Abstract

Förflyttning av bly(II)-joner från vattenlösningar utfördes med hjälp av aktivt kol som framställts av biomassaavfall. Effekterna av olika parametrar såsom pH, kontakttid, initial koncentration av bly(II)-joner och temperatur på adsorptionsprocessen undersöktes. Analys av EDS (Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) efter adsorptionen visar att bly(II)-joner har ackumulerats på aktivt kol. Langmuir- och Freundlich-isotermmodellerna användes för att analysera jämviktsdata. Den maximala adsorptionskapaciteten i ett monolager för aktivt kol visade sig vara 476,2 mg g-1. De kinetiska uppgifterna utvärderades och pseudo-sekundordningsekvationen gav den bästa korrelationen. Termodynamiska parametrar tyder på att adsorptionsprocessen är endotermisk och spontan.

1. Introduktion

Användningen av olika adsorbenter för avlägsnande av tungmetalljoner från vattenlösning är av stort intresse på grund av miljöhänsyn. Det malda äggskalsavfallet visade sig vara ett effektivt adsorbent för avlägsnande av anjoniskt färgämne från vattenlösning . Avlägsnandet av kadmium med hjälp av citrusfrukter, äpplen och vindruvor har undersökts. Det rapporterades att citrusskal visade hög adsorptionskapacitet . Aktivt kol används ofta för att avlägsna tungmetalljoner från vattenlösning . Beredningen av granulärt aktivt kol (GAC) från biprodukter från jordbruket och dess användning i adsorptionsexperiment rapporterades av Johns et al. Slutsatsen var att GAC som framställts av biprodukter från jordbruket var effektivare än kommersiellt GAC när det gäller adsorptionskapacitet . Avlägsnandet av organiskt kvicksilver från avloppsvatten har testats med hjälp av aktivt kol och med en jonbytesharts (Amberlite GT73) . Det rapporterades att aktivt kol visade högre adsorptionskapacitet än jonbytesharts.

Det finns förståeligt nog en stor ansträngning för att hitta lågkostnadsmaterial för att framställa aktivt kol. I den aktuella artikeln beskriver vi våra ansträngningar att avlägsna bly(II)-joner från en vattenlösning genom att använda aktivt kol som producerats från sojaoljekakor med kemisk aktivering. Sojaoljekaka, en biprodukt från jordbruket, användes för att framställa det aktiva kolet. Adsorptionen av bly(II)-joner på det aktiva kolet undersöktes med variationer i parametrarna pH, kontakttid, koncentration av bly(II)-joner och temperatur. Den kinetiska modellen för adsorption av bly(II)-joner på aktivt kol studerades också.

2. Experimentellt

2.1. Material

Biomassan (sojaoljekakaka) erhölls från Altinyag Oil Company, Izmir, Turkiet. Provet innehöll 17,86 viktprocent extraktivämnen, 52,51 viktprocent hemicellulosa, 2,80 viktprocent lignin och 21,58 viktprocent cellulosa. Elementaranalysen av sojaoljekakan är följande: 44,48 viktprocent C, 6,28 viktprocent H, 8,21 viktprocent N, 0,54 viktprocent S, 40,49 viktprocent O (genom skillnad) och 5,83 viktprocent aska. Alla kemikalier som användes i denna studie var av analytisk kvalitet.

2.2. Framställning av aktivt kol

Förberedelse av aktivt kol från sojaoljekaka genom K2CO3-aktivering med impregneringskvoten 1,0 utfördes. K2CO3 blandades med sojaoljekakan över natten så att reagenserna absorberades helt i biomassan. Slurryn torkades sedan vid 105 °C. Det impregnerade materialet sattes i en reaktor och förkolnades sedan vid 1073,15 K. Experimentella detaljer för framställningen av aktivt kol finns i en tidigare rapport . Avkastningen av aktivt kol visade sig vara 11,56 viktprocent. Det aktiverade kolet, med beteckningen SAC2, siktades till partiklar med en storlek av <63 μm och användes för experimenten. En mätning av den specifika ytan hos det aktiva kolet som framställts av sojaoljekakor genom kemisk aktivering med K2CO3 har gjorts genom N2-adsorption (vid 77 K) med hjälp av en ytanalysator (Quantachrome Inst., Nova 2200e). Ytladdningsfördelningen av SAC2 mättes som en funktion av pH med hjälp av en Malvern Zetasizer Nanoseries. Elementsammansättningen i det aktiva kolet bestämdes med hjälp av en LECO CHNS 932 Elemental Analyzer. De fysikalisk-kemiska egenskaperna hos det aktiva kolet är följande: 81,03 viktprocent C, 0,53 viktprocent H, 0,06 viktprocent N, 0,05 viktprocent S, 18,33 viktprocent O (genom skillnad), 0,98 viktprocent askhalt, 1352,86 m2 g-1 specifik yta, 0,680 cm3 g-1 total porvolym, 0,400 cm3 g-1 mikroporvolym och 10,05 Å genomsnittlig pordiameter.

