M" ! ! j :~1. iu la 1997Opr. )

UNIVERZITET U NOVOM SADUPRIRODNO-MATEMATlCKI FAKULTET

rNSTITUT ZA HEMIJU

KATEDRA ZA HEMIJSKU TEHNOLOGIJUI ZASTTTU ZIVOTNE SREDINE

ISPinVANJE ADSORPCIONffl OSOBINA AKTIVNfflUGLJEVA PROIZVEDENffl OD ANTRACITA IZ

VR§KE CUKE

-DEPLOMSKI RAD-

DARIO JOVISIC

NOVI SAD, 1997.

Diplomski rad je raden u Laboratory! za hemijsku tehnologiju i za§tituzivotne sredine Instituta za hemiju, Prirodno-matematickog fakulteta u No vowSadu.

Velikuzabvalnostdugujemsvomementoru vanr. prof. drZagorki Tama$na svesrdnojpomodi koju nx'JepruZala, daju&nti dragocene savete ipodrSku.

Konstim prfliku daseposebno zabvaHtniasistentu mrIvaniIvandev-Tumbasnapruzenojponio&isavetinia, kao i ostalom osoblju ove Laboratorije.

Za neogranidenu Ijubav IpodrSku Hvala mojim roditeljima.

AutorNo vi Sad, juni 1997. godina

S A D R Z A J

1. UVOD 1

2. OP§TI DEO 2

2.1. GRANULISANI AKTIVNI UGALJ 2

2.2. ADSORPCIJA 7

2.2.1. ADSORPCIONA RAVNOTEZA I ADSORPCIONE

IZOTERME 8

2.2.2. FREUNDLICH-OVA IZOTERMA 9

2.2.3. LANGMUIR-OVA IZOTERMA 10

2.2.4. FAKTORJ KOJI UTI^U NA PROCES ADSORPCIJE...12

3. EKSPERIMENTALNI DEO 14

4. REZULTATI I DISKUSIJA 15

5. ZAKLjUCAK 28

6. LITERATURA 29

l.UVOD

Aktivni ugljevi su cenjeni adsorbenti na bazi ugljenika. Dejstvo aktivnihugljeva poznalo je hiljadama godina.Jo§ star! Egipcani su zapazHi osobine ovihcenjenih sorbenata, narocito u medicinske svriie, sto je potvrdio i otacmedicine-HipokraL Kolumbo je na svojim cuvenim putovanjima u Novi Svetkoristio delimic'no nagorele bacve koje su pijadoj vodi odizavale svezinu duzevremena. Industrijska proizvodnja aktivnih ugljeva je zapocela u prvoj decenijiovog veka. Danas se manji broj visoko industrijalizovanih zemalja baviproizvodnjom ovih adsorbenata koji svakim danom dobijaju nove potroSace inove sfere primene. Mo2e se slobodno redi da nema grane industrije gde seaktivni ugljevi ne primenjuju ili se ne bi mogli primenjivati, od hemijske ipetrohemijske industrije, preko vojne industrije do zaStite ^ivotne sredine -obrade vode i vazduha.Ova poslednja primena ugljeniSnih adsorbenala senaj5e§<5e spominje poslednjih desetak godina zbog naraslih problemanedostatka pijade vode i Cistog vazduha.

Postupci za proiz\odnju aktivnih ugljeva su u celom svetu veoma Suvanaposlovna ili vojna tajna Trenulno se proizvodi preko pedeset vrsta aktivnihugljeva za razli&te namene. Uvid u tehnoloSke parametre proizvodnje aktivnihugljeva bilo kog proizvoda^a je veoma te§ko ostvariti, a mnogobrojneliteratume reference o aktivnim ugljevima se baziraju uglavnom namogudnostima primene ovih vafcnih sorbenata. Dostupni su podaci o vrstamasirovina koje se koriste za proizvodnju aktivnih ugljeva, a koje su ve&nomlokalno orijentisane u zavisnosti od geografsko-klimatskog polo^aja zemljeproizvodada, kao i poviSni podaci o upotrebljenim aktivatorima i rezimuaktiviranja.

Cilj ovog rada je bio da se ispitaju adsorpcione karakteristike aktivnihugljeva proizvedenih od domadeg antracita sa lokaliteta Vr§ka Cuka.

2. OPSH DEO

2.1. GRANULISAM AKTTVNI UGALJ

Aktivni ugalj je medijum koji se u tretmanu voda koristi za adsorpcijuorganskih materija. lako postoje dve forme aktivnog uglja ( praSkasti igramilisani ) u procesima tretmana podzemnih voda granulovanom aktivnomuglju (GAU) se daje prednost zbog:

- potpunijeg uklanjanja organtskih materija

- potpunijeg iskoriscenja adsorpcionog kapaciteta

- mogucnosti reaktivacije i ponovnog koriScenja

Granulisani aktivni ugalj (GAU) je materijal zrnaste porozne strukture iaktivnim centrima koji imaju poseban afinitet adsorpcije organskih materijarastvorenih u vodiObzirom da je zrnast, GAU se koristi iskljuc'ivo kaofiltracioni medijum koji pored toga sto je adsorbens predstavlja i izuzetnupodlogu za mikroorganLzme.Stoga se pored adsorptionih na njemu odvijaju ibioloSki procesi (biosorpcija, biorazgradnja) koji daju dopunske efekte i procesfiltracije na GAU Cine veoma kompleksnini.

