Активированный уголь для удаления железа

Индустриализация способствует экономическому и социальному развитию, но растущие промышленные объекты усиливают выбросы загрязняющих веществ, влияя на всю экосистему. Загрязнение воды - одно из страшных последствий индустриализации.

Данные показывают, что почти 60% поверхностных вод и 50% питьевой воды содержат ионы железа. В результате горнодобывающей деятельности, работы очистных сооружений и других мероприятий содержание железа в водных источниках в некоторых районах значительно увеличилось. Чрезмерное накопление железа может вызвать серьезные проблемы со здоровьем.

В данном исследовании технология адсорбции активированного угля была использована для очистки воды от железа. В ходе эксперимента была изучена целесообразность удаления ионов железа с помощью адсорбции периодического действия и адсорбции в стационарном слое.

Введение железа

Железо - 26-й элемент в периодической таблице - является важным элементом. Оно занимает около 5% земной коры и является вторым по распространенности металлом после кислорода, кремния и алюминия среди элементов.

Элементарное железо является переходным металлом. Основными состояниями окисления являются +2 (железистый) и +3 (железистый), хотя существуют также состояния окисления +4 (железистый) и +6 (ферратный). Соединения железа в состоянии +2 обозначаются как железистые и состоят из светло-зеленых ионов Fe, а соединения железа в состоянии +3 обозначаются как железистые и содержат комплексные ионы Fe, которые превращаются из желтых в оранжевые и в конечном итоге в коричневые, что зависит от степени гидролиза.

В воде, насыщенной кислородом, ионы Fe2+ окисляются до ионов Fe3+. Скорость окисления зависит в основном от концентрации ионов H+ и температуры раствора. Ферритные ионы обычно удерживают большее количество железа в растворе, чем ферритные ионы, и ферритные элементы, как правило, имеют более высокую растворимость по сравнению с элементарным железом.

Адсорбция для удаления железа

Железо является высокотоксичным веществом, поэтому необходимо контролировать этот загрязнитель на уровне выбросов. Существует множество технологий удаления железа из питьевой воды и городских отходов, таких как ионный обмен и умягчение воды, экстракция сверхкритическим флюидом, аэрированное окисление, микрофильтрация/ультрафильтрация, аэрированные сажевые фильтры и биоремедиация.

Основным недостатком этих технологий является то, что они либо дороги, либо не могут быть использованы без электроэнергии. Адсорбция - это прилипание адсорбированного вещества (адсорбата) к твердой поверхности. Адсорбаты существуют в жидкой фазе в виде растворителей, растворенных в жидкостях или газах. Она предпочтительнее других методов лечения благодаря простоте использования, простоте конструкции, высокой производительности, низкой стоимости, низкому образованию побочных продуктов и высокой терапевтической эффективности.

Это поверхностное явление, при котором загрязняющие вещества в сточных водах накапливаются на поверхности адсорбента. Осаждение ионов металла на адсорбенте происходит на границе раздела адсорбента, в результате чего образуется двумерная структура. Это зависит от свойств адсорбента, таких как поверхностный заряд, площадь поверхности и функциональность поверхности.

Адсорбция также превосходит другие процессы удаления благодаря своей высокой эффективности и возможности регенерации адсорбента и восстановления адсорбата. Одним из способов преодоления этих трудностей является адсорбция железа различными адсорбентами. Благодаря своему многофункциональному поведению активированный уголь оказался очень активным в очистке сточных вод.

Структура активированного угля

Точная атомная конфигурация активированного угля неизвестна, несмотря на его коммерческое значение в очистке воды и воздуха. Конфигурация угля готовится путем пиролиза.Эти угли можно классифицировать на две различные группы, графитизированные и неграфитизированные. Производные активированного угля являются неграфитизируемыми, что означает, что они могут превращаться в кристаллический графит даже при очень высоких температурах (≥3000℃).

