ADSORPCJA MIESZANINY DWÓCH BARWNIKÓW NA WĘGLU AKTYWNYM

Transkrypt

1 Proceedings of ECOpole Vol. 4, No Elżbieta BEZAK-MAZUR i Dagara ADAMCZYK ADSORPCJA MIESZANINY DWÓCH BARWNIKÓW NA WĘGLU AKTYWNYM ADSORPTION OF MIXTURE OF TWO DYES ON ACTIVATED CARBON Abstrakt: Węgiel aktywny jest znany jako adsorbent różnych zanieczyszczeń znajdujących się w ściekach i powietrzu. W pracy podjęto próbę oceny zdolności sorpcyjnych węgla aktywnego w odniesieniu do barwników będących zanieczyszczeniai ścieków farbiarskich. Do badań wybrano ieszaninę dwóch barwników, błękitu etylowego i zieleni naftolowej B, a jako sorbent węgiel aktywny WDex świeży i regenerowany. Stężenie obu barwników wynosiło 200 g/g. Zdolności sorpcyjne węgla świeżego wyrażone za poocą adsorpcji właściwej wyniosły 60 g/g, a po regeneracji - od 8 do 3 g/g. Z danych eksperyentalnych wykreślono izotery sorpcji oraz dopasowano teoretyczny odel adsorpcji, ianowicie odel Freundlicha lub Languira. Najwyższy procent usunięcia dla błękitu etylowego wyniósł 94% dla węgla świeżego, a najniższy - 75% (węgiel po IV regeneracji). Najwyższy procent usunięcia dla zieleni naftolowej B wyniósł 78% dla węgla po IV regeneracji, a najniższy - 55% (węgiel po I regeneracji). Uzyskane wyniki wskazują, iż zastosowany sorbent zarówno w postaci świeżej, jak i zregenerowanej oże być stosowany w procesach usuwania barwników ze ścieków farbiarskich. Jednak badania odelowe uszą zostać sprawdzone na realnych (fabrycznych) próbkach ścieków. Słowa kluczowe: adsorpcja barwników, węgiel aktywny, odczynnik Fentona, błękit etylowy, zieleń naftolowa B Woda pokrywa 7% powierzchni Ziei i składa się z niej 65% ludzkiego ciała. Jeśli woda zostaje zanieczyszczona, oże zagrażać ludzkieu zdrowiu i całeu ekosysteowi wodneu. Powode zanieczyszczania rzek, jezior i órz jest działalność człowieka []. Skutkie tej działalności ludzkiej są ścieki pochodzące z przeysłu tekstylnego, papierniczego oraz skórzanego, które zawierają dużą ilość związków organicznych,.in. barwniki. Stanowią one główny proble w procesie oczyszczania ścieków farbiarskich, ponieważ ają skoplikowaną budowę, a ich właściwości cheiczne i fizyczne powodują, że stają się związkai trudno biodegradowalnyi, toksycznyi, kancerogennyi i utagennyi [2-4]. Barwa jest widoczna nawet przy bardzo ałych stężeniach i negatywnie wpływa na estetykę wód [5]. Do usuwania barwników ze ścieków stosuje się trzy rodzaje etod: cheiczne, biologiczne i fizyczne. Należą do nich.in. koagulacja i/lub flokulacja, technologie ebranowe (dializa, odwrócona osoza), nowoczesne etody utleniania (odczynnik Fentona, nadtlenek wodoru, proieniowanie UV), utlenianie biocheiczne i adsorpcja (węgle aktywne, nieorganiczne adsorbenty) [6-9]. Zgodnie ze źródłai literaturowyi, węgle aktywne znajdują zastosowanie jako adsorbenty gazowych i ciekłych zanieczyszczeń z powietrza i ścieków, są one wykorzystywane do oczyszczania wody oraz jako katalizatory [0, ]. Pojeność sorpcyjna węgli aktywnych zienia się głównie w zależności od właściwości porów, tj. powierzchni i roziaru porów [2]. Zużyte węgle aktywne poddaje się regeneracji tericznej i cheicznej. Do jednych z etod regeneracji cheicznej należy utlenianie. Obecnie coraz częściej stosuje się nowoczesne etody utleniania - AOP (Advanced Oxidation Processes) - do których należy odczynnik Fentona, wykorzystujący utlenianie Katedra Inżynierii i Ochrony Środowiska, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Politechnika Świętokrzyska, al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, Kielce