Gramilisani aktivni ugalj se proizvodi od raznih sirovina: drvo,kokos,koks, ugalj, treset, nafta, lignitPostupak proizvodnje poznat je skoro200 godina, ali je tehnologija sada dragaSija i mnogo saviSenija .Dvenajzna5ijnije faze u procesu proizvodnje GAU su fonniranje porozneugljenicne strukture i aktivacija

Pirolizom ili kalcinacijom se spaljuje deo sirovine i fonnira poroznaugljeniCna struktura dok se aktivacijom formiraju aktivni adsorpcioni centri ioblikuju pore.

U primeni su dva postupka proizvodnje i aktivacije GAU:- postupak sa hemijskom aktivacijom i- postupak sa gasnom aktivacijom

MLEVENJE

HEMLTSKAAKTI VACUA

KALCINACIJA

OBLIKOVANJEZRNA

HLADENJE

SUSENJE

EKSTRAKCIJA[VISKA ACTTVATDRA

ZAVRSNAOBRADA

Slit a 2. Bloksemapmizvodnje GAUsahtnujskom aktivacijom

PostupakpToizvodnje GAU hemyskom aktivacyom

Ovaj postupak se praktikuje uglavnom kod proizvodnje aktivnog ugljaod drveta i celuloznih malerijala. Ugljevi proizvedeni na ovaj nacin imajukrupnije pore koje se, ukoliko je potrebno, mogu dalje oblikovatl vodenomparom ill ugljendioksidom.

Sirovina se posle pripreme (mlevenje, prosejavanje) me§a saaktivacionim hemikalijama ( ZnQ2 , H3PO4 ), a z^Titn se oblikuju zma, Posleparcijalnog su§enja vi§i se kalcinacija (na 700 C ) u inertnoj atmosfeii i najzadekstrakcdja aktivacionih hemikalija. U zavrSnoj obradi se moze dalje oblikovatipoma stniktuia (vodenom parom Hi ugljendioksidom ) ill podeSavati drugekarakteristike (tvrdoda, oblik zma, itd.).

MLEVENJE

PRED-OKSIDACUA

PIROLIZA

OBLIKOVANJEZRNA

AKTWACIJAPAROM

DODAVANJEVEZ3VA

HLADENJE

ZAVRSNAOBRADA

StiLa 2. Blok semaproizvodirfe GAUuzgasnu aktiraciju

GA U asnom

Posle mlevenja sirovine i prosejavanja obiSno se vr§i predoksidacijapregrejanim ( na 300 °C ) vazduhom, a zrna oblikuju i vezuju u zeljeneagregale. Posle pirolize na 800 C do 900 C, vrSi se aktivacija pregrejanom( 450 C - 900 C ) vodenom parom ili ugljendioksidom, a zatim obavljazavrSna obrada (podeSavanje tvrdode i si. ). Na£in aktivacije ( temperaturaaktivacije, gas ko^ji se koristi za aktivaciju ) ima osim na ftzdCke (spec, povi^ina,veli£ina i distribucija pora, adsorpcioni kapacitet i si. ) znacajan uticaj ina hemijske osobine aktivnog uglja. GAU aktiviran na temperaturama ispod500 °C daje kiselu reakciju, dok GAU aktiviran na temperaturama iznad800 °C daje baznu reakciju.

Karakteristike GA U

Najbitnija karakteristika GAU je porozna struktura koju cine:- makropore koje omogu6uju ulaz adsorbata u poroznu strukturu,- mezopore koje omogucuju adsorpciju i dalji transport dela adsorbataka finijim porama,

- mikropoie u kojima se adsorbuju manji organski molekuli i- submikropore u kojima se adsorbuju najmanji organski molekuli.

Veli&na i distribucija pora se mogu zna£ajnoj meri prilagoditi nameniizborom postupka obrade i aktivacije. Interesantno je istadi da mezo- imikropore kod kvaliteTm'h vrsta uglja zahvataju 70 posto ukupne zapreminepora.

100

50

B

A - sabmikropore

B - milcropore

C - mezopore

D - makropore

5!Z£ta 5. Tipicaadisttibucijapomoga GA U

Distribucija pora je inace veoma bitan parametar za adsorpcioni kapacitetdate vrste GAU jer direktno uti£e na " prohodnost " molekula raznih velicinakroz porni prostor. Zbog izrazito porozne struknire GAU ima veliku specificnupovrSinu ( 800 -1500 m2/g ) odredenu BET metodom i specifidnu zapreminu(0.2 - 0.9 cm3/g ).

Oba parametra su obrnuto proporcionalna prec"niku zma GAU koji sekod vecine GAU koriScenih u tretmami vode, krece u opsegu Def. = 0.5-5mm.

Znacajno je naglasiti da je koeficijent unifommosti zma GAU obicnoveliM i iznosi oko 1.9 .

Nasipna tezina vecine GAU koji se koriste u tretmami vode je od 350 do550 g/l u suvom, odnosno 1200 -1500 g/l kad je ugalj saturisan vodom.

Od ostalih fizi^kih svojstava GAU bitne su tvrdoc'a i oblik zma, narocitoza operativne uslove.

