ADSORPCJA SUBSTANCJI POWIERZCHNIOWO CZYNNYCH Z ROZTWORÓW WODNYCH NA PYLISTYCH WĘGLACH AKTYWNYCH

Transkrypt

1 Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle (2008) DAGMARA KOWALCZYK Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska ul. Brzeźnicka 60a, Częstochowa ADSORPCJA SUBSTANCJI POWIERZCHNIOWO CZYNNYCH Z ROZTWORÓW WODNYCH NA PYLISTYCH WĘGLACH AKTYWNYCH Przeprowadzono badania adsorpcji dwóch anionowych i jednego kationowego związku powierzchniowo czynnego na trzech pylistych węglach aktywnych: CWZ 14, CWZ 22 i CWZ 30. Badania przeprowadzono w warunkach statycznych. Uzyskane wyniki pozwalają stwierdzić, że badane węgle mają dobre zdolności adsorpcyjne w usuwaniu związków powierzchniowo czynnych z roztworów wodnych. Najlepsze rezultaty uzyskano dla węgli aktywnych CWZ 30 i CWZ 22. SŁOWA KLUCZOWE: węgiel aktywny, adsorpcja, substancje powierzchniowo czynne WSTĘP Zanieczyszczenie wód powierzchniowych związkami organicznymi niesie za sobą poważne zagrożenia dla środowiska naturalnego. Substancje powierzchniowo czynne (SPC), których produkcja stale wzrasta, są powszechnie używane nie tylko w gospodarstwach domowych, ale w wielu gałęziach przemysłu, takich jak: przemysł włókienniczy, skórzany, futrzarski, naftowy, górnictwo [1, 2]. Po wykorzystaniu SPC często na skutek niewłaściwego lub niedostatecznego oczyszczenia ścieków przedostają się do wód powierzchniowych. Związki powierzchniowo czynne obniżają napięcie powierzchniowe wody, powodują powstanie piany, co w rezultacie prowadzi do ograniczenia dyfuzji tlenu atmosferycznego do wody. Brak odpowiedniej ilości tlenu wywołuje bowiem zakłócenia w samooczyszczaniu się wód. Ponadto SPC wykazują właściwości toksyczne, stężenie rzędu 1 mg/dm 3 stanowi dawkę letalną DL 50 dla ryb [3]. Dlatego istotne jest, aby związki te były skutecznie eliminowane ze ścieków. Istnieje wiele metod ich oczyszczania. Klasyczne metody oczyszczania ścieków ze związków organicznych bywają niewystarczające. Dlatego też coraz częściej w technologii oczyszczania wody i ścieków używa się węgli aktywnych. Metoda adsorpcji na węglach aktywnych pozwala uzyskać niskie stężenia substancji organicznych z oczyszczanych ścieków. Jednak ze względu na bardzo szerokie spektrum związków organicznych występujących w ściekach (SPC - anionowe, kationowe, niejonowe i amfoteryczne) prawidłowy

