Кинетика сорбции фосфатов сорбентом из золошлаковых отходов

Цель проведенного исследования заключалась в изучении кинетики сорбции фосфатов прокаленным сорбентом на основе золошлаковых отходов предприятия теплоэнергетики и апробации сорбента на открытом стоке в реку Кубань, содержащем ливневые и хозяйственно-бытовые сточные воды. Прокаленный сорбент получен высушиванием и прокаливанием при температуре 600 °С в течение 30 мин образцов золошлака Новочеркасской государственной районной электростанции. Приведены данные экспериментальных исследований статической сорбции по очистке от фосфатов модельных водных растворов и сточной воды. Исследована кинетика сорбции фосфатов из модельных растворов прокаленным сорбентом массой 1 г на 50 см 3 раствора. Экспериментально определены оптимальные значения параметров сорбции: частота вращения перемешивающего устройства составляла 200 об/мин, рН был равен 7, продолжительность сорбции – от 10 до 120 мин. Исходная концентрация фосфатов в модельных растворах варьировалась от 2 до 300 мг/дм³. Наибольшая эффективность извлечения 97–98% получена для концентраций фосфатов в исходном растворе 10 и 20 мг/дм³. Экспериментальные данные обработаны по уравнениям кинетики псевдопервого порядка (Лагергрена) и псевдовторого порядка (Хо и Маккея). Наибольший коэффициент детерминации R² = 0,999 получен по модели псевдовторого порядка, что согласуется с данными зарубежных исследователей по извлечению фосфатов из водных растворов сорбционным способом. Получено хорошее качественное и количественное согласование экспериментальных и расчетных значений эффективности извлечения фосфатов из водного раствора.

1. Fetene Y., Addis T. Adsorptive removal of phosphate from wastewater using Ethiopian rift pumice: batch experiment // Air, Soil and Water Research. 2020. Vol. 13. DOI: 10.1177/1178622120969658.

2. Chen Q., Ni Z., Wang S., Guo Y., Liu S. Climate change and human activities reduced the burial efficiency of nitrogen and phosphorus in sediment from Dianchi Lake, China // Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 274. P. 122839. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.122839.

3. Ismail Z.Z. Kinetic study for phosphate removal from water by recycled date-palm wastes as agricultural by-products // International Journal of Environmental Studies. 2012. Vol. 69, no. 1. P. 135–149. DOI: 10.1080/00207233.2012.656975.

4. Radini S., Marinelli E., Akyol Ç., Eusebi A. L., Vasilaki V., Mancini A., et al. Urban water-energy-food-climate nexus in integrated wastewater and reuse systems: Cyber-physical framework and innovations // Applied Energy. 2021. Vol. 298. P. 117268. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117268.

5. Mohammed S.A.M., Shanshool H.A. Phosphorus removal from water and waste water by chemical precipitation using alum and calcium chloride // Iraqi Journal of Chemical and Petroleum Engineering. 2009. Vol. 10, no. 2. P. 47–52. DOI: 10.31699/IJCPE.2009.2.7.

6. Плешаков Н.А., Беликов М.Л., Сафарян С.А. Очистка воды от фосфат-ионов с применением различных реагентов // Труды Кольского научного центра РАН. Серия технические науки. 2023. Т. 14. N 5. С. 60–66. DOI: 10.37614/2949-1215.2023.14.5.011. EDN: ZBIBTW.

7. Морозенко М.И., Никулина С.Н., Черняев С.И. Коагуляционная очистка сточных вод металлургического предприятия // Фундаментальные исследования. 2016. N 12-2. С. 318–323. EDN: XIISVV.

8. Appeldoorn K.J., Kortstee G.J.J., Zehnder A.J.B. Biological phosphate removal by activated sludge under defined conditions // Water Research. 1992. Vol. 26, no. 4. P. 453–460. DOI: 10.1016/0043-1354(92)90045-6.

9. Van Loosdrecht M.C.M., Hooijmans C.M., Brdjanovic D., Heijnen J.J. Biological phosphate removal processes // Applied Microbiology and Biotechnology. 1997. Vol. 48. P. 289–296. DOI: 10.1007/s002530051052.

10. Теплых С.Ю., Бочков Д.С., Базарова А.О. Перспективные методы биологического удаления фосфатов из сточной воды // Градостроительство и архитектура. 2021. Т. 11. N 2. С. 42–47. DOI: 10.17673/Vestnik.2021.02.07. EDN: RJJYGW.

11. Manawi Y., Hussien M., Buekenhoudt A., Zekri A., Al-Sulaiti H., Lawler J., et al. New ceramic membrane for phosphate and oil removal // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2022. Vol. 10, no. 1. P. 106916. DOI: 10.1016/j.jece.2021.106916.

12. Drissi R., Mouats C. Removal of phosphate by ion exchange resin: kinetic and thermodynamic study // RASÃYAN Journal of Chemistry. 2018. Vol. 11, no. 3. P. 1126–1132. DOI: 10.31788/RJC.2018.1132081.

