НАНОПОРИСТІ МАТЕРІАЛИ З ДОВГОПОЛУМЕНЕВОГО ВУГІЛЛЯ ДЛЯ ОЧИЩЕННЯ ВОДИ ВІД БАРВНИКА МЕТИЛЕНОВОГО БЛАКИТНОГО

Анотація

Розвиток промисловості призвів до забруднення води барвниками, які є екотоксикантами через канцерогенну і мутагенну активність та негативний вплив на фотосинтез. Ефективним методом очищення води є адсорбція нанопористими вуглецевими матеріалами (ВМ) з високою питомою поверхнею (≥2000 м2/г). Такі ВМ отримують термохемолізом викопного вугілля з КОН при великих співвідношеннях КОН/вугілля (3–7 г/г), що технологічно та екологічно не прийнятно. Тому є актуальними дослідження, орієнтовані на синтез ВМ при малих витратах лугу (≤1 г/г) та дослідження їх здатності уловлювати органічні сполуки з води. Мета даної роботи – вивчити перетворення довгополуменевого вугілля у ВМ, яке обумовлено підвищенням температури лужного термохемолізу, та оцінити її вплив на адсорбційну активність ВМ по відношенню до метиленового блакитного (МБ). МБ обрано як типовий забруднювальний барвник для кількісної оцінки поглинальної здатності нових ВМ. Зразки ВМ отримували нагріванням вугілля з КОН до заданої температури в межах t=350–825°С та витримкою 1 год. За ізотермами (77 К) адсорбції-десорбції азоту розраховано (метод 2D-NLDFT-НS, програма SAIEUS) загальний об’єм пор Vt, питому поверхню SDFT, об’єми та поверхню ультрамікропор (Vumi, Sumi), супермікропор (Vsmi, Ssmi), мікропор (Vmi, Smi) та мезо- і макропор (Vme+ma, Sme+ma). Позначення пор та їх середні діаметри (D) прийнято за рекомендаціями IUPAC. Встановлено, що температура лужного термохемолізу визначає пористість та адсорбційну ємність за МБ. Найбільша питома поверхня (1514–1530 м2/г) та ємність (189–204 мг/г) притаманна ВМ, отриманим при 785–825°С. На основі температурних залежностей об’єму пор та питомої поверхні виявлено збільшення величин Vumi, Vsmi, Sumi та Ssmi з ростoм температури до 600 °С. За більш високих температур об’єм Vumi знижується, оскільки ультрамікропори (D ≤0,7 нм) трансформуються в супермікропори (D = 0,7 – 2,0 нм). Кінетика адсорбції МБ (25 °С) підпорядковується моделі псевдо-другого порядку; адсорбційна рівновага досягається за ~3 год. Стадією, яка визначає швидкість адсорбції, є взаємодія молекул МБ з поверхневими адсорбційними центрами (АЦ). Ізотерми адсорбції найкраще описуються моделлю Ленгмюра. Встановлено низьку активність ВМ, отриманих при 350–600 °С: ємність варіюється у вузьких межах (14–38 мг/г), хоча питома поверхня збільшується з 11 м2/г до ~1000 м2/г. При зростанні SDFT до ~900 м2/г ємність за МБ майже постійна, отже в цій області додаткові АЦ практично не утворюються або просторово недоступні. Для ВМ з поверхнею SDFT >900 м2/г формування АЦ пропорційне зростанню SDFT. Встановлено, що головні чинники, які зумовлюють адсорбційну активність ВМ, є об’ємне заповнення мезопор та π–π взаємодія МБ з поліареновим фрагментом ВМ. Кислотні функційні групи не відіграють істотної ролі в поглинанні МБ внаслідок їх розміщення на поверхні мікропор, які є малодоступними для молекул барвника.