adsorpcja substancji powierzchniowo czynnych z roztworów

Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle (2008)
DAGMARA KOWALCZYK
Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska
ul. Brzeźnicka 60a, 42-200 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/dm3 stanowi dawkę letalną DL50 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
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
3
Masa nasypowa, g/dm
Adsorpcja błękitu metylenowego, cm3
CWZ 14
CWZ 22
CWZ 30
350450
330400
280360
1417
2229
3034
Adsorpcja jodu, mg/g
750850
8501000
9001100
Liczba melasowa, mg
400650
260500
240400
Adsorpcja fenolu, %
3,54,5
4,05,0
3,54,5
Powierzchnia właściwa, m2/g
650750
800950
9001100
910
1011
10,011,
pH wyciągu wodnego
TABELA 2.
Uziarnienie węgli aktywnych
Uziarnienie
CWZ 30
CWZ 22
CWZ 14
> 100 mikronów
7
7
10
10088 mikronów
15
15
20
8860 mikronów
25
25
30
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) 1622.
Pomiary adsorpcji anionowych substancji powierzchniowo czynnych przeprowadzono w ten sposób, że do roztworu o objętości 500 cm3 i stężeniach początkowych
C0 = 50, 75, 100, 125 i 150 mg/dm3 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
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
A
C0  C k
V
m
(1)
gdzie: A - wielkość adsorpcji, mg/g; C0 i Ck - stężenie początkowe i końcowe, mg/dm3;
m - masa węgla aktywnego, g; V - objętość roztworu, dm3.
Wartość współczynników izotermy Freundlicha obliczono ze wzoru przedstawiono
w postaci prostej
(2)
lgA = lgK + nlg Ck
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
R2
SLS
CWZ 14
74,55
0,048
0,916
CWZ 22
91,12
0,059
0,851
CWZ 30
91,01
0,085
0,898
CWZ 14
–
–
–
CWZ 22
97,36
0,037
0,767
CWZ 30
91,47
0,083
0,822
CWZ 14
39,65
0,064
0,977
CWZ 22
59,17
0,057
0,971
Manoxol OT
Hyamine 1622
366
D. Kowalczyk
CWZ 30
88,67
0,052
0,992
Adsorpcja SLS na w ęglach aktyw nych
230
Adsorpcja, A mg/g
210
190
170
150
130
110
90
70
50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Co mg/dm 3
CWZ 30
CWZ 22
CWZ 14
Adsorpcja Manoxolu
250
Adsorpcja A, mg/g
200
150
100
50
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Co mg/dm3
CWZ 30
CWZ 22
Adsorpcja Hyaminy 1622
160
Adsprpcja A mg/g
140
120
100
80
60
40
0
10
20
30
40
50
Co mg/dm3
CWZ 30
CWZ 22
CWZ14
60
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, 939-946.
[2] Kaleta J., Substancje powierzchniowo czynne w środowisku wodnym, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2005, 8, 1, 99-117.
[3] Zwoździak J., Człowiek, środowisko, zagrożenie, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.
[4] Choma J., Koroniec M., Burakiewicz-Mortka W., Gwizdalska M., Adsorpcja związków organicznych na węglach aktywnych, Ochrona Środowiska 1995.
[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, 18071 Granada, Spain 2003.
[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, 07058 Antalya Turkey, Journal of Hazardous.
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