2.3. Adsorptionsexperiment

Adsorptionsexperimenten utfördes i ett batchsystem. En viss mängd SAC2 tillsattes till en bly(II)nitratlösning i en Erlenmeyerkolv som stängdes med en glaspropp och kolvens innehåll rördes om med hjälp av en magnetomrörare vid 200 varv per minut för att bestämma de optimala värdena för pH, initial koncentration av bly(II)-joner.

En stamlösning som innehöll 1000 mg L-1 bly(II)-joner användes för adsorptionsexperimenten. De nödvändiga koncentrationerna av bly (II) tillhandahölls genom utspädning med avjoniserat vatten. 100 mL av en bly(II)-lösning som innehöll 50 mg adsorbent i en 250 mL konisk kolv med propp rördes om vid 200 rpm i ett vattenbad, vars temperatur kontrollerades till önskad temperatur (298,15, 308,15 och 318,15 K). Koncentrationen av bly(II)-joner i lösningen bestämdes med atomabsorptionsspektrometri (Perkin Elmer A. Analyst 800 Model). Mängden bly(II)-joner på adsorbenten vid jämvikt bestämdes utifrån skillnaden mellan den ursprungliga och slutliga koncentrationen av bly(II)-lösningarna.

SAC2 efter adsorption av bly(II)-joner torkades i en ugn under vakuum vid 50 °C i 24 timmar, och därefter karaktäriserades de bly(II)-joner som adsorberats i SAC2 med hjälp av ett svepelektronmikroskop med fältemission (SEM, Carl Zeiss Ultra Plus) utrustat med en energidispersiv röntgenspektrofotometer (EDS-analys).

3. Resultat och diskussion

3.1. Effekten av pH

Påverkan av pH på adsorptionskapaciteten för bly(II)-joner hos SAC2 studerades vid 300 mg L-1 initial koncentration av bly(II)-joner och vid 298,15 K. Lösningarnas pH är en faktor som spelar en viktig roll i adsorptionsprocessen. Eftersom bly(II)-joner fälls ut som bly(II)-hydroxid vid pH-värden över 6,7 utfördes inga adsorptionsexperiment över detta pH-värde. Kolets amfoteriska natur har påverkat både de funktionella grupperna på ytan och det aktiverade kolets nollpunkt (pHPZC). Kationisk adsorption gynnas vid pH > pHPZC och anjonisk adsorption gynnas vid pH < pHPZC. Zeta-potentialen och adsorptionskapaciteten hos SAC2 i förhållande till lösningens pH-värde illustreras i figurerna 1(a) respektive 1(b). Som framgår av figuren är pHPZC för SAC2 6,1 och ytan var positivt laddad när lösningens pH var lägre än 6,1. Storleken på SAC2:s ytladdning minskade när pH ökade från 2 till 6. Ökad positiv laddningstäthet på den aktiverade kolytan vid låga pH-värden (mindre än 3) hindrade metallkatjoner från att komma nära. När pH-värdet ökade minskade tvärtom den elektrostatiska avstötningen mellan bly(II)-joner och SAC2:s yta blev mindre positivt laddad, och SAC2:s adsorptionskapacitet ökade. Den maximala adsorptionskapaciteten var 244,9 mg g-1 vid pH 6,0.

(a)

(b)

.
(a)
(b)

Figur 1

(a) Zeta-potentialer för SAC2 som funktion av pH, (b) Effekten av pH för adsorption av bly(II)-joner på aktivt kol (SAC2). ( = 300 mg L-1; mg; mL; °C; omrörningshastighet 200 rpm).

