Abstract

De verwijdering van lood(II)-ionen uit waterige oplossingen werd uitgevoerd met actieve kool bereid uit afvalbiomassa. De effecten van verschillende parameters zoals pH, contacttijd, initiële concentratie van lood(II)ionen, en temperatuur op het adsorptieproces werden onderzocht. Analyse met behulp van energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS) na adsorptie toont de accumulatie van lood(II)ionen op actieve kool aan. De Langmuir en Freundlich isotherm modellen werden toegepast om de evenwichtsgegevens te analyseren. De maximale monolaag adsorptiecapaciteit van actieve kool bleek 476,2 mg g-1 te zijn. De kinetische gegevens werden geëvalueerd en de pseudo-second-orde vergelijking gaf de beste correlatie. Thermodynamische parameters suggereren dat het adsorptieproces endotherm en spontaan is.

1. Inleiding

Het gebruik van verschillende adsorbentia voor de verwijdering van zware metaalionen uit een waterige oplossing is van groot belang vanwege de bezorgdheid om het milieu. Gemalen eierschaal afval werd gevonden als een effectief adsorbens voor de verwijdering van anionische kleurstof uit waterige oplossing. De verwijdering van cadmium met behulp van citrusvruchten, appels, en druiven is onderzocht. Er werd gerapporteerd dat citrusschillen een hoge adsorptiecapaciteit vertoonden. Actieve kool wordt op grote schaal gebruikt voor de verwijdering van zware metaalionen uit waterige oplossing . De bereiding van korrelige actieve kool (GAC) uit agrarische bijproducten en het gebruik ervan in adsorptie-experimenten werd gerapporteerd door Johns et al. Er werd geconcludeerd dat uit agrarische bijproducten geproduceerde AKK’s effectiever waren dan commerciële AKK’s in termen van adsorptiecapaciteit . De verwijdering van organisch kwik uit afvalwater is getest met actieve kool en met een ionenuitwisselingshars (Amberlite GT73) . Er werd gerapporteerd dat actieve kool een hogere adsorptiecapaciteit vertoonde dan de ionenuitwisselingshars .

Er wordt begrijpelijkerwijs veel moeite gedaan om goedkoop materiaal te vinden voor de productie van actieve kool. In de huidige paper, beschrijven we onze inspanningen om lood (II) ionen te verwijderen uit een waterige oplossing met behulp van de actieve kool geproduceerd uit sojaolie cake met chemische activering. Soja-oliekoek, een nevenproduct van de landbouw, werd gebruikt voor de bereiding van de actieve kool. De adsorptie van lood (II) ionen aan de actieve kool werd onderzocht met variaties in de parameters pH, contacttijd, lood (II) ionen concentratie en temperatuur. Het kinetisch model voor lood(II)adsorptie aan de actieve kool werd ook bestudeerd.

2. Experimenteel

2.1. Materialen

De biomassa (sojaoliecake) werd verkregen van Altinyag Oil Company, Izmir, Turkije. Het monster bevatte 17,86 wt% extractieresiduen, 52,51 wt% hemicellulose, 2,80 wt% lignine, en 21,58 wt% cellulose. De elementaire analyse van de soja-oliekoek is als volgt: 44,48 wt% C, 6,28 wt% H, 8,21 wt% N, 0,54 wt% S, 40,49 wt% O (door verschil), en 5,83 wt% asgehalte. Alle in de onderhavige studie gebruikte chemicaliën waren van analytische kwaliteit.