Obzirom da je GAU materijal koji se u tretmanu vode koristi kaoadsorpcioni medijum, veoma znaCajan parametar za ocenu njegovihadsorpcionih svojstava je adsorpcioni kapacitet On predstavlja rezultantu kakofizi5kih svojstava GAU tako i mnogih drugih faktora koji se odnose na uticajspoljne sredine. Adsoipcioni kapacitet se obiftno izkazuje preko nekoliko, zaovu oblast specijalno usvojenih parametara:

- melasa broj ili indeks obezbojenja pokazuje sposobnost datog GAU daadsorbuje obojene molekule ve6e molekulske tez^ine iz rastvora n^lase. Ovimparametrom se definite sposobnost nekog GAU da adsorbuje krupne organskemolekule.

- jodni broj je mera adsorbovanja joda i generalno pokazaije sposobnostGAU da adsorbuje molekule manjih veliSina.

- pored navedenih koriste se i drugi parametri ( metilenplavo broj,fenolni broj, afkiitet prema ugljentetrahloridu itd. ) koji pokazuju adsorpcionikapacitet GAU u odnosu na neka karakteristic'na organska jedinjenja Preciznijipodaci o adsorpcionom kapacitetu date vrste GAU u odnosu na jednu ili viseorganskih materija mogu se dobiti iz adsorpcionih izotenni.

2.2.ADSORPCIJA

Adsorpcija je proces koncentrisanja materija na medufaznoj granicnojpovrsini Malerijal koji se adsorbuje, odnosno koncentrise, naziva se adsorbal,dok se faza na kojoj se vrsi adsorpcija naziva adsorbens.

Osnovni uzroci procesa adsorpcije mogu bin':- Mofobni karakter rastvorka u odnosu na dati rastvarac- izrazeni afmitet rastvorka (adsorbata) prema Svrstoj fazi-adsorbensu ili- kobinacija ove dve osobine sistema.

Prema specific'nom afinitetu rastvorka, prema adsorbensu razlikuju se triosnovna tipa adsorpcije:

- jonska izmena- fizic'ka adsorpcija- hemijska adsorpcija.

U slucaju jonske izmene adsorbens elektrostaticki privla^i rastvorak izrastvora.

Fizic'ka adsorpcija je izazvana delovanjem Van der Waals-ovih sila, pri5emu adsorbovani molekul nije vezan za odredeno mesto na povrSiniadsorbensa, nego Sak mo^e da se po njoj kre£e translatorno. Fizi^ka adsorpcijauglavnom dorninira na ni^m temperaturama i karakteriSe niska energijaadsorpcije.

Hemijska adsorpcija (hemisorpcija) je izazvana hemijskom interakcijomizmedu adsorbensa i adsorbata.

Hemijski adsorbovani molekuli ne mogu se kretati po adsorpcionojpovrSini i ova vrsta adsorpcije okarakterisana je velikom energijom adsorpcije,jer adsorbal obrazuje jake lokalne veze sa aktivnim centrima na adsorbensu(lit 12).

2.2.1. ADSORPCIONA RAVNOTEZA IADSORPCIONEIZOTERME

U procesu adsorpcije uspostavlja se dinami5ka ravnoteza izmeduadsorbovane i neadsorbovane faze. Pri ovoj ravnotezi postoji odredenaraspodela rastvorka izmedu te&ie i cvrste faze. Taj distribution! odnospredstavlja meru polozaja ravnoteze u adsorpcionom procesu i zavisi odkoncentracije rastvorka koji se adsorbuje, od koncentracije i prirode ostalihrastvoraka, od prirode rastvarac'a itd.

Proces adsorpcije se eksperimentalno ispiuije na osnovu funkcionalnezavisnosti koliCine adsorbovane supstance a, pritiska p (koncentracije c ) itemperature T ,

= f ( p , T ) ; a = f ( c , T ) (1)

Proces adsorpcije se naj£e§6e ispituje odredivanjem adsorbovane koliCinea u zavisnosti od pritiska p (odnosno koncentracije c)pri T=const

= f ( p ) T = f ( c ) T (2)

Ova jednac'ina se naziva adsorpcionom izotermom, Postoji vi§e tipovaadsorpcionih izotermi. Njihovi oblici zavise od specific^ie povrSine adsorbensa,zapremine pora i njihove raspodele po veliCinama i drugifi nphovihkarakteristika, kao i od temperature.

a

P R I T I S A KSlika 4. Osnovni tipovi adoipcionih izotermi

Izotermu prvog tipa karakterKe u pocetku brz porast kolicineadsorbovane supstance da bi usled popunjavanja povrSine nagib krivepostepeno postajao blazl Kada se cela povrSina pokrije jednim slojemadsorbata dalje pove£anje pritiska ne uti5e na veliSnu a . Adsorpciona izotermaI tipa prikazuje monoslojnu adsorpciju. Izoterme II i III prikazuju razli^iteslu5ajeve viseslojne adsorpcije, a izoterme IV i V adsorpciju pradenukondenzovanjem gasa u porama i kapilarama £vrste faze (lit 2 i 5 ).

2.2.2 FREUNDLICH-OVA IZOTERMA

Izoterma adsorpcije, koja karakterise zavisnost koliSine adsorbovanemaierije od ravnotezne koncentracije, u sluSaju monomolekulske adsorpcijeima oblik parabole. Kriva ima dva pravolinijska dela: kod malih i kod velikihvrednosti koncentracija adsorbata.

Freundlich-ova jednaCina izoterme adsorpcije predstavlja parabolu:

a = k ' c1/n (3)

gdesu:a - koncentracija adsorbala po jedinici mase adsorbensa,c - ravnotezna koncentracija adsorbala,k i I/a su konstante, n je broj vecl od jedinice.

