sorpcja manganu w obecności fenolu na sorbencie węglowym mod-1

Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle (2008)
EWA OKONIEWSKA, ZYGMUNT DĘBOWSKI
Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska
ul. Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa
SORPCJA MANGANU W OBECNOŚCI FENOLU
NA SORBENCIE WĘGLOWYM MOD-1
Przeprowadzono badania nad wspólną sorpcją z roztworu wodnego kationów
manganu(II) i fenolu na sorbencie węglowym MOD-1. Stwierdzono, że sorpcja manganu wzrasta przy pH = 6 i 9, natomiast przy pH = 7,5 jest nieco mniejsza. Naniesiony na węgiel aktywny dwutlenek manganu(IV) (katalizujący reakcję przemiany
manganu(II) do dwutlenku manganu) obniża sorpcję fenolu o około 35% w porównaniu z węglem świeżym.
SŁOWA KLUCZOWE:
sorbent węglowy, sorpcja manganu i fenolu
WSTĘP
W wodach podziemnych znajduje się często mangan o stężeniach przekraczających dopuszczalne w wodach przeznaczonych do spożycia [1]. Mangan ten usuwa
się różnymi metodami na złożach materiałów ziarnistych, jak piasek, braunsztyn
itp. Ostatnio w Politechnice Częstochowskiej opracowano technologię otrzymywania bardzo skutecznego sorbentu węglowego o symbolu MOD-1, przeznaczonego
do usuwania z wody manganu i związków amonowych [2, 3]. Jest to granulowany
węgiel aktywny z naniesionym na jego powierzchnię wewnętrzną dwutlenkiem
manganu, który jest katalizatorem przemiany kationów manganu(II) do nierozpuszczalnego w wodzie dwutlenku manganu(IV).
W wodach podziemnych znajdują się również często substancje organiczne.
Substancje te muszą być usunięte z wody, bowiem mogą one być szkodliwe dla
zdrowia lub nawet toksyczne. Usuwanie ich jest możliwe na sorbencie MOD-1,
gdyż oprócz własności katalizujących utlenienie manganu(II) zachował on własności adsorpcyjne zbliżone do tych, jakie miał wyjściowy węgiel aktywny. Brak jest
jednak dotychczas szerszych badań nad łączną sorpcją tych zanieczyszczeń. Przeprowadzenie takich badań było celem niniejszej pracy.
1. PRZEBIEG BADAŃ
Badania nad jednoczesną sorpcją manganu(II) i fenolu z wody przeprowadzono
na sorbencie węglowym o symbolu MOD-1, którym jest granulowany węgiel aktyw-
Sorpcja manganu w obecności fenolu na sorbencie węglowym MOD-1
383
ny ROW 08 Supra impregnowany nadmanganianem potasu. W pierwszym etapie
badań sporządzono izotermy sorpcji: manganu(II) przy stężeniach 0,5; 1,0; 1,5; 2,0
i 2,5 mg/dm3, a fenolu o stężeniach 50, 100, 150, 200 i 250 m/dm3. Pomiary przeprowadzono w ten sposób, że do 250 cm3 roztworu wodnego manganu(II) lub fenolu i po ustaleniu wartości pH, tj. 6; 7,5 i 9, dodawano 1 g granulek sorbentu. Po odpowiednim wymieszaniu próbki odstawiano na jedną dobę, a następnie oznaczano
w nich końcowe Ck manganu(II) lub fenolu. W drugim etapie badań w wodzie znajdowały się jednocześnie mangan(II) i fenol. Wybrano do badań po dwa skrajne
stężenia adsorbatów, tj. przy stężeniu manganu wynosiły one 0,5 i 2,5 mg/dm3,
a fenolu 50 i 250 mg/dm3. Sposób dalszego postępowania był taki sam jak w etapie
pierwszym.
Oznaczenie stężeń mangan i fenolu po sorpcji Ck przeprowadzono z użyciem
wcześniej sporządzonych krzywych, według metod podanych w normach [4, 5].
Wartości sorpcji obliczano z użyciem wzoru
A
(C 0  C k )
V
m
(1)
gdzie: A - wartość sorpcji, mg/g; C0 i Ck - stężenia adsorbatów przed i po sorpcji,
mg/dm3; V - objętość roztworu, dm3; m - masa sorbentu, g.
2. WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE
Izotermy sorpcji manganu(II) i fenolu, jak widać na rysunkach 1 i 2, mają kształt
linii prostych w zakresie użytych w pomiarach stężeń, czyli spełniają równanie izotermy Henry’ego
A  K C
(2)
gdzie: A - wielkość sorpcji, mg/g; C - stężenie roztworu, mg/dm3; K - współczynnik kierunkowy.
0,5
Adsorpcja, mg/g
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Co , mg/dm
Rys. 1. Izoterma sorpcji manganu(II) na sorbencie MOD-1
384
E. Okoniewska, Z. Dębowski
Adsorpcja, mg/g
50
40
30
20
10
0
50
100
150
200
250
3
Co, mg/dm
Rys. 2. Izoterma sorpcji fenolu na sorbencie MOD-1
A dsorpcja mang anu w o becności
fenolu, mg/g
Współczynniki K obu izoterm mają jednakowe wartości wynoszące 0,155. Należy to jednak uznać za zbieżność przypadkową, bowiem mechanizmy sorpcji obu
adsorbatów są różne, także zakresy stężeń znacznie się różnią. Oznacza to jednak,
że chociaż powierzchnia w sorbencie MOD-1 jest pokryta dwutlenkiem manganu,
to fenol adsorbowany jest analogicznie jak na czystej powierzchni, tj. siłami dyspersyjnymi. Należy nadmienić, że dla tego samego węgla aktywnego ROW 08 Supra
na czystej powierzchni węglowej współczynnik K równania izotermy Henry’ego
wynosił 0,236 [6]. Oznacza to, że pojemność adsorpcyjna wobec fenolu na sorbencie MOD-1 zmniejszyła się o około 35%.