2.2. Bereiding van de actieve kool

Voorbereiding van de actieve kool uit sojabonenoliekoek door K2CO3-activering met de impregnatieverhouding van 1,0 werd uitgevoerd. K2CO3 werd ‘s nachts met de sojaoliecake gemengd zodat de reagentia volledig in de biomassa werden geabsorbeerd. De slurry werd vervolgens gedroogd bij 105°C. Het geïmpregneerde materiaal werd in een reactor geplaatst en vervolgens verkoold bij 1073,15 K. De experimentele details voor de bereiding van actieve kool zijn te vinden in een eerder verslag. Het rendement van de actieve kool bleek 11,56 wt% te zijn. De actieve kool, aangeduid als SAC2, werd gezeefd tot deeltjes <63 μm grootte en gebruikt voor experimenten. Een meting van de specifieke oppervlakte van de actieve kool geproduceerd uit soja-oliekoek door chemische activering met K2CO3 werd gedaan door N2-adsorptie (bij 77 K), met behulp van een oppervlakte-analysator (Quantachrome Inst., Nova 2200e). De verdeling van de oppervlaktelading van SAC2 werd gemeten als functie van de pH met behulp van een Malvern Zetasizer Nanoseries. De elementaire samenstellingen van de actieve kool werden bepaald met een LECO CHNS 932 Elemental Analyzer. De fysisch-chemische eigenschappen van de actieve kool zijn als volgt: 81,03 wt% C, 0,53 wt% H, 0,06 wt% N, 0,05 wt% S, 18,33 wt% O (door verschil); 0,98 wt% asgehalte, 1352,86 m2 g-1 specifiek oppervlak, 0,680 cm3 g-1 totaal poriënvolume, 0,400 cm3 g-1 microporievolume, en 10,05 Å gemiddelde poriëndiameter.

2.3. Adsorptie-experimenten

De adsorptie-experimenten werden uitgevoerd in een batch-systeem. Een bepaalde hoeveelheid SAC2 werd toegevoegd aan een lood(II)nitraatoplossing in een erlenmeyer afgesloten met een glazen stop en de inhoud van de erlenmeyer werd geroerd met een magneetroerder bij 200 omwentelingen per minuut om de optimale waarden voor de pH en de beginconcentratie van lood(II)ionen te bepalen.

Een stockoplossing met 1000 mg L-1 lood(II)ionen werd gebruikt voor de adsorptie-experimenten. De vereiste lood(II)-concentraties werden verkregen door verdunning met gedeïoniseerd water. 100 mL van een lood (II)-oplossing met 50 mg van het adsorbens in een erlenmeyer van 250 mL werd met 200 omwentelingen per minuut rondgedraaid in een waterbad, waarvan de temperatuur werd geregeld op de gewenste temperatuur (298,15, 308,15, en 318,15 K). De lood(II)-ionenconcentratie van de oplossing werd bepaald met behulp van atoomabsorptiespectrometrie (Perkin Elmer A. Analyst 800 Model). De hoeveelheid lood(II)ionen op het adsorbens bij evenwicht werd bepaald uit het verschil tussen de begin- en eindconcentratie van de lood(II)-oplossingen.

SAC2 na adsorptie van lood(II)ionen werd gedurende 24 uur gedroogd in een oven onder vacuüm bij 50°C, en vervolgens werden de geadsorbeerde lood(II)ionen in SAC2 gekarakteriseerd met behulp van een veldemissie-scanning-elektronenmicroscoop (SEM, Carl Zeiss Ultra Plus), uitgerust met een energiedispersieve röntgenspectrofotometer (EDS)-analyse.

3. Resultaten en discussie

3.1. Effect van pH

Het effect van pH op de lood(II)-ionenadsorptiecapaciteit van SAC2 werd bestudeerd bij 300 mg L-1 initiële lood(II)-ionenconcentratie en bij 298,15 K. De pH van oplossingen is een factor die een belangrijke rol speelt in het adsorptieproces. Omdat lood(II)-ionen neerslaan als lood(II)hydroxide bij pH-waarden hoger dan 6,7, werden boven deze pH-waarde geen adsorptie-experimenten uitgevoerd. De amfotere aard van de koolstof heeft zowel de functionele oppervlaktegroepen als het nulpunt van de lading (pHPZC) van de actieve kool beïnvloed. Kationische adsorptie wordt begunstigd bij pH > pHPZC en anionische adsorptie wordt begunstigd bij pH < pHPZC. Zeta-potentialen en adsorptiecapaciteit van SAC2 met betrekking tot de oplossing pH worden geïllustreerd in figuren 1 (a) en 1 (b), respectievelijk. Zoals uit de figuur kan worden opgemaakt, is de pHPZC van SAC2 6,1 en was het oppervlak positief geladen wanneer de pH van de oplossing lager was dan 6,1. De grootte van de oppervlaktelading van SAC2 werd verminderd terwijl de pH werd verhoogd van 2 tot 6. De verhoogde positieve ladingsdichtheid op de sites van het actieve kooloppervlak bij lage pH-waarden (minder dan 3) blokkeerde het dichtbij komen van metaalkationen. Integendeel, wanneer de pH-waarde steeg, werd de elektrostatische afstoting tussen lood(II)-ionen verminderd en werd het oppervlak van SAC2 minder positief geladen, en nam de adsorptiecapaciteit van SAC2 toe. De maximale adsorptiecapaciteit werd gevonden op 244,9 mg g-1 bij pH 6,0.

