Применение моделей кинетики для исследования скорости сорбции в системе ионы аммония – прокаленный сорбент

Целью работы являлось проведение экспериментальных исследований в статических условиях кинетики сорбции по извлечению ионов аммония из водного раствора при дозе сорбента 5 г. Сорбент получен путем прокаливания золошлаковых отходов, накопленных на золоотвале по схеме гидрозолоудаления. Начальная концентрация ионов аммония в модельных растворах составляла 5, 20, 50 и 100 мг/дм³. Объем модельного раствора – 50 см³. Для каждой начальной концентрации получены кривые кинетики сорбции ионов аммония при времени сорбции 10, 30, 60, 90, 120, 150 и 180 мин. Обработка кинетических кривых проведена по уравнениям кинетики Лагергрена (псевдопервого порядка), Хо и Маккея (псевдовторого порядка), Морриса – Вебера (диффузионной) и Еловича. Показано, что все уравнения кинетики адекватно описывают экспериментальные данные. Приведена линейная корреляция уравнений. Для определения лимитирующей стадии в модели Морриса – Вебера использовано уравнение Бойда. Установлено, что лимитирующим механизмом сорбции ионов аммония прокаленным сорбентом является внешнедиффузионный. Модель Лагергрена наилучшим образом описывает экспериментальные данные по кинетике сорбции, коэффициент детерминации R² составил 0,9801–0,9949. Приведены графические кривые скорости сорбции от величины адсорбции и времени сорбции. Последние описываются следующими зависимостями: по модели Лагергрена – экспоненциальной и полиномиальной, по модели Хо и Маккея – полиномиальной, а по моделям Морриса – Вебера и Еловича – степенной зависимостью. Все зависимости характеризуют наибольшую скорость сорбции на начальном этапе сорбции, что согласуется с исследованиями ученых по сорбции загрязняющих веществ из водных растворов различными сорбентами.

1. Boopathy R., Karthikeyan S., Mandal A.B., Sekaran G. Adsorption of ammonium ion by coconut shell-activated carbon from aqueous solution: kinetic, isotherm, and thermodynamic studies // Environmental Science and Pollution Research. 2013. Vol. 20, no. 1. P. 533–542. DOI: 10.1007/s11356-012-0911-3.

2. Ghising R.B., Jha V.K. Characteristics of the ammonium ion adsorption from wastewater by the activated carbon obtained from waste tire // Journal of Nepal Chemical Society. 2022. Vol. 43, no. 1. P. 17–27. DOI: 10.3126/jncs.v43i1.46998.

3. Otal E., Vilches L.F., Luna Y., Poblete R., García-Maya J.M., Fernández-Pereira C. Ammonium ion adsorption and settleability improvement achieved in a synthetic zeolite-amended activated sludge // Chinese Journal of Chemical Engineering. 2013. Vol. 21, no. 9. P. 1062–1068. DOI: 10.1016/S1004-9541(13)60566-2.

4. Кондрашова А.В., Кузьмина Р.И. Очистка сточных вод от ионов аммония адсорбционным методом // Наука и бизнес: пути развития. 2022. N 5. С. 135–138. EDN: PYHLGR.

5. Yuliani G., Liswanti W., Murida R., Mutiara S., Setiabudi A. Adsorption-desorption properties of ammonium ion on zeolite bottom ash in aqueous solution // Proceedings of the 7th Mathematics, Science, and Computer Science Education International Seminar (Bandung, 12 October 2019). Bandung, 2019. DOI: 10.4108/eai.12-10-2019.2296462.

6. Wang J., Guo X. Adsorption kinetic models: physical meanings, applications, and solving method // Journal of Hazardous Materials. 2020. Vol. 390. P. 122156. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.122156.

7. Runtti H., Sundhararasu E., Pesonen J., Tuomikoski S., Hu T., Lassi U., et al. Removal of ammonium ions from aqueous solutions using alkali-activated analcime as sorbent // ChemEngineering. 2023. Vol. 7, no. 1. P. 5. DOI: 10.3390/chemengineering7010005.