2 364 D. Kowalczyk dobór węgla musi być poprzedzony dokładnymi badaniami, określającymi ich zdolności adsorpcyjne wobec usuwanych związków [4-6]. Celem badań była ocena zdolności adsorpcyjnych pylistych węgli aktywnych w usuwaniu substancji powierzchniowo czynnych. 1. PRZEBIEG BADAŃ Badania nad adsorpcją substancji powierzchniowo czynnych z roztworów wodnych przeprowadzono na trzech pylistych węglach aktywnych, tj. CWZ 30, CWZ 22 i CWZ 14, produkowanych przez firmę GRYFSKAND w Hajnówce. Charakterystykę techniczną tych węgli aktywnych przedstawiano w tabeli 1, natomiast uziarnienie w tabeli 2 (dane producenta - firmy GRYFSKAND). TABELA 1. Charakterystyka techniczna węgli aktywnych Wartość Wskaźnik CWZ 14 CWZ 22 CWZ 30 Masa nasypowa, g/dm Adsorpcja błękitu metylenowego, cm Adsorpcja jodu, mg/g Liczba melasowa, mg Adsorpcja fenolu, % 3,5 4,5 4,0 5,0 3,5 4,5 Powierzchnia właściwa, m 2 /g ph wyciągu wodnego ,0 11, TABELA 2. Uziarnienie węgli aktywnych Uziarnienie CWZ 30 CWZ 22 CWZ 14 > 100 mikronów mikronów mikronów W badaniach użyto dwóch anionowych substancji powierzchniowo czynnych: laurylosiarczanu sodu (SLS), dwuoktylosulfobursztynianu sodu (Manoxolu OT) i jednego związku kationowego chlorku benzylodwumetylo-2-/2-p/1,1,3,3 czterometylenbutylo(fenoksy-etoksy) etyloamoniowego (Hyamine) Pomiary adsorpcji anionowych substancji powierzchniowo czynnych przeprowadzono w ten sposób, że do roztworu o objętości 500 cm 3 i stężeniach początkowych C 0 = 50, 75, 100, 125 i 150 mg/dm 3 dodano 0,25 grama węgla CWZ 30 i CWZ 22 oraz 0,3 grama węgla CWZ 14. Następnie przez okres 1 minuty roztwory były intensywnie mieszane i odstawiane na 1 godzinę do czasu ustalenia się równowagi

3 Adsorpcja substancji powierzchniowo czynnych z roztworów wodnych na pylistych węglach aktywnych 365 sorpcji. Następnie oznaczano metodą miareczkową stężenie anionowych związków powierzchniowo czynnych [7]. Podobne parametry zastosowano podczas adsorpcji kationowej substancji powierzchniowo czynnej. W tym przypadku zastosowano nieco wyższe naważki węgli aktywnych, które wynosiły: 0,35 grama dla węgla CWZ 30, 0,5 grama dla węgla CWZ 22 i 0,7 grama dla węgla CWZ 14. Po zakończeniu adsorpcji stężenie kationowych związków powierzchniowo czynnych oznaczano metodą miareczkową [8]. Wielkość adsorpcji obliczono ze wzoru C C A 0 k V m (1) gdzie: A - wielkość adsorpcji, mg/g; C 0 i C k - stężenie początkowe i końcowe, mg/dm 3 ; m - masa węgla aktywnego, g; V - objętość roztworu, dm 3. Wartość współczynników izotermy Freundlicha obliczono ze wzoru przedstawiono w postaci prostej lga = lgk + nlg C k (2) 2. WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE Wyniki pomiarów wielkości adsorpcji SLS, Manoxolu OT i Hyamine 1622 na węglach aktywnych CWZ 14, CWA 22 i CWZ 30 obliczone ze wzoru (1) pozwoliły na wykreślenie izoterm adsorpcji. Przebieg tych krzywych przedstawiono na rysunku 1. Z równania izoterm Freundlicha (2) wyznaczono współczynniki równania, które zamieszczono w tabeli 3. TABELA 3. Współczynniki równania izoterm adsorpcji Freundlicha dla SLS, Manoxolu OT i Hyamine 1622 Pylisty węgiel aktywny K n R 2 CWZ 14 74,55 0,048 0,916 CWZ 22 91,12 0,059 0,851 CWZ 30 91,01 0,085 0,898 SLS Manoxol OT CWZ 14 CWZ 22 97,36 0,037 0,767 CWZ 30 91,47 0,083 0,822 Hyamine 1622 CWZ 14 39,65 0,064 0,977 CWZ 22 59,17 0,057 0,971

4 366 D. Kowalczyk CWZ 30 88,67 0,052 0,992 Adsorpcja SLS na w ęglach aktyw nych Adsorpcja, A mg/g Co mg/dm 3 CWZ 30 CWZ 22 CWZ 14 Adsorpcja Manoxolu Adsorpcja A, mg/g Co mg/dm 3 CWZ 30 CWZ Adsorpcja Hyaminy 1622 Adsprpcja A mg/g Co mg/dm 3 CWZ 30 CWZ 22 CWZ14