Konslanta k za razliCile adsorbense i adsorpcione sisieme krec'e se uSirokim granicama. Njen fMcld smisao postaje jasan kada se uzroe da je c = 1.Tada k ima vrednost adsorpcije pri ravnoteznoj koncentraciji adsorptiva.

Eksponent 1/a je pravi razlomak i karakteri^e stepen priblizavanjaizoterme adsorpcije pravoj liniji. Pribli£avanje zasicenju adsorbenasaadsorbatom vodi o§trom smanjenju vrednosti 1/n.

Konstante Freundlich-ove izoterme se odreduju grafiCkim putem poslelogaritmovanja jednaSine (3):

log a = log k + 1/n log c ( 4 )

Jednac'ina (4) je jednac"ina prave. Odsedak na ordinati je log k , a 1/n jetangens ugla koji ta prava zaklapa sa apscisom.

Freundlich-ova jedna5ina je emprrijska. Predstavlja jednaSinu parabole ine moze opisivati pravolinijski porast adsorpcije sa povedanjem koncentracijeadsorbata, kao ni graniCnu vrednost adsorpcije, koja ne zavisi od koncentracijeadsorbala. Pravolinijski deo izoterme, koji odgovara malim koncentranjamamoze se opisati Freundlich-ovom jednaCinom samo ako je 1/n = 1 .Isto tako semoze dobiti pravolinijski deo koji odgovara visokim koncentranjama ako je1/n = 0 . Tako se eksponent sam po sebi mora smatrati funkcijom od c.

Freundlich-ova ̂ dnadina se primenjuje na rastvore srednjih koncentracija.Odredivanje konstanti+ Freundlich-ove jednaSine omogu^ava da sekvantitativno karakteri§e proces adsorpcije i da se uporeduju adsorpcionesposobnosti razlicitih adsorbata, kao i sorpciona aktivnost raznih adsorbenasa.

10

2.2.3 LANGMUIR-OVA IZOTERMA

Za opisivanje adsorpcije iz gasnih smeSa i rastvora koristi se Langmuir-ova jednacina izoleime adsorpcije (liL5 i 12 ).

Langmuir je u svojim razmtranjima procesa adsorpcdje po§ao od dveosnovne pretpostavke da adsorbovani molekuli grade samo jedan sloj i da seproces adsorpcije sastoji od dva suprottia procesa: kondenzovanja molekula izgasne faze na £vrstoj povrSini i isparavanja molekula sa povrSine nazad u gasniprostor.

Ako se deo povrSine pokriven adsorbovanim molekulima u bilo komtrenutku obelezl sa 0 .deo slobodne nepokrivene povrSine c"e biti <7-0>.Brzinakondenzovanja srazmerna je pritiskn gasa/? i slobodnoj povrSini :

kr( i -e)-P ( 5 )Brzina isparavanja (desorpcije) zavisi od karakteristika sistema i veliCine

zaposednute povrsine, i data je proizvodom k2'6. U slucaju ravnoteze vazi6e :

k ± - ( i - e ) - P = k2-e ( 6 )e = k4 p / (k2+k± p) (7)

Ako zamenimo b=ki/k2

0 = b p / ( l + b p ) (8)

PoSto je koliclna gasa adsorbovana na jedinici povrSine srazmernazaposednutoj povrsini, a=amia 8, moze se pisati:

a=iW b p(c) / (1 + b p(c) ) (9)

Ova jedna5ina predstavlja Langmuir-ovu adsorpcionu izotennu gde su:

a - koli5ina adsorbovane materije na jedinici mase Hi zapremineadsorbensa

p(c) - ravnotezni parcijalni pritisak adsorptiva u gasnoj sme§i Hi njegovakoncentracija u rastvora,

n

b - konstanta

- kolic'ina adsorbovane malerije pri cemu se povrSina adsorbensapotpuno pokrije monoslojem adsorbata - kapacitet monosloja.

U pocetnoj oblasti pri malim ravnoteznim parcijalnim pritiscima odnosnokoncentracijama adsorptiva, b p « 1 , pa jednacina (9) dobija oblik:

a=a»»bp(c) (10)

identiSan sa Henry-evom jednaclnom raspodele posmatrane komponenteizmedu dveju f aza.

Jednac'ina (9) se moze transfonnisati u jednaCinu prave u koordinatamac/aic:

c/a = 1/a^ b + c 1/a,̂ ( 11 )

u kojqj je l/am^b odsecak na ordinati, a 1/a,,,̂ njen koefieijent pravca, §toomogucuje odredivanje velic'ina a -̂,, i b na osnovu eksperimentalnih podatakaza a i c, odnosno p.

12

2.2.4. FAKTORI KOJI UTI^U NA PROCES ADSORPCIJE

Odredeni uticaj na adsorpcioni proces imaju sledeci faktori:- razvijenost povr§ine i priroda adsorbensa- veliclna, struktura i oblik molekula adsorbata- sposobnost disocojacije i polaraost adsorbata- pH vrednost rastvora i- temperatura

Adsorpcija je povrsinska pojava, te je stepen adsorpcije srazmeranspecifLclnoj povrsini adsorbensa, odnosno razvijenosti povr§ine. SpeciQcnapovrSina je deo ukupne povrSine koji je raspoloziv za adsorpciju. Brzinaadsoipcije je vec"a ukoliko je adsorbens vi§e spraiHen i porozniji.