2 308 Elżbieta Bezak-Mazur i Dagara Adaczyk zanieczyszczeń organicznych za poocą rodnika hydroksylowego OH, generowanego w środowisku reakcji, którego potencjał utleniający wynosi 2,70 V. Węgle aktywne są katalizatorai powstawania rodników hydroksylowych, które jednocześnie utleniają zanieczyszczenia zaadsorbowane na powierzchni węgla. Do innych czynników utleniających zalicza się.in. ozon, proieniowanie UV, ultradźwięki, ditlenek tytanu (TiO 2 ) i nadtlenek wodoru [3, 4]. Na podstawie doniesień literaturowych o ożliwości wykorzystania węgli aktywnych jako sorbentu podjęliśy badania odelowe sorpcji wybranych barwników na węglu aktywny WDex. W poprzednich pracach [5, 6] zostały zbadane ożliwości sorpcji zieleni naftolowej B i błękitu etylowego, a obecnie podjęliśy badania adsorpcji ieszaniny obu barwników. Cele badań było, jak uprzednio, sprawdzenie właściwości sorpcyjnych węgla aktywnego WDex świeżego i regenerowanego, na który adsorbowana była ieszanina dwóch barwników - błękit etylowy (C.I ) i zieleń naftolowa B (C.I. 0020). Do regeneracji zużytego węgla WDex zastosowano odczynnik Fentona. Materiał i etody badań Charakterystyka węgla aktywnego W eksperyencie użyto świeżego węgla aktywnego WDex, wyprodukowany przez firę Gryfskand, który jest wykorzystywany.in. w oczyszczaniu wody. Według danych literaturowych [9], jego zdolności sorpcyjne, tj. powierzchnia właściwa (050 2 /g), objętość porów (,20 c 3 /g) oraz liczba jodowa (943 g/g), wskazują, że ten węgiel aktywny oże być doskonały sorbente. Charakterystyka barwników W eksperyencie użyto dwóch barwników - błękitu etylowego i zieleni naftolowej B, z których sporządzono ieszaninę. Pierwszy barwnikie użyty do badań był błękit etylowy, zwany też błękite bawełniany. Należy on do barwników triainotrifenyloetanowych o wzorze suaryczny: C 37 H 27 N 3 Na 2 O 9 S 3. Jest on związkie łatwo rozpuszczalny w wodzie, natoiast słabo rozpuszczalny w etanolu. Barwnik ten w zależności od ph przyjuje forę kwasową albo zasadową. Masa olowa związku wynosi 799,8 g/ol [7]. Drugi barwnikie była zieleń naftolowa B o wzorze suaryczny C 30 H 5 FeN 3 Na 3 O 5 S 3. Jego asa olowa wynosi 878,79 g/ol. Jest barwnikie bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie [8]. Przebieg eksperyentu Adsorpcja na świeży węglu aktywny W kolbach stożkowych uieszczono świeży węgiel aktywny WDex (odpowiednio 0,2 g, 0,5 g, g,,5 g, 2 g). Następnie dodano do kolb 00 c 3 roztworu ieszanin barwników - błękitu etylowego i zieleni naftolowej, odpowiednio o stężeniu 200 g/d 3 i całość wytrząsano przez 6 godzin. Po ty czasie rozdzielono fazy, tj. roztwór barwnika i zużyty sorbent. Następnie węgiel aktywny WDex został przeyty wodą destylowaną i wysuszony w suszarce.

3 Adsorpcja ieszaniny dwóch barwników na węglu aktywny 309 Adsorpcja na regenerowany węglu aktywny Węgiel aktywny WDex po procesie adsorpcji został poddany procesowi regeneracji za poocą odczynnika Fentona, który został przyrządzony w następujący sposób: do zlewki o pojeności d 3 wlano wodę destylowaną, następnie dodano stężonego kwasu siarkowego(vi), tak aby ph było około 3. Do przygotowanego roztworu dodano 0 c 3 FeSO 4 7 H 2 O (ilość jonów żelaza 9,27 g) i,5 c 3 nadtlenku wodoru. Węgiel aktywny WDex zadano przygotowany w powyższy sposób roztwore odczynnika Fentona (500 c 3 ), a następnie ieszano przez 5 in. Później węgiel aktywny został przepłukany wodą destylowaną i raz jeszcze poddany powyższeu procesowi regeneracji. Przygotowany węgiel aktywny został ponownie użyty do przeprowadzenia adsorpcji ieszaniny barwników na węglu aktywny WDex. Oznaczanie stężenia barwnika Stężenie barwników było oznaczane etodą spektrofotoetryczną. W ty celu użyto spektrofotoetru UV/VIS Marcel Media. W pierwszej kolejności zarejestrowano wida dla zieleni naftolowej B i błękitu etylowego. Dla zieleni naftolowej B zanotowano aksiu przy długości fali λ = 75 n, natoiast dla błękitu etylowego przy długości fali λ = 59 n. Próbki barwników po sorpcji pobierano pipetą z kolby stożkowej do plastikowej kuwety, następnie uieszczano je w spektrofotoetrze i odczytywano na onitorze koputera stężenie barwnika, ierzone przy wcześniej ustalonej długości fali, czyli λ = 75 n i λ = 59 n, odpowiednio dla błękitu etylowego i zieleni naftolowej B. Wyniki, ich oówienie i podsuowanie W pierwszy etapie badań obliczono adsorpcję właściwą, korzystając