Нейтронно-дифракционные исследования показали, что неграфитизируемые углероды имеют каркас, похожий на фуллерены, как показано на рисунке 1. Однако не было получено четких доказательств того, что атомы связаны в виде пентагональных или гексагональных колец.

Поры активированного угля

В дополнение к кристаллизации и химической конфигурации активированного угля, его пористая структура также играет решающую роль в различных областях применения. Поглощающая способность активированного угля сильно связана с площадью поверхности, объемом пор и распределением пор по размерам.

Она в основном зависит от природы и химической обработки сырья. Пористая структура активированного угля образуется путем удаления неуглеродных веществ в сырье во время карбонизации, в результате чего образуется неподвижный углеродный блок с основной структурой пор, которая в дальнейшем развивается в процессе активации.

В процессе активации увеличивается диаметр пор, образовавшихся в процессе карбонизации, и в то же время образуются новые поры, в результате чего формируется развитая пористая структура. Поры в активированном угле имеют различные размеры и формы. На распределение размеров пор полученного активированного угля в основном влияет степень пропитки. Условия активации и карбонизации являются наиболее критическими параметрами, влияющими на тип пористости полученного активированного угля.

Активированные угли классифицируются по размеру пор следующим образом: макропоры (>50 нм), мезопоры (2-5 нм) и микропоры (<2 нм). Микропоры можно дополнительно разделить на ультрамикропоры (<0,5 нм) и ультрамикропоры (1-2 нм). Мезопоры служат путями для прохождения молекул адсорбата через микропористую сеть. Макропоры не служат никакой цели, но они помогают направлять ионы металлов в мезопоры и микропористые поверхности. Характерное распределение размеров пор активированного угля показано на рис. 2.

Рабочее состояние активированного угля для железа

Процесс адсорбции в значительной степени зависит от различных ограничений, таких как pH, дозировка сорбента, начальная концентрация, время контакта и температура. Влияние этих параметров на адсорбцию железа активированным углем было подробно изучено для определения оптимальных условий.

Активированный уголь использовался для исключения ионов Fe(II) из водной фазы в нескольких диапазонах pH от 2 до 6. Установлено, что при pH<3 эффективность удаления была самой низкой. По мере увеличения pH раствора процент удаления значительно возрастал, и максимальная скорость удаления была достигнута при pH5,0.

Количество железа, адсорбированного на активированном угле, увеличивается с увеличением времени контакта. Из-за высокой движущей силы между адсорбентом и ионами металлов в растворе скорость адсорбции была быстрой в первые 90 мин.

Адсорбционные участки, доступные в начале, замедляются и достигают равновесия примерно через 150 мин. Увеличение времени работы до 6 ч не повлияло на остаточную концентрацию ионов металлов, что указывает на достижение равновесия в течение 150 мин, после чего накопление ионов железа затрудняет их диффузию в сорбент. Сопротивление диффузии увеличивается с увеличением заполнения микропор, что противоречит влиянию времени контакта.

Удаление ионов металлов представляет собой сильно зависящий от концентрации процесс, который можно рассматривать как эффект массопереноса. Адсорбция регулируется монослойным покрытием молекул на границе сорбента активированного угля.

Поэтому процесс адсорбции вначале протекает очень быстро. При более высоких концентрациях вакансии, имеющиеся на поверхности угля, будут окружены большим количеством адсорбатов. Поэтому ионы металлов не только адсорбировались монослоем на периферийной поверхности адсорбента активированного угля, но и диффундировали во внутреннюю часть частиц активированного угля.

Заключение

Активированный уголь адсорбирует, устраняя воздействие железа на окружающую среду. Хотя железо является важным минералом для человека, если содержание железа в воде превышает определенный уровень, оно делает воду непригодной для питья, что приводит к различным нарушениям здоровья. Обеспечение людей безопасной питьевой водой является универсальной потребностью человека. Поэтому эффективные и доступные технологии необходимы для использования активированного угля в водоподготовке для удаления железа из воды с целью обеспечения безопасной питьевой воды.