(a)

(b)

(a)
(b)

3.2.

3.2. Effect van contacttijd

Een reeks contacttijdexperimenten voor de adsorptie van lood(II)-ionen aan SAC2 werd uitgevoerd bij de aanvankelijke concentratie lood(II)-ionen (300 mg L-1) en temperaturen van 298,15, 308,15 en 318,15 K. De effecten van de contacttijd op het adsorptieproces worden in figuur 2 getoond. De geadsorbeerde hoeveelheid lood(II)ionen nam toe met een toename van de contacttijd tot 100 min, daarna was er geen significante toename meer in de adsorptie van lood(II)ionen aan SAC2. Bij een contacttijd van 60 min bedroegen de geadsorbeerde hoeveelheden lood(II)ionen aan SAC2 221,9, 232,6 en 240,2 mg g-1 bij respectievelijk 298,15, 308,15 en 318,15 K.

Figuur 2

Effect van de contacttijd voor de adsorptie van lood(II)-ionen op de actieve kool (SAC2). ( = 300 mg L-1; mg; mL; pH = 5,5; agitatiesnelheid 200 omw/min).

3.3. Effect van de aanvankelijke concentratie lood(II)ionen

De adsorptiecapaciteit van SAC2 voor lood(II)ionen nam toe naarmate de aanvankelijke concentratie lood(II)ionen toenam. Toename van de aanvankelijke concentratie lood(II)ionen veroorzaakt de massaoverdracht van de waterige fase naar de vaste fase. De maximale adsorptiecapaciteiten werden verkregen bij een initiële lood (II) ionenconcentratie van 500 mg L-1. Het SEM-beeld en het röntgenspectrum van SAC2 na adsorptie zijn te zien in figuur 3. Het bestaan van een loodpiek in het spectrum bewijst duidelijk dat accumulatie van lood(II)ionen op SAC2 heeft plaatsgevonden.

(a)

(b)

(a)
(b)

3.4. 3.4. Adsorptiekinetiek

Om het adsorptieproces van lood(II)-ionen op SAC2 te onderzoeken, werden de pseudo-eerste-orde-kinetiek, de pseudo-seconde-orde-kinetiek en de intrapartikel-diffusiemodellen toegepast op de experimentele gegevens.

De pseudo-eerste-orde kinetische modelvergelijking wordt weergegeven als waar en zijn de hoeveelheden lood (II) ionen (mg g-1) geabsorbeerd bij evenwicht en op het tijdstip , respectievelijk, en is de eerste-orde snelheidsconstante (min-1).

Het pseudo-second-orde kinetisch model wordt weergegeven als waar de maximale adsorptiecapaciteit (mg g-1) voor de pseudo-second-orde adsorptie is en de evenwichtssnelheidsconstante voor de pseudo-second-orde adsorptie (g mg-1 min-1).

De diffusie binnen de deeltjes kan worden weergegeven met de volgende vergelijking: waarin de interceptie is en de diffusiesnelheidsconstante binnen de deeltjes (mg g-1 min-1/2).

De plots van de lineaire vorm van de pseudo-eerste-orde (niet afgebeeld), pseudo-tweede-orde, en intrapartikel diffusie (niet afgebeeld) voor de adsorptie van lood (II) ionen op SAC2 werden verkregen bij de temperaturen van 298,15, 308,15, en 318,15 K. De resultaten van de kinetische parameters zijn weergegeven in tabel 1. De waarden van de correlatiecoëfficiënten van het pseudo-second-order kinetische model () waren hoger dan die van het pseudo-eerste-orde kinetische model en van het intrapartikel diffusiemodel. Dit wijst erop dat de adsorptie van lood(II)ionen de pseudo-second-orde kinetiek volgde met correlatiecoëfficiënten hoger dan 0,99 voor alle geteste temperaturen. Figuur 4 geeft de grafieken van versus voor het adsorptieproces bij verschillende temperaturen. Met het stijgen van de temperatuur daalden de waarden van de correlatiecoëfficiënten van het pseudo-eerste-orde-kinetiekmodel.

