АЗОТНОКИСЛОТНА МОДИФІКАЦІЯ ВИКОПНОГО ВУГІЛЛЯ ЯК МЕТОД ПОКРАЩЕННЯ ПОГЛИНАЛЬНОЇ ЗДАТНОСТІ ВУГЛЕЦЕВИХ АДСОРБЕНТІВ
DOI:
https://doi.org/10.32782/naturaljournal.16.2026.14Ключові слова:
викопне вугілля, лужна активація, активоване вугілля, адсорбція, 4-хлорфенол, метиленовий блакитний, катіони свинцюАнотація
Викопне вугілля різного ступеня метаморфізму (СМ) представляє значну групу прекурсорів для отримання активованого вугілля (АВ) для вилучення екотоксикантів. З огляду на практичну значущість АВ, актуальними є дослідження, спрямовані на вдосконалення методів їхнього синтезу та покращення адсорбційних характеристик. Одним із перспективних підходів є спрямована зміна властивостей АВ шляхом окисної обробки прекурсора, зокрема азотнокислотної модифікації вихідного вугілля. Аналіз літературних даних свідчить, що азотнокислотна обробка кінцевого АВ руйнує його нанопористу структуру, тоді як модифікація безпосередньо вугілля-прекурсора забезпечує протилежний ефект: збільшує питому площу поверхні та підвищує адсорбційну активність. У цій роботі вперше кількісно оцінено вплив низькотемпературної азотнокислотної модифікації викопного вугілля різного СМ на адсорбційні властивості зразків АВ, отриманих шляхом лужної активації за низького вагового співвідношення КОН/вугілля (1 г/г). Досліджено зразки кам’яного вугілля широкого діапазону СМ із вмістом вуглецю Cdaf = 80.0–95.2%. Модифікацію здійснювали розчином HNO3 (50%) при 25±2°C протягом 24 год. Зразки АВ отримували активацією вихідного вугілля з КОН (800°C, 1 год), а зразки АВ(М) – з модифікованого вугілля за аналогічних умов. Визначено вихід продуктів, питому площу поверхні SBET та адсорбційну ємність щодо 4-хлорфенолу (ХФ), метиленового блакитного (МБ) та катіонів Pb(II), які є типовими екотоксикантами. Встановлено, що за уніфікованих умов синтезу та активації саме ступінь метаморфізму вугілля визначає параметри пористості та адсорбційну здатність АВ. Отримано залежності SBET та ємностей зразків АВ з модифікованого вугілля від вмісту вуглецю прекурсору. Ці зразки мають вищу (в 1.13–1.34 рази) поверхню SBET порівняно з АВ з вихідного вугілля. Модифікація сприяє зростанню адсорбційної ємності за ХФ (в 1.14–2.54 рази), МБ (до 1.60 раза) та Pb(II) (в 1.34–1.76 рази). Найвищі показники ємності продемонструвало АВ на основі модифікованого довгополуменевого вугілля: 4.43 ммоль/г (ХФ), 0.81 ммоль/г (МБ) та 1.02 ммоль/г (Pb). Розраховано питомі адсорбційні ємності, які є пропорційними поверхневій концентрації адсорбційних центрів. У зразків АВ(М) цей параметр для ХФ змінюється екстремально з максимумом для вугілля середнього СМ. Питома ємність за МБ та Pb(II) залишається майже незмінною в інтервалі Cdaf = 80–88% і стрімко знижується у антрацитових АВ. На основі порівняння отриманих результатів із літературними даними зроблено висновок, що зразки АВ із модифікованого низькометаморфізованого вугілля є високоефективними адсорбентами для вилучення органічних екотоксикантів та важких металів з водних середовищ.
Посилання
Ahmed M.J., Theydan S.K. Adsorption of p-chlorophenol onto microporous activated carbon from Albizia lebbeck seed pods by one-step microwave assisted activation. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2013. Vol. 100. P. 253–260. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2013.01.008.
Asuquo E., Martin A., Nzerem P., Siperstein F., Fan X. Adsorption of Cd (II) and Pb (II) ions from aqueous solutions using mesoporous activated carbon adsorbent: Equilibrium, kinetics and characterisation studies. Journal of Environmental Chemical Engennering. 2017. Vol. 5. № 1. P. 679–698. https://doi.org/10.1016/j.jece.2016.12.043.