13. Gomelya M., Shabliy T., Radovenchyk I., Vakulenko A. Determining the efficiency of reverse osmosis in the purification of water from phosphates // Journal of Ecological Engineering. 2023. Vol. 24, no. 2. P. 238–246. DOI: 10.12911/22998993/157023.

14. Теплых С.Ю., Бочков Д.С., Базарова А.О. Исследование способов удаления фосфатов из бытовых сточных вод // Градостроительство и архитектура. 2020. Т. 10. N 4. С. 69–77. DOI: 10.17673/Vestnik.2020.04.9. EDN: AWOOST.

15. Shalaby A., Nassef E., Mubark A., Hussein M. Phosphate removal from wastewater by electrocoagulation using aluminium electrodes // American Journal of Environmental Engineering and Science. 2014. Vol. 1, no. 5. P. 90–98.

16. Сапон Е.Г., Марцуль В.Н. Исследование очистки сточных вод от фосфатов материалами, полученными из природного сырья и отходов // Труды БГТУ. Серия 3. Химия и технология неорганических веществ. 2015. N 3. С. 20–28. EDN: XAGJIX.

17. Loganathan P., Vigneswaran S., Kandasamy J., Bolan N.S. Removal and recovery of phosphate from water using sorption // Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 2014. Vol. 44, no. 8. P. 847–907. DOI: 10.1080/10643389.2012.741311.

18. Danso F., Nartey E.K., Dowuona G.N.N., Darko D.A., Adjadeh T.A., Laryea K.B. Removal of phosphate from simulated domestic wastewater using sorbents under constructed wetland // International Journal of Environment and Waste Management. 2023. Vol. 32, no. 3. P. 273–285. DOI: 10.1504/IJEWM.2023.133593.

19. Almanassra I.W., Kochkodan V., Mckay G., Atieh M.A., Al-Ansari T. Review of phosphate removal from water by carbonaceous sorbents // Journal of Environmental Management. 2021. Vol. 287. P. 112245. DOI: 10.1016/j.jenvman.2021.112245.

20. Chouyyok W., Wiacek R.J., Pattamakomsan K., Sangvanich T., Grudzien R.M., Fryxell G.E., et al. Phosphate removal by anion binding on functionalized nanoporous sorbents // Environmental Science & Technology. 2010. Vol. 44, no. 8. P. 3073–3078. DOI: 10.1021/es100787m.

21. Ragheb S.M. Phosphate removal from aqueous solution using slag and fly ash // HBRC Journal. 2013. Vol. 9, no. 3. P. 270–275. DOI: 10.1016/j.hbrcj.2013.08.005.

22. Agyei N.M., Strydom C.A., Potgieter J.H. The removal of phosphate ions from aqueous solution by fly ash, slag, ordinary Portland cement and related blends // Cement and Concrete Research. 2002. Vol. 32, no. 12. P. 1889–1897. DOI: 10.1016/s0008-8846(02)00888-8.

23. Hashim K.S., Ewadh H.M., Muhsin A.A., Zubaidi S.L., Kot P., Muradov M., et al. Phosphate removal from water using bottom ash: adsorption performance, coexisting anions and modelling studies // Water Science & Technology. 2021. Vol. 83, no. 1. P. 77–89. DOI: 10.2166/wst.2020.561.

24. Горбачева Т.Т., Майоров Д.В. Золошлаки ТЭЦ как сорбент для очистки сточных вод от ионов аммония // Теплоэнергетика. 2022. N 3. С. 72–79. DOI: 10.1134/S0040363622030043.

25. Korotkova T.G., Bushumov S.A., Ksandopulo S.Yu., Istoshina N.Yu. Determination of the hazard class of ash-and-slag from a thermal power plant accumulated on ash dumps under the scheme hydraulic ash removal // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2018. Vol. 9, no. 10. P. 715–723. EDN: YLOQPR.

26. 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.

27. 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: 10.21285/2227-2925-2023-13-2-291-303. EDN: CHSYDA.

28. Короткова Т.Г., Заколюкина А.М., Бушумов С.А. Применение моделей кинетики для исследования скорости сорбции в системе ионы аммония – прокаленный сорбент // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2024. Т. 14. N 1. С. 6–18. DOI: 10.21285/achb.894. EDN: ZDJIFM.

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

30. Ali D.A., Abdelwahab W.A., Roushdy M.H. Optimum phosphate ion removal from aqueous solutions using roller kiln industrial solid waste // Scientific Reports. 2024. Vol. 14. P. 4027. DOI: 10.1038/s41598-024-53962-9.

31. Zhang K., van Dyk L., He D., Deng J., Liu S., Zhao H. Synthesis of zeolite from fly ash and its adsorption of phosphorus in wastewater // Green Processing and Synthesis. 2021. Vol. 10, no. 1. P. 349–360. DOI: 10.1515/gps-2021-0032.

32. Korotkova T.G., Zakolyukina A.M., Bushumov S.A. Removing phosphates from aqueous solutions by means of static sorption on ash-and-slag sorbent: analyzing coefficients of distribution based on adsorption isotherms // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2024. Vol. 98. P. 1838–1851. DOI: 10.1134/S0036024424700924.