Temperatuur (K) 298,15 308,15 318.15 Pseudo-eerste-orde k 1 (min-1) 0.023 0.020 0.017 q 1 (mg g-1) 73.55 79.84 92.29 0.980 0.928 0.921 Pseudo-second-order k 2 (g mg-1 min-1) 11.6 × 10-4 10,96 × 10-4 9,26 × 10-4 q 2 (mg g-1) 238,1 250,0 263,2 0.9995 0.9993 0.9994 Intrapartikelverspreiding (mg g min-1/2) 8.7429 9.9775 11.319 153.74 152.85 154.53 0.9390 0.8791 0.8659

Tabel 1

Kinetische parameters voor de adsorptie van lood(II)-ionen aan de actieve kool (SAC2).

Figuur 4

Pseudo-second-order kinetische plot voor de adsorptie van lood(II)-ionen aan de actieve kool (SAC2).

3.5. Adsorptiethermodynamica

Thermodynamische parameters bestaande uit Gibbs vrije energieverandering (), enthalpieverandering (), en entropieverandering () werden berekend met de volgende vergelijking: waarin de universele gasconstante (8,314 J mol-1 K-1), de temperatuur (K), en waarde werd berekend met de volgende vergelijking: waarin en zijn de evenwichtsconcentratie van lood (II) ionen op de actieve kool (mg g-1) en in de oplossing (mg L-1), respectievelijk.

De enthalpieverandering () en entropieverandering () van de adsorptie werden geschat met de volgende vergelijking:

De enthalpieverandering () en entropieverandering () kunnen als volgt worden verkregen uit de helling en het intercept van een Van’t Hoff-vergelijking van (): waarin de verandering van de vrije energie van Gibbs (J) is, de universele gasconstante (8,314 J mol-1 K-1), en de absolute temperatuur (K).

Thermodynamische parameters zijn vermeld in tabel 2. De verandering van de vrije energie van Gibbs () is een indicator van de mate van spontaniteit in het adsorptieproces. Voor een betere adsorptie is een negatieve waarde van de vrije energieverandering van Gibbs () noodzakelijk. De waarden van Gibbs vrije energie verandering () van lood (II) ionen adsorptie werden bepaald als 0.74, -0.99, en -1.40 kJ mol-1 bij de temperaturen van 298.73, 308.73, en 318.73 K, respectievelijk. Deze waarden geven aan dat het adsorptieproces spontaan en haalbaar is onder deze omstandigheden. De waarden bij hogere temperatuur zijn negatiever dan die bij lagere temperatuur. Dit betekent dat een hoge efficiëntie van adsorptie plaatsvindt bij hoge temperaturen. De grafiek van versus voor de schatting van de thermodynamische parameters voor de adsorptie van lood(II)ionen aan SAC2 is weergegeven in figuur 5. De positieve waarde van wijst op een toename van de vrijheidsgraad van het adsorberende oppervlak. Een soortgelijke waarneming werd gerapporteerd in de literatuur. De positieve waarde van voor de adsorptie van lood (II) aan SAC2 suggereert een endotherme aard van het proces.

(K) (kJ mol-1) ° (kJ mol-1) ° (kJ mol-1) ° (J K-1 mol-1) 298.15 -0.74 308.15 9.02 -0.99 9.46 34.15 318.15 -1.40

Tabel 2

Thermodynamische parameters berekend uit de Langmuir-isothermconstante, en activeringsenergie berekend uit de pseudo-second-orde snelheidsvergelijking, k 2, voor de adsorptie van lood(II)-ionen op actieve kool (SAC2).

Figuur 5

Plot van versus voor de schatting van thermodynamische parameters voor de adsorptie van lood(II)-ionen aan actieve kool (SAC2).

Plot van versus voor de schatting van de activeringsenergie voor de adsorptie van lood(II)-ionen aan SAC2 is weergegeven in figuur 6. De activeringsenergie bleek 9,02 kJ mol-1 te zijn bij 308,73 K.