ze wzoru [9]: (C0 C i) V A = gdzie: C 0 i C i - odpowiednio stężenie początkowe i równowagowe barwnika, V - objętość roztworu, C - asa suchego węgla aktywnego. Obliczone wartości adsorpcji właściwej posłużyły do sporządzenia wykresów izoter sorpcji. Największa adsorpcja właściwa wynosiła 60 i 26 g/g dla węgla świeżego, odpowiednio dla błękitu etylowego i zieleni naftolowej B. Natoiast dla węgla zregenerowanego wahała się ona od 8 do 4 g/g dla błękitu etylowego i od 6 do 9 g/g dla zieleni naftolowej B. W kolejny etapie badań podjęto próbę dopasowania odelu adsorpcji spełniającego otrzyane doświadczalnie izotery. Do analizy izoter adsorpcji zwykle wykorzystuje się dwa odele, ianowicie równanie Freundlicha i równanie Languira. Równanie Languira [20] jest stosowane do określania wyników adsorpcji przy założeniu, że aksiu adsorpcji odpowiada nasyconej powierzchni sorbentu zaadsorbowanyi olekułai ze stałą energią i, dodatkowo, nie a żadnych igracji substancji adsorbowanej na płaszczyźnie sorbentu. Równanie Languira a postać: C C = + A a k a C

4 30 Elżbieta Bezak-Mazur i Dagara Adaczyk gdzie: C - stężenie barwnika w roztworze, A - adsorpcja, k - stała nawiązująca do ciepła adsorpcji, a - powierzchnia zaadsorbowana. Izotera Freundlicha [2] jest najwcześniejszą znaną relacją określającą równanie sorpcji. Model Freundlicha przedstawia się wzore: A = k c gdzie: a - adsorpcja, C - stężenie, k - stała Freundlicha, /n - wykładnik Freundlicha, lub w postaci logaryticznej: loga = logk + logc n I większa wartość współczynnika korelacji (r 2 ), ty lepsze dopasowanie odelu teoretycznego do izotery doświadczalnej. Na podstawie obliczonych współczynników korelacji, zauważono, że w przypadku adsorpcji błękitu etylowego na węglu świeży wyniki eksperyentalne lepiej opisuje odel Freundlicha. Natoiast współczynniki korelacji odelu Languira wskazują na lepsze dopasowanie tegoż odelu do otrzyanych danych po wszystkich regeneracjach (od I do VI). W przypadku zieleni naftolowej B współczynniki korelacji wskazały, iż odel Languira opisuje lepiej wyniki po regeneracjach IV, V i VI, natoiast odel Freundlicha jest lepiej dopasowany do wyników adsorpcji właściwej na węglu świeży i węglu od I do III regeneracji. Jednoznacznie ożna stwierdzić, że oba odele teoretyczne ogą opisywać dane eksperyentalne otrzyane w trakcie przeprowadzonych badań. Adsorpcję barwnika na węglu aktywny WDex ukazano również za poocą wykresu zależności procentu usunięcia wybranego barwnika od kolejnych regeneracji. Największy procent usunięcia wynosił 94% (węgiel świeży) i 78% (węgiel po IV regeneracji), odpowiednio dla błękitu etylowego i zieleni naftolowej B. Natoiast niejszy procent usunięcia otrzyano dla błękitu etylowego w przypadku węgla po IV regeneracji (75%), a dla zieleni naftolowej B dla węgla po I regeneracji (55%). Podziękowania Praca została wykonana w raach projektu badawczego nr N N finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Udział w konferencji studentki studiów III stopnia jest finansowany ze środków projektu Progra Rozwojowy Potencjału Dydaktycznego Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach: kształcenie na iarę sukcesu, Uowa UDA-POKL /08-00, współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego w raach PO KL, Priorytet IV, Działanie 4., Poddziałanie 4... Literatura [] Sonune A. i Ghate R.: Developents in wastewater treatent ethods. Desalination, 2004, 67, [2] Pereira M.F.R., Soares S.F., O rfa o J.J.M. i Figueiredo J.L.: Adsorption of dyes on activated carbons: influence of surface cheical groups. Carbon, 2003, 4, [3] Zhu M., Lee L., Wang H. i Wang Z.: Reoval of an anionic dye by adsorption/precipitation processes using alkaline white ud. J. Hazard. Mater., 2007, 49, [4] Naasivaya C. i Kavitha D.: Reoval of Congo Red fro water by adsorption onto activated carbon prepared fro coir pith, an agricultural solid waste. Dyes and Pigents, 2002, 54, /n