3.2. Effekten av kontakttid

En serie kontakttidsexperiment för adsorption av bly(II)-joner på SAC2 utfördes vid den initiala koncentrationen av bly(II)-joner (300 mg L-1) och temperaturerna 298,15, 308,15 och 318,15 K. Effekterna av kontakttid på adsorptionsprocessen visas i figur 2. Den adsorberade mängden bly(II)-joner ökade med ökad kontakttid upp till 100 minuter, därefter fanns det ingen signifikant ökning av adsorptionen av bly(II)-joner på SAC2. Vid 60 minuters kontakttid var den adsorberade mängden bly(II)-joner på SAC2 221,9, 232,6 och 240,2 mg g-1 vid 298,15, 308,15 respektive 318,15 K.

Figur 2

Effekt av kontakttid för adsorption av bly(II)-joner på aktivt kol (SAC2). ( = 300 mg L-1; mg; mL; pH = 5,5; omrörningshastighet 200 rpm).

3.3. Effekten av initial koncentration av bly(II)-joner

SAC2:s adsorptionskapacitet för bly(II)-joner ökade med en ökning av den initiala koncentrationen av bly(II)-joner. En ökning av den initiala koncentrationen av bly(II)-joner orsakar massöverföring från den vattenhaltiga fasen till den fasta fasen. Den maximala adsorptionskapaciteten erhölls vid en initial koncentration av bly(II)-joner på 500 mg L-1. SEM-bilden och röntgenspektrumet av SAC2 efter adsorption kan ses i figur 3. Förekomsten av en topp i spektrumet som tillhör bly visar tydligt att det skett en ackumulering av bly(II)-joner på SAC2.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 3

SEM-bild och EDS-spektrum av SAC2 efter adsorption av bly (II).

3.4. Adsorptionskinetik

För att undersöka adsorptionsprocessen av bly(II)-joner på SAC2 tillämpades modellerna pseudo-första ordningens kinetik , pseudo-andra ordningens kinetik och intrapartikeldiffusion på de experimentella data.

Den pseudo-första ordningens kinetiska modellekvation visas som där och är de mängder bly(II)-joner (mg g-1) som absorberas vid jämvikt respektive vid tiden , och är första ordningens hastighetskonstant (min-1).

Den kinetiska modellen för pseudoandraordning visas som där är den maximala adsorptionskapaciteten (mg g-1) för pseudoandraordningsadsorptionen och är jämviktshastighetskonstanten för pseudoandraordningsadsorptionen (g mg-1 min-1).

Intrapartikeldiffusionen kan presenteras med följande ekvation: där är interceptet och är intrapartikeldiffusionshastighetskonstanten (mg g-1 min-1/2).

Plottningarna av den linjära formen för pseudo-första ordningen (ej visad), pseudo-andra ordningen och intrapartikeldiffusionen (ej visad) för adsorption av bly(II)-joner på SAC2 erhölls vid temperaturerna 298,15, 308,15 och 318,15 K. Resultaten av de kinetiska parametrarna visas i tabell 1. Värdena på korrelationskoefficienterna för den kinetiska pseudo-sekundordermodellen () var högre än värdena för den kinetiska pseudo-första ordningens kinetiska modell och för intrapartikeldiffusionsmodellen. Detta tyder på att adsorptionen av bly(II)-joner följde pseudo-sekundordningskinetiken med korrelationskoefficienter högre än 0,99 för alla testade temperaturer. I figur 4 visas kurvorna för adsorptionsprocessen vid olika temperaturer. Med stigande temperatur minskade värdena för korrelationskoefficienterna i den pseudo-första ordningens kinetiska modell.

Temperatur (K) 298,15 308,15 318.15 Pseudo första ordningen 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 andra ordning 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 Intrapartikeldiffusion (mg g min-1/2) 8.7429 9.9775 11.319 153.74 152.85 154.53 0.9390 0.8791 0.8659

Tabell 1

Kinetiska parametrar för adsorption av bly(II)-joner på aktivt kol (SAC2).

Figur 4

Pseudo-sekundoordnings kinetisk plott för adsorptionen av bly(II)-joner på aktivt kol (SAC2).

3.5. Adsorptionstermodynamik

Thermodynamiska parametrar bestående av förändring av Gibbs fria energi (), enthalpiförändring () och entropiförändring () beräknades med hjälp av följande ekvation: där är den universella gaskonstanten (8,314 J mol-1 K-1), är temperaturen (K) och värdet beräknades med hjälp av följande ekvation: där och är jämviktskoncentrationen av bly(II)-joner på det aktiverade kolet (mg g-1) respektive i lösningen (mg L-1).

