим образом описывается моделью БЭТ.

Список литературы:

Kipling J.J. Adsorption from solution of non-electrolytes. London: Academic Press, 1965. — 159 p.
Когановский А.М., Клименко Н.А. и др. Адсорбция органических веществ из воды. Л.: Химия, 1990. — 256с.
Парфит Г., Рочестер К. Адсорбция из растворов на поверхностях твёрдых тел: пер. с англ. М.: Мир, 1986. – 488с.
Котова Д.Л., Фам Тхи Гам и др. Описание изотермы сорбции гидрохлорида пиридоксина на клиноптилолитовом туфе. / Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. Вып. 4. С. 572 – 577.[schema type=»book» name=»ОПИСАНИЕ ИЗОТЕРМ АДСОРБЦИИ АНИЛИНА ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ДРОБЛЕНЫМИ АКТИВНЫМИ УГЛЯМИ» description=»Исследована адсорбция анилина из водных растворов активными углями, отличающимися сырьем, способом получения, характеристиками пористой структуры и химическим состоянием поверхности. Показано, что в исследованной области концентраций наблюдается полимолекулярная адсорбция анилина, реализуемая за счет специфического взаимодействия сорбент – сорбат. Изотермы адсорбции описаны с применением теорий Ленгмюра и БЭТ. Установлено, что сорбция анилина из разбавленных растворов наилучшим образом описывается моделью БЭТ.» author=»Беляева Оксана Владимировна, Черентаева Мария Андреевна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-04″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_27.06.2015_06(15)» ebook=»yes» ]

euroasia

Похожие записи