Pri adsorpciji iz rastvora na adsorpcionu ravnotezu u velikoj meri uti£erastvorljivost adsorbata u datom rastvarac~u. Stepen adsorpcijedatog adsorbataje prema Ldndelius-ovom pravilu obrnuto proporcionalan njegovojrastvorljivosti u rastvaracu iz koga se adsorpcioni proces odvija. Ova zavisnostse moze objasniti potrebom raskidanja nekog oblika veze aisorbal- rastvarac',kao preduslov da bi do adsorpcije uop§te doslo. Postoji niz adsorpcionihsistema koji se ne pokoravaju Undelius-ovom pravilu. Rastvorljivost organ skihjedinjenja u vodi po pravilu se smanjuje sa pove^anjem duzine lancaugljenikovih aioma. Iz ovog proizlazi drugo osnovno pravilo, Traube-ovo kojeglasi da stepen adsorpcije iz vodenog rastvora raste sa porastom rednog brojajedinjenja (adsorbata)u homolognom nizu. Ovo se moze objasniti sveintezivnijim istiskivanjem krupnih hidrofobnih molekula iz vode sa porastomnjihove molekulske mase, cime se omogudava obnavljanje sve veceg broja vezavoda-voda.

VeliCina molekula adsorbata posebno je znaSajna za adsorpciju organskihsupstanci na poroznom aktivnom uglju u onim sluc"ajevima kada brzinu 5itavogprocesa odreduje brzina difuzije kroz pore. Adsorpcioni proces ce se odvijatiutoliko brie ukoliko su molekuH adsorbata manji.

Struktura i oblik molekula imaju znatao manji uticaj na ravnotezne uslovenego duzina lanaca ugljeni5nih atoma, jer su pore adsorbensa ve£e odmolekula.

Mnogi sastojci prirodnih i otpadnih voda ili imaju .sposobnost disocijacije,ili se vec1 nalare u vodi u jonskom obliku, Sa druge strane, aktivni ugalj obiCnoima negativno povrSinsko naelektrisanje, §to mora imati uticaja na adsorpcioniproces. Kada se radi o jedinjenjima relativno jednostavne struktore, alsorpcijaje minimalna za naelektrisane, a maksimalna za neutralne cestice. Kod uticajapolarnosti molekula adsorbata na proces adsorpcije, vazi op§te pravilo da sepolami adsorbati bolje adsorbuju na polarnom adsorbensu.

13

Adsoipcija tipicnih organskih zagadivaca iz vode raste sa smanjenjem pHvrednostL Ovo se moze objasniti neutralizacijom negativnih naelektrisanja napovrsini aktivnog uglja zbog povecanja koncentracije vodoniCih jona £ime sesmanjujn difuzioni otpori i pove£ava ukupna aktivna povrSina uglja,raspoloziva za adsorpciju..Velicina ovog uticaja zavisi od vrste aktivnog uglja,jer naelektrisanje na njegovqj povi^ini zavisi od sastava sirovina za njegovuproizvodnju i od tehnologije aktiviranja (lit 7i 12 ).

Adsorpcija je spontani, pa otuda i egzotermni proces. Kod fizickeadsorpcije kolicina adsorbovane malerije se malo smanjuje sa povecanjerntemperature, tako da brzina procesa malo zavisi od temperature. U slufiajuhemisorpcije koliSina adsorbovane materije takode se smanjuje sa pove£anjemtemperature. ObiSno, kolicina hemisorbovane materije je veca od malerije kojaje fiziCki adsorbovana , pa brzina procesa mnogo zavisi od temperature (rasteeksponencijalno sa porastom temperature).

14

3.EKSPERIMENTALNI DEO

Cilj ovog rada je bio ispitivanje adsorpcionih karakteristika aktivnihugljeva proizvedenih od doma£eg antracita sa lokaliteta Vrska Cuka. U "TrajaTkorporaciji, Krusevac izvrsena je probna proizvodnja aktivnog uglja oddoma£e sirovine. Antracit iz Vrske Cuke je aktiviran vodenom parom natemperaturi od 950 - 1000 ° C. Dobijeni aktivni ugalj je gramilovan. VeMnagranula je 2mm i 4 mm (AU ,2mm i AU, 4mm). U aktivnim ugljevima jeodreden sadi^aj vlage, pepela i jodni broj (2r£7)Adsorpcione karakteristikeaktivnih ugljeva su ispitane u stan'Ckim uslovima.

Ispitivana je adsorpcija fenola iz model rastvora, adsorpcija organskihmaterija iz dunavske vode i adsorpcija prirodnih organskih materija izpodzemne vode severnog Banata Za adsorpciju je uzimano 6 - 7 proba po 500ml model rastvora iti originalne vode i odredene koli£ine aktivnog uglja uplasti&e boce sa Cepom. Sistem j& muckan 2 sata Nakon uspostavljanjadinarniCke ranote^e ugalj je odvojen cedenjem, a u rastvoru je odredivanakoncentracija fenola, spektrofotometrijski sa 4-aminoantipirinom, organskematerije iz dunavske vode su odredivane preko utroSka KMnO4 , a prirodneorganske materije iz podzemne vode merenjem utroSka KMnO4 i UVapsorbancije na 254 nm (liLl).

Sve upotrebljene hemikalije bile su p. a. 5istoce.

15

4. REZULTATI I DISKUSIJA

Rezultati karakterizacije aktivnih ugljeva dobijenih od antracita,granulacije 214 mm prikazani su u tabeli 1.