5 Adsorpcja ieszaniny dwóch barwników na węglu aktywny 3 [5] Kia T., Park Ch., Yang J. i Kia S.: Coparison of disperse and reactive dye reovals by cheical coagulation and Fenton oxidation. J. Hazard. Mater., 2004, B2, [6] Deirbas A.: Agricultural based activated carbons for the reoval of dyes fro aqueous solutions: A review. J. Hazard. Mater., 2009, 67, -9. [7] Shen D., Fan J., Zhou W., Gao B., Yue Q. i Kang Q.: Adsorption kinetics and isother of anionic dyes onto organo-bentonite fro single and ultisolute systes. J. Hazard. Mater., 2009, 72, [8] Pengthakeerati P., Satapanajaru T. i Singchan O.: Sorption of reactive dye fro aqueous solution on bioass fly ash. J. Hazard. Mater., 2008, 53, [9] Attia A.A., Rashwan W.E. i Khedr S.A.: Capacity of activated carbon in the reoval of acid dyes subsequent to its theral treatent. Dyes and Pigents, 2006, 69, [0] Wang X., Zhu N. i Yin B.: Preparation of sludge-based activated carbon and its application in dye wastewater treatent. J. Hazard. Mater., 2008, 53, [] Wang S. i Zhu Z.H.: Effects of acidic treatent of activated carbons on dye adsorption. Dyes and Pigents, 2007, 75, [2] Taai H., Yoshidaa T., Sasakib M. i Yasudaa H.: Dye adsorption on esoporous activated carbon fiber obtained fro pitch containing yttriu coplex. Carbon, 999, 37, [3] Dąbek L. i Oziina E.: Utlenianie zanieczyszczeń organicznych zaadsorbowanych na węglach aktywnych. Ochr. Środow. Zasob. Natur., 2009, 4, [4] Dąbek L. i Oziina E.: Usuwanie zanieczyszczeń organicznych z roztworów wodnych etodą pogłębionego utleniania. Ochr. Środow. Zasob. Natur., 2009, 4, [5] Bezak-Mazur E. i Zdrodowska D.: Badanie adsorpcji barwników na węglach aktywnych. Mater. Konf. Oczyszczanie ścieków i przeróbka osadów ściekowych, to 4. Zielona Góra 200, XIII Konf. Nauk.-Techn. Woda - ścieki - odpady w środowisku. Zielona Góra, 7-8 czerwca 200 roku. [6] Bezak-Mazur E. i Adaczyk D.: Badanie adsorpcji błękitu etylowego na węglu aktywny. VI Ogólnopol. Konf. Nauk.-Techn. Postęp w inżynierii środowiska. Rzeszów-Polańczyk, 9- września 200 (w druku). [7] data korzystania ze strony [8] data korzystania ze strony [9] Kuar K.V. i Kuaran A.: Reoval of ethylene blue by ango seed kernel powder. Bioche. Eng. J., 2005, 27, [20] Malik P.K.: Dye reoval fro wastewater using activated carbon developed fro sawdust: adsorption equilibriu and kinetics. J. Hazard. Mater., 2004, B3, [2] Al-Degs Y.S., El-Barghouthi M.I., El-Sheikh A.H. i Walker G.M.: Effect of solution ph, ionic strength, and teperature on adsorption behavior of reactive dyes on activated carbon. Dyes and Pigents, 2008, 77, ADSORPTION OF MIXTURE OF TWO DYES ON ACTIVATED CARBON Kielce University of Technology Abstract: Activated carbon is known as adsorbent to various containants fro wastewater and air. The ai of work was to estiate sorptive capacity of activated carbon in the reoval of dyes, which are containants fro textile wastewaters. The ixture of two dyes, ethyl blue and naphtol green B were chosen to study, and as adsorbent we have chosen the activated carbon WDex, virgin and regenerated. Dye concentration in both cases was 200 g/d 3. Sorption abilities of activated carbon were expressed by ass balance relationship in case of fresh activated carbon it was 60 g/g, and after regeneration - fro 8 to 3 g/g. The experiental data adsorption isothers were defined and adsorption theoretical odel such as Freundlich or Languir, was selected. The highest reoval efficiency in case of ethyl blue was 94% for virgin carbon, the lowest - 75% (carbon after 4 th regeneration). The highest reoval efficiency in case of naphtol green B was 78% for carbon after IV regeneration, the lowest - 55% (carbon after st regeneration). The experiental data shows that activated carbon can be used for the decontaination of dyes fro textile wastewater. However, odel tests need to be verified on real wastewater saples. Keywords: dye adsorption, activated carbon, Fenton reagent, ethyl blue, naphtol green B