Przedstawione na rysunkach 3-5 wielkości pojemności sorpcyjnych manganu(II) o stężeniach 0,5 i 2,5 mg/dm3 w obecności w roztworze fenolu o stężeniach
50 i 250 mg/dm3 przy wartościach pH równych 6; 7,5 i 9 wskazują, że w obecności
fenolu sorpcja manganu jest wyższa niż bez jego udziału.
0,6
0,5
0,4
Mangan
0,3
mangan + 50mg/l fenolu
mangan + 250mg/l fenolu
0,2
0,1
0
0,5
2,5
st ężenie mang anu w ro zt worze, m g/dm3
Rys. 3. Jednoczesna sorpcja manganu i fenolu z roztworu o pH = 6,0
Ponadto najniższe wartości sorpcji manganu zanotowano przy pH = 7,5. Jest to
trudne do wyjaśnienia, bowiem dotychczas takiego wpływu nie zaobserwowano.
Prawdopodobnie ma tutaj wpływ chemiczny charakter powierzchni, czyli obecność
Sorpcja manganu w obecności fenolu na sorbencie węglowym MOD-1
385
na niej różnego charakteru tlenków powierzchniowych. Osadzenie na powierzchni
węgla aktywnego dwutlenku manganu zachodzi w wyniku redukcji nadmanganianu potasu, przez co powierzchnia węglowa spełniająca tutaj rolę reduktora uległa
utlenieniu. Nie jest znana budowa chemiczna tych tlenków, bowiem badań takich
dotychczas nie prowadzono.
Adsorpcja manganu w
obecności fenolu, mg/g
0,6
0,5
0,4
Mangan
0,3
mangan + 50mg/l fenolu
mangan + 250mg/l fenolu
0,2
0,1
0
0,5
2,5
stężenie manganu w roztworze, mg/dm3
Rys. 4. Jednoczesna sorpcja manganu i fenolu z roztworu o pH = 7,5
Adsorpcja manganu w
obecności fenolu, mg/g
0,6
0,5
0,4
Mangan
mangan + 50mg/l fenolu
mangan + 250mg/l fenolu
0,3
0,2
0,1
0
0,5
2,5
3
stężenie manganu w roztworze, mg/dm
Rys. 5. Jednoczesna sorpcja manganu i fenolu z roztworu o pH = 9,0
PODSUMOWANIE
Przeprowadzone badania nad jednoczesną sorpcją z roztworu wodnego manganu(II) i fenolu na sorbencie MOD-1, którym jest granulowany węgiel aktywny
impregnowany dwutlenkiem manganu, wykazały, że jakkolwiek powierzchnia węglowa pokryta jest polarną substancją, to fenol jest również adsorbowany. Stwierdzono, że wielkość sorpcji manganu(II) zwiększa się nawet w obecności fenolu
(porównując do sorpcji roztworu jednoskładnikowego). Stwierdzono również, że
386
E. Okoniewska, Z. Dębowski
z trzech wartości pH, przy których prowadzono pomiary, najmniej sorbowany był
mangan(II) przy pH 7,5 niż przy wartościach tego wskaźnika wynoszących 6 i 9.
Praca wykonana w ramach BS 401/301/04.
LITERATURA
[1] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 19 listopada 2002 r. w sprawie wymagań dotyczących
jakości wody do spożycia przez ludzi.
[2] Okoniewska E., Usuwanie manganu z wody na modyfikowanych węglach aktywnych, Konferencja nt. Węgiel aktywny w ochronie środowiska, Częstochowa-Poraj 2002, 148-157.
[3] Okoniewska E., Usuwanie azotu amonowego z wody na filtrach węglowych, Inżynieria i
Ochrona Środowiska 2000, 3, 3-4, 487-490.
[4] PN-92/C-04590 - Badanie zawartości manganu.
[5] PN-84/C-04572 - Oznaczanie zawartości rozpuszczonych związków organicznych metodami
spektrofotometrii w nadfiolecie.
[6] Madeła M., Dębowski Z., Badania nad adsorpcją jodu i fenolu z roztworów wodnych na granulowanych węglach aktywnych, Konferencja nt. Węgiel aktywny w ochronie środowiska,
Częstochowa- -Kazimierz Dolny 2008.
THE MANGANESE SORPTION ON CARBON SORBENT MOD-1
IN PHENOL PRESENCE
The studies were carried out on co-sorption of manganese(II) and phenol from
water solution on carbon sorbent MOD-1. It was found that manganese sorption increased at pH = 6 and 9, however at pH = 7.5 was little lower. The active manganese(IV) dioxide on activated carbon which catalyzed reaction of change of manganese(II) to manganese dioxide, reduced also phenol sorption at 35% as compared
with fresh carbon.
KEYWORDS:
carbon sorbent, manganese and phenol sorption