Tabela 1. Karakteristike aktivnih ugljeva od antracita

AKTTVNIUGALJ

granulacija 2mmgranulacija 4mm

PEPEO(%)9,009,70

VLAGA(%)

19,2020,75

JODNI BROJ(mg/g)725670

Oba aktivna uglja karakieriSe visok sadrzaj pepela i vlage i relativno malavrednost za jodni broj u odnosu na aktivne ugljeve proizvedene u " Trajal "korporaciji po istoj tehnologiji, ali od drage sirovine (npr. Ijuska kokosovogoraha).

Adsorbovana kolic"ina fenola, organskih materija iz dunavske vode iprirodnih organskih malerija iz podzemne vode (x/m) po jednom gramu uglja,koja se adsorbovala iz 11 rastvora koncentracije Co , izraSunata je iz razlikepoSetne (C0) i koncentracije odredene nakon adsorpcije (C). Rezultati merenjapre i posle adsorpcije prikazani su u tabelama 2-7.

Tabela 2. Adsorpcija fenola na aktivnom uglju od antracitagranulacije 2 mm

C0 =10,00 mg/l

m ( g / l )0,501,002,004,005,008,0010,00

c(mg/ l )8,637,465,562,802,000,910,68

x/m (mg/g)3,042,662,281,831,631,150,94

logc0,9360,8730,8450,4470300-0,042-0,164

logx/m0,4820,42503590,2630,2120,061-0,025

c/a(g/l)2,8412,8052,4361,5271,2260,7880,725

16

Tabela 3. Adsorpcija fenola na aktivnom uglju od antracita granulacije 4 mm

Co =10,00 mg/1

m ( g / l )0,501,002,004,006,008,0010,00

c ( mg / 1)9,058,627385,203,842,681,96

xM (mg/g)1,421,191,201,140,990,880,78

logc0,9570,9350,8680,7160,5840,4280,292

logx/m0,1520,0760,0800,057-0,005-0,052-0,107

c/a (g/l)63777,2306,1424^653,8843,0262,508

Tabela 4. Adsorpcija organskih materija iz dunavske vode na aktivnom ugljuod antracita granulacije 2 mm

C0-18,1 mg/1

m ( R / l )0,501,002,004,005,008,0010,00

c (mg/ l )15315,113,012,0 __10,29,56,6

x/ra (mg/g)5,952,922,531,471,581,071,15

logc1,1851,1791,1141,0861,0080,9780,819

logx/m0,7750,4660,4030,1680,1980,0320,060

Tabela 5. Adsorpcija organskih materija iz dunavske vode na aktivnom ugljuod antracita granulacije 4 mm

Co=18,lmg/L

m ( g / l )0,501,002,004,005,008,0010,00

c(mg/l)15,113,812311,41039,78,6

x/m (mg/g)6,064,182,912,721,511,060,94

logc1,1801,1411,0881,0561,0220,9850,937

logx/m0,7830,6210,4640,4340,1800,024-0,025

17

Tabela 6. Adsorpcija prirodnih organskih materija iz podzemne vode naaktivnom uglju od antracita granulacije 2 mm

Co =24,4 mg/l UV2M = 0,278 cm-i

m ( g / l )0,10,51,02,03,05,0

c(mg/ l )22,820,017,013,711,78,5

x/m (mg/g)16,008,807,405,354,233,18

logc1,3581,3011,2301,1371,0680,929

log x/m1,2040,9440,8690,7280,6260,502

UV^cra1)

0,2560,2480,2060,1850,1460,104

Tabela 7. Adsorpcija prirodnih organskih materija iz podzemne vode naaktivnorn uglju od antracita granulacije 4 mm

C0 =24,4 mg/l UV254 =0,278 cm'-i

m ( g / l )0,10,51,02,03,05,0

c(mg/ l )23,021,620,219318,215,4

x/m (mg/g)

14,005,604,202,552,061,80

logc13621,33413051,2861,2601,187

log x/m1,1460,7480,6230,406 _j0,3140,255

UV254(cm1)

0,2610,2530,2430,2410,2240,185

Postavljajudi x/m u zavisnosti od ravnoteznih vrednosti koncentracija, nacrtanesu izoterme adsorpcija fenola, organskih materija iz dunavske vode i prirodnihorganskih materija iz podzemne vode (slike 5 -10 ).

3.0-

2.5-

2.0-

•3

1.5-

1.0-

10

C (mg/l)

18

Slika 5. Izoterma adsorpcije fenola na aktirnom uglju od antracitagranuladje 2 mm

1.5-

1.4-

1.3-

_ 1.2-

"DI-§ i.HEx

1.0-

0.9-

0.8-

0.74 6

C (mg/l)

10

Slika 6. Izoterma adsorpdje fenola na aktirnom uglju od antracitagranuladje 4 mm

6-

5-

2-

1 -

10—T~

12—T~

14

C (mg/l)

19

16 18—I20

7.Izoterma adsorptije organskib materija iz dunarske rode naaktimom uglju od antracita granulacije 2 mm

6-

5-

_ 4-

)̂£

I" 3-

2-

1 -

—r~1210 14 16 18

C (mg/l)

Slika 8. Izoterma adsorpije organskib materija iz dunarske rode naaktirnom uglju od antracita granulacije 4 mm

16-

14-

12-

10-

20

10 15—T~20

—1—25

C (mg/l)

Slika 9. Izoterma adsorpcije prirodnib organskib materija izpodzemne rode na aktivnom uglju od antracita

granulacije 2 mm

14 -

12-

10-

I '

I M

4-

2-

014

—1—16 18 20

C (mg/l)

—I—22

—r~24

—I26

Slika 10. Izoterma adsorpcije prirodnib organskib materija izpodzemne rode na aktivnom uglju od antracita

granulacije 4 mm

21

Koristeci adsorpcione izoterme crtane su prave prema linearizovanom oblikuFreundlich-ove jednac'ine i odredene speciQcne adsorpcije k kao odsecci naordinati. Na slikama 11-16 prikazani su logaritamski oblici izotermi adsorpcije.Linearnom regresijom utvrdeni su koefkdjenti korelacije iamedu 0,809 i 0,987.