Bergna D., Varila T., Romar H., Lassi U. Activated carbon from hydrolysis lignin: Effect of activation method on carbon properties. Biomass and Bioenergy. 2022. Vol.159. 106387. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2022.106387
Bora M., Bhattacharjya D., Saikia B.K. Coal-derived activated carbon for electrochemical energy storage: status on supercapacitor, Li-Ion battery, and Li-S battery applications. Energy & Fuels. 2021. Vol. 35. № 22. P. 18285−18307. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.1c02518
Chen C., Geng X., Huang W. Adsorption of 4-chlorophenol and aniline by nanosized activated carbons. Chemical Engeneering Journal. 2017. Vol. 327. P. 941–952. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.06.183.
Dao M.U., Le H.S., Hoang H.Y., Tran V.A., Doan V.D., Le T.T.N., Sirotkin A. Natural core-shell structure activated carbon beads derived from Litsea glutinosa seeds for removal of methylene blue: facile preparation, characterization, and adsorption properties. Enviromental Research. 2021. Vol. 198. 110481. https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.110481.
Dong D., Xiao Y. Recent progress and challenges in coal-derived porous carbon for supercapacitor applications. Chemical Engeneering Journal. 2023. Vol. 470. 144441. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144441.
Gao X., Yang S., Hu L., Cai S., Wu L., Kawi S. Carbonaceous materials as adsorbents for CO2 capture: synthesis and modification. Carbon Capture Science & Technology. 2022. Vol. 3. 100039. https://doi.org/10.1016/j.ccst.2022.100039
Ghorbani M., Seyedin O., Aghamohammadhassan M. Adsorptive removal of lead (II) ion from water and wastewater media using carbon-based nanomaterials as unique sorbents: A review. Journal of Environmental Management. 2020. Vol. 254. 109814. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.109814.
Hamyali H., Nosratinia F., Rashidi A., Ardjmand M. Anthracite coal-derived activated carbon as an effectiveness adsorbent for superior gas adsorption and CO2 / N2 and CO2 / CH4 selectivity: Experimental and DFT study. Journal of Environmental Chemical Engennering. 2022. Vol. 10. № 1. 107007. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.107007
Jasri K., Abdulhameed A.S., Jawad A.H., Al Othman Z.A., Yousef T.A., Al Duaij O.K. Mesoporous activated carbon produced from mixed wastes of oil palm frond and palm kernel shell using microwave radiation-assisted K2CO3 activation for methylene blue dye removal: Optimization by response surface methodology. Diamond and Related Materials. 2023. Vol. 131. 109581. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.109581.
Jiang J., Li R., Yang K., Li Y., Deng L., Che D. Investigation on Pb2+ adsorption characteristics by AAEMs-rich biochar in aqueous solution: Performance and mechanism. Environmental Research. 2023. Vol. 236. Part. 1. 116731. https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.116731.
Kim J.H., Hwang S.Y., Park J.E., Lee G.B., Kim H., Kim S., Hong B.U. Impact of the oxygen functional group of nitric acid-treated activated carbon on KOH activation reaction. Carbon Letters. 2019. Vol. 29. P. 281–287. https://doi.org/10.1007/s42823-019-00024-0.
Kucherenko V., Tamarkina Y., Redko A., Frolova I. Adsorbents derived from nitric acid-oxidised coal and activated with potassium hydroxide. Technologies and Engineering. 2025. Vol. 26. № 3. P. 24–37. https://doi.org/10.30857/2786-5371.2025.3.2.
Kucherenko V.O., Tamarkina Yu.V., Sabierova V.O., Nechitaylov M.M. Anthracite nanoporous carbons obtained by nitric acid intercalation followed by alkaline activation. Хімія, фізика та технологія поверхні. 2025. Т. 16. № 2. С. 238-252. https://doi.org/10.15407/hftp16.02.238.
Kunarbekova M., Busquets R., Sailaukhanuly Ye., Mikhalovsky S.V., Toshtay K., Kudaibergenov K., Azat S. Carbon adsorbents for the uptake of radioactive iodine from contaminated water effluents: A systematic review. Journal of Water Process Engeneering. 2024. Vol. 67. 106174. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.106174.