8. Ho Y.S., McKay G. A comparison of chemisorption kinetic models applied to pollutant removal on various sorbents // Process Safety and Environmental Protection. 1998. Vol. 76, no. 4. P. 332–340. DOI: 10.1205/095758298529696.

9. Musah M., Azeh Y., Mathew J.T., Umar M.T., Abdulhamid Z., Muhammad A.I. Adsorption kinetics and isotherm models: a review // Caliphate Journal of Science & Technology. 2022. Vol. 4, no. 1. P. 20–26. DOI: 10.4314/cajost.v4i1.3.

10. Zhang L.Y., Zhang H.Y., Guo W., Tian Y.L. Sorption characteristics and mechanisms of ammonium by coal by-products: slag, honeycomb-cinder and coal gangue // International Journal of Environmental Science and Technology. 2013. Vol. 10. P. 1309–1318. DOI: 10.1007/s13762-012-0168-x.

11. Lv P., Meng R., Mao Z., Deng M. Hydrothermal synthesis of sodalite-type N-A-S-H from fly ash to remove ammonium and phosphorus from water // Materials. 2021. Vol. 14, no. 11. P. 2741. DOI: 10.3390/ma14112741.

12. Uğurlu M., Karaoğlu M.H. Adsorption of ammonium from an aqueous solution by fly ash and sepiolite: isotherm, kinetic and thermodynamic analysis // Microporous and Mesoporous Materials. 2011. Vol. 139, no. 1-3. P. 173–178. DOI: 10.1016/j.micromeso.2010.10.039.

13. Ji X.D., Zhang M.L., Ke Y.Y., Song Y.C. Simultaneous immobilization of ammonium and phosphate from aqueous solution using zeolites synthesized from fly ashes // Water Science & Technology. 2013. Vol. 67, no. 6. P. 1324–1331. DOI: 10.2166/wst.2013.690.

14. Bushumov S.A., Korotkova T.G. Determination of physical and chemical properties of the modified sorbent from ash-and-slag waste accumulated on ash dumps by hydraulic ash removal // Rasãyan Journal of Chemistry. 2020. Vol. 13, no. 3. P. 1619–1626. DOI: 10.31788/RJC.2020.1335454.

15. Короткова Т.Г., Заколюкина А.М., Бушумов С.А. Исследование адсорбционного равновесия в системе ионы аммония–прокаленный сорбент из золошлаковых отходов теплоэнергетики // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2023. Т. 13. N 2. С. 291–303. DOI: 10.21285/2227-2925-2023-13-2-291303. EDN: CHSYDA.

16. Korotkova T.G., Zakolyukina A.M., Bushumov S.A. Study of the efficiency of water treatment from ammonium ions by a calcined sorbent from ash-and-slag waste // Theoretical and Applied Ecology. 2023. Vol. 4. P. 99–109. DOI: 10.25750/1995-4301-2023-4-099-109. EDN: VCQLNQ.

17. El-Shafey O.I., Fathy N.A., El-Nabarawy T.A. Sorption of ammonium ions onto natural and modified egyptian kaolinites: kinetic and equilibrium studies // Advances in Physical Chemistry. 2014. P. 935854. DOI: 10.1155/2014/935854.

18. Chien S.H., Clayton W.R. Application of Elovich equation to the kinetics of phosphate release and sorption in soils // Soil Science Society of America Journal. 1980. Vol. 44, no. 2. P. 265–268. DOI: 10.2136/sssaj1980.03615995004400020013x.

19. Yao Y., Gao B., Inyang M., Zimmerman A.R., Cao X., Pullammanappallil P., et al. Removal of phosphate from aqueous solution by biochar derived from anaerobically digested sugar beet tailings // Journal of Hazardous Materials. 2011. Vol. 190, no. 1-3. P. 501–507. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2011.03.083.

20. Gao F., Xue Y., Deng P., Cheng X., Yang K. Removal of aqueous ammonium by biochars derived from agricultural residuals at different pyrolysis temperatures // Chemical Speciation and Bioavailability. 2015. Vol. 27, no. 2, P. 92–97. DOI: 10.1080/09542299.2015.1087162.