0.5-

0.4-

0.3-

0.2-

0.1 -

0.0-

-0.1-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

logc

SUka 11. Logaritamski oblik izoterme adsorpcije fenola naaktirnom uglju od antracita granulacije 2 mm

XboO

0.15-

0.10-

0.05-

0.00-

-0.05

-0.10.

-0.150.2 0.4 0.6 0.8 1.0

logc

SUka 12JLogaritamski oblik izoterme adsorpije fenola naaktirnom uglju od antracita granulacije 4 mm

22

0.8-

0.6-

= 0.4-

0.2-

0.0-

.8 0.9 1.0

logc1.1 1.2 1.3

Slika 13JLogaritamski oblik izoterme adsorpcije organskib materijaiz dunavske vode na aktivnom uglju od antracita granuiacije2mm

0.8-

0.6-

0.4-

0.2-

0.0-

0.9QX 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20

logc

Slika 14. Logaritamski oblik izoterme adsorpije organskib materijaiz dunavske vode na aktivnom uglju od antracita granuiacije4 mm

23

1.4-

1.2-

1.0-

0.8-

0.6-

0.4-0.9 1.0 1.

1 r " " " T

1.2 1.3 1.4

iogc

15. Logaritamski oblik izoterme adsorpcije prirodniborganskib materija iz podzemne rode na aktivnom ugljugranulacije 2 mm

1.4-,

1.2-

1.0-

E 0.8-

g,.0 0.6-

0.4-

0.2-

1. 15 / .1.20 1.25 1.30 1.35 1.40

Iogc

16. Logaritamski oblik izoterme adsorpcije prirodniborganskib materija iz podzemne rode na aktivnom ugljugranulacije 4 mm

24

Pomocu vrednosti x/m i ravnoteznih koncentracija u skladu sa Langmuir-ovomjednacinom i njenim linearizovanim oblikom za slucaj adsorpcije fenola, crtanesu prave koje su prikazane na slikama 17 i 18 . Iz nagiba su odredeniadsorpcioni kapaciteti monosloja, a^ . Koeficijenti korelacije su u ovomslu5aju imali vrednosti 0,982 i 0,986. Adsorpcija organskih mateiija izdunavske vode i prirodnih organskih malerija iz podazemne vode nije se moglaopisati Langmuir-ovom jedna£inom.

3.0-

2.5-

.2.0-

sCD

1.5-

1.0-

0.5-10

c (mg/i)

Slika 17, Transformisani oblikL,angmnir-ove izoterme adsorpcijefenola na aktivnom uglju od antradta granulacije 2 mm

25

7-

6-

0) 5-

4-

3-

10

c (mg/l)

Sttka IS. Transformisani oblik Langmuir-ove izoterme adsorpdjefenola na aktirnom uglju od antracita granulacije 4 mm

Vrednosti na ovaj na£in dobijenih parametara date su u tabeli 8.

Tabela 8. Freundlich-ovi i Langmuir-ovi adsorpcioni parametri za fenoL,organske materije iz dunavske vode i prirodne organskematerije iz podzemne vode na aktivnim ugljevima od antracita

SUPSTANCA

FENOL

ORGANSKEMATERIJE IZDUNAVSKE VODEPRIRODNEORGANSKEMATERIJE IZPODZEMNEVODE

AUgranulacije2 mm4 mm2 mm4 mm2 mm4 mm

PARAMETARk

1,1660,6340,0364,4510"4

0,1092,3310-6

1/n

0,4100^311,6553,5011,5164,821

RF

0,9870,9690,8090,9840,9620,887

amax(mg/g)3,5461,618

—

-

RL

0,9860,982-

-

26

Iz dobijenih rezultata se vidi da je adsorpcioni kapacitet aktivnog ugljaod autracita veoma nizak.Najveci kapacitet ugalj je pokazao za adsorpcijufenola. Ugalj granulacije 2 mm adsorbuje 2,2 puta vise fenola od ugljagranulacije 4 mm.Iz vrednosti konstanti vidi se da ugalj granulacije 2 mmpokazuje i odredeni kapacitet za adsorpciju prirodnih organskih malerija izpodzemne vode i organskih materija. iz dunavske vode, ali dosta niii. Ugaljgranulacije 4 mm zna/Sajno zaostaje po svom kapacitetu kod adsorpcijeorganskih materija.

Na slikama 19 i 20 prikazana je zavisnost permanganatnog broja iUV apsorbancije od kolicine uglja za shi5ajeve adsorpcije prirodnih organskihmaterija iz podzemne vode.