Adsorptionens entalpiförändring () och entropiförändring () uppskattades med hjälp av följande ekvation:

Enthalpiförändringen () och entropiförändringen () kan erhållas från lutningen och interceptet av en Van’t Hoff-ekvation för () enligt följande: där är den fria Gibbs-energiförändringen (J), är den universella gaskonstanten (8,314 J mol-1 K-1) och är den absoluta temperaturen (K).

Thermodynamiska parametrar anges i tabell 2. Gibbs fria energiförändring () är en indikator på graden av spontanitet i adsorptionsprocessen. För att ge en bättre adsorption är det nödvändigt att ha ett negativt värde för Gibbs fria energiändringar (). Värdena för Gibbs fria energiförändring () för adsorption av bly(II)-joner bestämdes till 0,74, -0,99 och -1,40 kJ mol-1 vid temperaturerna 298,73, 308,73 respektive 318,73 K. Dessa värden tyder på att adsorptionsprocessen är spontan och genomförbar under dessa förhållanden. Värdena vid högre temperatur är mer negativa än värdena vid lägre temperatur. Detta innebär att adsorptionen sker med hög effektivitet vid höga temperaturer. Figur 5 visar en plott av kontra för uppskattning av termodynamiska parametrar för adsorption av bly(II)-joner på SAC2. Det positiva värdet av återspeglar en ökning av adsorbentens ytans frihetsgrad. Liknande observationer har rapporterats i litteraturen . Det positiva värdet av för adsorption av bly(II)-joner på SAC2 tyder på att processen är endotermisk.

Figur 5

Plott av versus för uppskattning av termodynamiska parametrar för adsorption av bly(II)-joner på aktivt kol (SAC2).

Figur 6 visar en kurva över aktiveringsenergi för adsorption av bly(II)-joner på SAC2. Aktiveringsenergin visade sig vara 9,02 kJ mol-1 vid 308,73 K.

Figur 6

Plott av kontra för uppskattning av aktiveringsenergin för adsorption av bly(II)-joner på aktivt kol (SAC2)

3.6. Adsorptionsisotermer

Adsorptionsdata analyserades med hjälp av Langmuir- och Freundlich-isotermer .

Langmuir-isoterm: där är jämviktskoncentrationen av bly(II)-joner på det aktiva kolet (mg g-1), är jämviktskoncentrationen av bly(II)-joner i lösningen (mg L-1), är adsorptionskapaciteten hos det aktiva kolet i ett enda skikt (mg g-1) och är Langmuir-adsorptionskonstanten (L mg-1).

Freundlich-isoterm: där är koncentrationen av bly(II)-joner i jämvikt på det aktiva kolet (mg g-1), är koncentrationen av bly(II)-joner i jämvikt i lösningen (mg L-1), och (L g-1) och är Freundlichs isotermkonstanter för adsorption. Diagrammen för adsorption av bly(II)-joner på aktivt kol visas i figur 7. Langmuir- och Freundlich-isotermparametrarna anges i tabell 3. Värdet för Freundlich-modellen är högre än för Langmuir-modellen. Detta visar att Freundlich-modellen passar bättre än Langmuir-modellen. Freundlichs isoterm-modell tyder på en heterogen yta . En jämförelse av adsorptionskapaciteten för bly(II)-joner hos aktivt kol som tillverkats av olika lignocellulosamaterial redovisas i tabell 4 . Den maximala adsorptionskapaciteten i monolager för SAC2 från Langmuir-isotermerna för bly(II)-joner visar sig vara den högsta i jämförelse med litteraturen .

Figur 7

Freundlich-plot för adsorption av bly(II)-joner på aktivt kol (SAC2) vid 298.15 K.

4. Slutsatser

Avlägsnande av tungmetalljoner från vattenlösning med hjälp av aktivt kol framställt av sojaoljekakor har utförts framgångsrikt. De viktigaste slutsatserna är följande: (i) Adsorptionskapaciteten för bly(II)-joner ökade med en ökning av den initiala koncentrationen av bly(II)-joner. (ii)Den kinetiska modelleringen av processen följde den pseudoandra ordningens kinetiska modell vid alla testade temperaturer. (iii)Adsorptionsprocessen passade in på Freundlich-modellen.(iv)Den maximala adsorptionskapaciteten i monolager för det aktiva kolet var 476,2 mg g-1, vilket är ganska högt i jämförelse med värdena i litteraturen.

Följaktligen är omvandlingen av en biprodukt från vegetabilisk oljeindustri till aktivt kol och dess användning vid adsorption av bly(II)-joner från vattenlösning mycket viktig ur ekonomisk och miljömässig synvinkel.