5 Adsorpcja substancji powierzchniowo czynnych z roztworów wodnych na pylistych węglach aktywnych 367 Rys. 1. Adsorpcja SLS, Manoxolu OT i Hyamine 1622 na węglach aktywnych CWZ 14, CWA 22 i CWZ 30 Z przeprowadzonych badań wynika, że anionowe związki powierzchniowo czynne są lepiej absorbowane na węglach aktywnych niż związek kationowy. Najlepsze właściwości adsorpcyjne w usuwaniu SPC mają węgle CWZ 30 i CWZ 22, które charakteryzują się podobnym uziarnieniem i wielkością powierzchni właściwej. Z badanych anionowych substancji powierzchniowo czynnych więcej adsorbował się SLS. Jednak z wartości K wyliczonych z izotermy Freundlicha wynika, że lepiej adsorbuje się Manoxol OT. Podobnie jak w przypadku granulowanych węgli aktywnych, wielkości adsorpcji kationowych substancji powierzchniowo czynnych są mniejsze niż anionowych substancji powierzchniowo czynnych. Również i w tym przypadku należy przypuszczać, że różnica w wielkości adsorpcji wynika z chemicznego charakteru powierzchni węglowej. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że anionowe substancje powierzchniowo czynne są bardzo dobrze sorbowane na powierzchni użytych pylistych węgli aktywnych. Najlepsze właściwości adsorpcyjne wobec badanych substancji powierzchniowo czynnych mają węgle CWZ 30 i CWZ 22, charakteryzujące się dużą powierzchnią właściwą. Kationowa substancja powierzchniowo czynna gorzej adsorbuje się na pylistych węglach aktywnych niż anionowe. Przypuszczalnie przyczyną tych różnic jest charakter powierzchni węglowej. Jednak zagadnienie to będzie przedmiotem badań późniejszych opracowań. Praca wykonana w ramach BW 401/203/P. LITERATURA [1] Siemieńczuk A., Wpływ detergentów anionowo czynnych na efektywność oczyszczania ścieków biologicznymi metodami tlenowymi. Materiały II Kongresu Inżynierii Środowiska, tom I, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN 2005, vol. 32, [2] Kaleta J., Substancje powierzchniowo czynne w środowisku wodnym, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2005, 8, 1, [3] Zwoździak J., Człowiek, środowisko, zagrożenie, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław [4] Choma J., Koroniec M., Burakiewicz-Mortka W., Gwizdalska M., Adsorpcja związków organicznych na węglach aktywnych, Ochrona Środowiska [5] Moreno-Castilla C., Adsorption of organic molecules from aqueous solutions on carbon materials, Departamento de Quimica Inorganica, Facultad de Ciencias, Univesidad de Granada, Campus Fuentenueva, Granada, Spain [6] Ayrani E., Dumano, Removal of anionic surfactants from aqueous solutions by adsorption onto high area activated carbon cloth studied by in situ UV spectroscopy, Department of Cheministry, Akdeniz Univesity, Antalya Turkey, Journal of Hazardous.

6 368 D. Kowalczyk [7] PN-85C 04550/05 - Badania zawartości syntetycznych substancji powierzchniowo czynnych oraz ich biochemicznego utleniania. Oznaczenie anionowych syntetycznych substancji powierzchniowo czynnych metodą miareczkową. [8] PN-85C 04550/06 - Badania zawartości syntetycznych substancji powierzchniowo czynnych oraz ich biochemicznego utleniania. Oznaczenie kationowych syntetycznych substancji powierzchniowo czynnych metodą miareczkową. ADSORPTION OF SURFACTANTS FROM AQUEOUS SOLUTIONS ON POWDERED ACTIVATED CARBON This paper presents results of the investigation on sorption two anionic surfactants and one cationic surfactant on three powered activated carbons CWZ 14, CWZ 22 and CWZ 30. The studies were carried out in static conditions. It was found that analyzer activated carbons had good adsorptions properties to surfactants removal from water. The best results obtained for activated carbons CWZ 22 and CWZ 30. KEYWORDS: adsorption, carbon activated, surfactants