24-

22-

20-

18-

16-

14-

12-

10-

8-

0.30

0.25

0.20

0.10

2 3

masa uglja (g/I)

Slika 19. Za visnost permanganatnog broja i UV apsorbancije odkolicine aktivnog uglja od antracita granulacije 2 mm

27

24-

22-

^ 20-

coc_

16-

2 3 .

masa uglja (g/I)

—•— PB.4mm• • •o-- -UV.4mm 0.28

0.26

0.24

c

0.22 Q"

0.20

0.18

, Za visnost permaganatnog broja i UV apsorbancije odkolicine aktivnog uglja od antradta granulacije 4 mm

Uo5ava se dobro slaganje izmedu vrednosti permanganalnog broja i UVapsorbancije i mail efekat uklanjanja prirodnili organskill malerija.

28

S.ZAKLJU^AK

U radii su ispitivane adsorpcione karakteristike aktivnih ugljevaproizvedenih od domaceg antracita. Aktivni ugljevi cxi antracita granulacije 2mm i 4 mm imaju visok sadrSaj pepela ( 9,00 i 9,70 % ) i vlage (19,20 i 20,75% ) i male vrednosti jodnih brojeva ( 725 i 670 rng/g ).

Ispitivanja adsorpcionih karakteristika aktiviranih ugljeva u statifikimuslovima su pokazala da oni pokazuju najve6i kapacitet za adsorpciju fenola.Adsorpcioni kapaciteti proizvedenih aktivnih ugljeva za adsorpciju organskihmalerija iz dunavske vode i prirodnih organskih malerija iz podzemne vode suznafiajno nizl

6. LITERATURA

1) APHA-AWWA-WPCF (1989) Standard Methods for the Examination ofWater and Wastewater, 17th eddition, American Public Health Association,Washington

2) Dakovi<5 Lj. (1962) Koloidna hernija, Nau5na knjiga, Beograd

3) Hassler J.W. (1974) Activated Carbon, Chemical Publishing, New York

4) Me Guire M.J. and Suffet LH.(Ed) (1983) Treatment of Water by GranularActivated Carbon, Adv. in Chem.,Ser.,No 202Amer.Chem.Soc.Washington

5) Putanov P. (1972) Osnovi fMCke hemije, n deo, Tehnoloski fakultet,Novi Sad

6) R.G.Rice, G.W.Miller, CJvlRobson, W.Kuhn (1978) In Carbon AdsorptionHandbook, PJvJ.Cheremisinoff, F.EUerbusch, (Ed), Ann Arbor, ScL, AnnArbor, Mich.

7) Rich L.G. (1963) Unit Processes of Sanitary Engineering, John Willey andSons, Inc., New York

8) SmisekM., Cerni S. (1970) Active Carbon, Elsevier PubL, Amsterdam

9) Sontheimer H., Crittenden J.C., Summers R.S. (1988) Activated Carbon forWater Treatment (2n'der Univ. KarlsruheWater Treatment (2nd Ed.) DVGW Forschungstelle am Engler Bunte Institut

10) Suffet LR. and Mac Carthy P. (Ed) (1989) Aqatic Humic Substances:Influence on Fate and Treatment of Pollutants, Adv. in Chem. Ser.,No 219Chap 33 , Amer. Chem. Soc., Washington

11) Suffet I.R., Me Guire M. (1983) Treatment of Water by Activated Carbon,ACS PubL, Philadelphia

12) Weber Jr.WJ. (1972) Phisicochemical Processes for Water Quality ControlJohn Willey and Sons, Inc., New York

UNIVERZITET U NOVOM SADUPRJRODNO - MATEMATICKI FAKULTET

KLJUCNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACUA

Redni broj :RBRIdentLEkacioni broj :IBRTip dokumentacije : Monografska dokumentacijaTDTip zapisa : Tekstualni Stampani materijalTZVrsta rada : Diplomski radVRAutor : Dario B. Jovi3i£AUMentor : Dr Zagorka TamaSMNNaslov rada : Ispitivanje adsorpcionih osobina aktivnih ugljeva proizvedenih

od antracita iz VrSke CukeNRJezik publikacije : Srpski (lannica)JPJezik izvoda: SrpskiJlZemlja publikovanja : JugoslaviaZPUie geografsko podrnCje: SrbijaUGPGodina: 1997GOIzdavag : Autorski reprintIZMesto i adresa : Novi Sad, Trg Dositeja Obradovi6a 3MAFizi5ki opis rada:(broj poglavlja / strana / litcitata / tabela / slika / grafika / priloga)FONauSna oblast: HemijaNO

Nau&ia disciplina : ZaMta zivotne sredineNDPredmetaa odrednica / KljuSne re£i : Aktivni ugalj , adsoipcija, fenol,

organske materijePOUDK:Cuva se : Prirodno-matematicki fakultet, Hemija, Novi SadCuVa2na napomena: NemaVNIzvod : U radu su ispitivane adsorpcione karakteristike aktivnih ugljeva

proizvedenili od domaceg antracita.Ispitivanja u statiCkim uslovimapokazala su da ti aktivni ugljevi poseduju najve£i kapacitet zauklanjanje fenola, a adsorption! kapaciteti za adsorpciju organskihinaterija iz dunavske vode i prirodnih orgaaskih materija iz podzemnevode su zna5ajno ni^i.

IZDatum prihvatanja teme od strane NN ve6a :DPDatum odbrane :DOClanovi Komisije : Predsednik : Dr Elvira Karlovi6 , vanredan profesor

Clan : Dr Ljiljana Cookie , docentClan : Dr zigorka TamaS , vanredan profesor

KOMentor : Dr Zagorka TamaS