Figuur 6

Plot van versus voor de schatting van de activeringsenergie voor de adsorptie van lood(II)-ionen aan de actieve kool (SAC2).

3.6. Adsorptie-isothermen

De adsorptiegegevens werden geanalyseerd met behulp van Langmuir- en Freundlich-isothermen.

Langmuir-isotherm: waarin de evenwichtsconcentratie van lood(II)-ionen op de actieve kool (mg g-1), de evenwichtsconcentratie van lood(II)-ionen in de oplossing (mg L-1), de monolaagadsorptiecapaciteit van actieve kool (mg g-1) en de Langmuir-adsorptieconstante (L mg-1) is.

Freundlich-isotherm: waarin de evenwichtsconcentratie van lood(II)-ionen op de actieve kool (mg g-1), de evenwichtsconcentratie van lood(II)-ionen in de oplossing (mg L-1), en (L g-1) en de Freundlich-adsorptie-isothermconstanten zijn. De grafieken van versus voor de adsorptie van lood(II)ionen aan de actieve kool zijn weergegeven in figuur 7. De Langmuir en Freundlich isotherm parameters zijn gegeven in tabel 3. De waarde van het Freundlich-model is hoger dan die van het Langmuir-model. Hieruit blijkt dat het Freundlich-model beter past dan het Langmuir-model. Het Freundlich isotherm model suggereert een heterogeen oppervlak. Een vergelijking voor lood(II)-ion adsorptiecapaciteiten van actieve kool geproduceerd uit verschillende lignocellulose materialen is weergegeven in tabel 4 . De maximale monolaag adsorptiecapaciteit van SAC2 uit Langmuir isothermen voor lood (II) ionen blijkt het hoogst te zijn in vergelijking met de literatuur .

Langmuir q max (mg g-1) 476.19 (L mg-1) 2.201 0,419 0,9413 Freundlich 1.586 (L g-1) 7,381 0.9624

Tabel 3

Adsorptie-isotherme constanten voor de adsorptie van lood(II)-ionen op de actieve kool (SAC2) bij 298,15 K.

.00 Biomassa pH (K) Werkingsomstandigheden Initiële concentratie of bereik (mg L-1) Hoeveelheid adsorbens (g L-1) Adsorptiecapaciteit (mg g-1) Apriksteen 6.5 298,15 – 2,0 22,85 Sojaboonschillen 5,0 296,15 518 10,0 39.37 Pecan shell 4.8 – 104 0.5-10.0 64.2 Coconut shell 5.6 298,15 – 2,0 76,66 Palmschelp 3,0 en 5,0 300,15 100-700 5,0 95.20 Zaagsel 5.0 300.15 50-1000 2.0 200.00 Bagasse pith 4.0-8.0 303,15 100 – 200,00 Korspitafval 4,0 – 25-100 – 263,00 – 263,00 – – – Euphorbia rigida 5.0 313.15 50-200 0.8 279.72 Sojabonenoliekoek* 5.5 298,15 50-500 0,5 476,2

Huidige studie.

Tabel 4

Vergelijking van de adsorptiecapaciteiten van actieve kool verkregen uit verschillende lignocellulosehoudende materialen voor lood(II)-ionen.

Figuur 7

Freundlich-plot voor de adsorptie van lood(II)-ionen aan de actieve kool (SAC2) bij 298.15 K.

4. Conclusies

De verwijdering van zware metaalionen uit een waterige oplossing door de actieve kool geproduceerd uit soja-oliekoek werd met succes uitgevoerd. De belangrijkste conclusies zijn als volgt. (i)De adsorptiecapaciteit voor lood(II)ionen nam toe met een toename van de initiële concentratie van lood(II)ionen. (ii) De kinetische modellering van het proces volgde het pseudo-second-orde kinetische model bij alle geteste temperaturen. (iii)Het adsorptieproces paste in het Freundlich-model. (iv)De maximale monolaagadsorptiecapaciteit van de actieve kool was 476,2 mg g-1, wat vrij hoog is in vergelijking met de waarden in de literatuur.

Bijgevolg zijn de omzetting van een bijproduct van de plantaardige olie-industrie in actieve kool en het gebruik ervan voor de adsorptie van lood(II)-ionen uit een waterige oplossing zeer belangrijk vanuit het oogpunt van economische en milieu-aspecten.