Lee S.-Yi., Mahajan R.L. A facile method for coal to graphene oxide and its application to a biosensor. Carbon. 2021. Vol. 181. P. 408–420. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.05.007
Li H., He X., Wu T., Jin B., Yang L., Qiu J. Synthesis, modification strategies and applications of coal-based carbon materials. Fuel Processing Technologies. 2022. Vol. 230. 107203. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2022.107203.
Li H., Budarin V.L., Clark J.H., North M., Wu X. Rapid and efficient adsorption of methylene blue dye from aqueous solution by hierarchically porous, activated starbons®: Mechanism and porosity dependence. Journal of Hazardous Materials. 2022. Vol. 436. 129174. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129174.
Li L., Wu M., Song C., Liu L., Gong W., Ding Y., Yao J. Efficient removal of cationic dyes via activated carbon with ultrahigh specific surface derived from vinasse wastes. Bioresource Technologies. 2021. Vol. 322. 124540. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124540.
Liu G., Qiu L., Deng H., Wang J., Yao L., Deng L. Ultrahigh surface area carbon nanosheets derived from lotus leaf with super capacities for capacitive deionization and dye adsorption. Applied Surface Sci.ence. 2020. Vol. 524. 146485. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.146485.
Mbarki F., Selmi T., Kesraoui A., Seffen M. Low-cost activated carbon preparation from Corn stigmata fibers chemically activated using H3PO4, ZnCl2 and KOH: Study of methylene blue adsorption, stochastic isotherm and fractal kinetic. Industrial Crops and Products. 2022. Vol. 178. Article 114546. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.114546.
Pietrzak R., Nowicki P., Wachowska H. The influence of oxidation with nitric acid on the preparation and properties of active carbon enriched in nitrogen. Applied Surface Science. 2009. Vol. 255. № 6. P. 3586–3593. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.10.002.
Тамаркіна Ю.В., Аніщенко В.М., Редько А.М., Кучеренко В.О. Активоване лугом викопне вугілля. Мікропориста структура та здатність адсорбувати фенольні сполуки. Хімія, фізика та технологія поверхні. 2022. Т. 13. № 1. С. 111–124. https://doi.org/10.15407/hftp13.01.111.
Tellez-Juárez M.C., Fierro V., Zhao W., Fernández-Huerta N., Izquierdo M.T., Reguera E., Celzard A. Hydrogen storage in activated carbons produced from coals of different ranks: Effect of oxygen content. International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. № 10. P. 4996–5002. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.01.071.
Vasanth Kumar K., Preuss K., Titirici M.-M., Rodríguez-Reinoso F. Nanoporous materials for the onboard storage of natural gas. Chemical Review. 2017. Vol. 117. № 3. P. 1796–1825. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00505.
Wu F.-C., Wu P.-H., Tseng R.-L., Juang R.-S. Preparation of novel activated carbons from H2SO4-рretreated corncob hulls with KOH activation for quick adsorption of dye and 4-chlorophenol. Journal of Environmental Management. 2011. Vol. 92. № 3. P. 708–713. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2010.10.003.
Wu P., Wang Y., Liu Y. Recent advances in heteroatom-doped porous carbon for adsorption of gaseous pollutants. Chemical Engeneering Journal. 2024. Vol. 491. 152142. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152142.
Xing B.-L., Guo H., Chen L.-J., Chen Z.-F, Zhang C.-X., Huang G.-X., Xie W., Yu J.-L. Lignite-derived high surface area mesoporous activated carbons for electrochemical capacitors. Fuel Processing Technology. 2015. Vol. 138. P. 734–742. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2015.07.017.
Zhao C., Ge L., Mai L., Li X., Chen S., Li Q., Li S., Yao L., Wang Y., Xu C. Review on coal-based activated carbon: preparation, modification, application, regeneration, and perspectives. Energy & Fuels. 2023. Vol. 37. Is. 16. P. 11622–11642. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.3c01866.
Zhao X.-Y., Huang S.-S., Cao J.-P., Xi S.-C., Wei X.-Y, Kamamoto J., Takarada T. KOH activation of a HyperCoal to develop activated carbons for electric double-layer capacitors. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2014. Vol. 105. P. 116–121. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2013.10.010.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
