Адсорбционные и магнитные свойства магнитовосприимчивых адсорбентов, полученных на основе гидролизного лигнина

УДК

DOI:

Аннотация

Адсорбционные процессы широко используют в промышленности при извлечении различных веществ и очистке растворов. Наиболее распространенными промышленными адсорбентами являются активные угли. Однако современные углеродные адсорбенты обладают рядом недостатков, которых лишены органо-минеральные магнитовосприимчивые адсорбенты. В мире активно разрабатываются адсорбенты, обладающие магнитной восприимчивостью. При использовании в технологии они легко отделяются от обрабатываемой жидкой фазы приложением магнитного поля, что интенсифицирует технологический процесс. Магнитовосприимчивые адсорбенты были получены путем химической активации гидролизного лигнина с гидроксидом железа (III), который при этом восстанавливался до магнитных форм железа и приводил к выгоранию углерода в гидролизном лигнине, тем самым активируя углеродную матрицу. Синтез адсорбентов проводили методом планированного эксперимента. Был использован центральный композиционный ротатабельный униформ-план второго порядка для трех факторов. Исследовали влияние температуры пиролиза, дозировки Fe(OH)₃ и рН конечной точки осаждения Fe(OH)₃. Полученные адсорбенты были охарактеризованы по адсорбционным и магнитным свойствам, установлен характер зависимости свойств от условий синтеза адсорбентов. На основе экспериментальных данных рассчитаны уравнения регрессии со значимыми коэффициентами, являющиеся математическими моделями зависимости исследуемых свойств от варьируемых факторов. Модели позволяют без проведения эксперимента прогнозировать свойства адсорбентов в исследуемом интервале варьирования факторов. Показано, что полученные адсорбенты обладают высокими адсорбционными свойствами как по иоду, так и по метиленовому голубому. Некоторые образцы по магнитной восприимчивости приближаются к магнетиту, однако наилучшие условия для высоких адсорбционных и магнитных свойств лежат в разных областях. Нами подобраны области условного оптимума в исследованном интервале варьируемых параметров. 

Сведения об авторах

М.А. Архилин, асп.

Н.И. Богданович, д-р техн. наук, проф.

Ключевые слова

Литература

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пат. 2476382 РФ. Способ получения магнитоактивного соединения / Хабаров Ю.Г., Бабкин И.М.; заявл. 30.09.2011; опубл. 27.02.2013.

2. Хабаров Ю.Г., Бабкин И.М., Вешняков В.А. Синтез магнитоактивного соединения на основе сульфата железа (II) // Журн. прикл. хим. 2012. Т. 85, № 6.
С. 900–905.

3. Шевченко Р.С., Богданович Н.И., Кузнецова Л.Н., Добеле Г.В. Формирование сорбционных и магнитных свойств ферромагнитных адсорбентов при пиролизе отходов переработки древесины в присутствии гидроксида железа (III) // Лесн. журн. 1999. № 2-3. С.142–150. (Изв. высш. учеб. заведений).

4. Asuha S., Gao Y.W., Deligeer W., Yu M., Suyala B., Zhao S. Adsorptive removal of methyl orange using mesoporous maghemite // J. Porous Mater. 2011. Vol. 18, N 5.
P. 581–587.

5. Dai M, Vogt B.D. High capacity magnetic mesoporous carbon-cobalt composite adsorbents for removal of methylene green from aqueous solutions // J. оf Colloid and Interface Sci. 2012. Vol. 387, N 1. P. 127–134.

6. Kim B.C., Lee J., Um W., Kim J., Joo J., Lee J.H., Kwak J.H., Kim J.H., Lee C., Lee H., Addleman R.S., Hyeon T., Gu M.B., Kim J. Magnetic mesoporous materials for removal of environmental wastes // J. of Hazardous Materials. 2011. Vol. 192, N 3.
P. 1140–1147.

7. Wang X., Dai S. A simple method to ordered mesoporous carbons containing nickel nanoparticles // Adsorption. 2009. Vol. 15, N 2. P. 138–144.

8. Wang T., Liang L., Wang R., Jiang Y., Lin K., Sun J. Magnetic mesoporous carbon for efficient removal of organic pollutants // Adsorption. 2012. Vol. 18, N 5-6. P. 439–444.

9. Yin Y., Zhou S., Min C., Wu L. Preparation of rattle-type magnetic mesoporous carbon spheres and their highly efficient adsorption and separation // J. Colloid and Interface Sci. 2011. Vol. 361, N 2. P. 527–533.

10. Yu J.-X., Wang L.-Y., Chi R.-A., Zhang Y.-F., Xu Z.-G., Guo J. A simple method to prepare magnetic modified beer yeast and its application for cationic dye adsorption // Envir Sci Pollut Res. 2013. Vol. 20, N 1. P. 543–551.

Ссылка на английскую версию:

UDC 661.183.3

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.2.131

Adsorption and Magnetic Properties of Magneto Susceptible Adsorbents, Obtained on the Basis of Hydrolytic Lignin

M.A. Arkhilin, Postgraduate Student

N.I. Bogdanovich, Doctor of Engibeering Sciences, Professor

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; е-mail: m.arhilin@narfu.ru, n.bogdanovich@narfu.ru

Adsorption processes are widely used in industry by recovery for removing various substances and purification of solutions. Most common commercial adsorbents are active carbon materials. However modern carbon adsorbents have disadvantages that are absent at magneto susceptible organomineral adsorbents. The development of adsorbents possessing magnetic susceptibility is actively pursued in the world. The use of such adsorbents in technology makes it easy to separate them from the treated liquid phase by applying a magnetic field and to intensify the technological process. Magneto susceptible adsorbents were prepared by chemical activation of hydrolytic lignin with iron hydroxide (III). Fe(OH)₃ was reduced to magnetic forms of Fe and promoted to burn-off carbon from hydrolytic lignin that led to activation of a carbon matrix. Synthesis of adsorbents was performed by the planned experiment. The central rotatable second-order uniform plan for the three factors was used. The effect of pyrolysis temperature, iron hydroxide dosage and pH of the end point of Fe(OH)₃ precipitation were investigated. The resulting adsorbents were characterized by the adsorption and magnetic properties, the nature of properties dependence on the synthesis conditions of adsorbents was established. On the basis of experimental data the regression equations with significant coefficients are calculated. They are the mathematic models of properties dependence on the varied factors. The models allow us to predict the properties of adsorbents in the investigated range of variation of parameters. The obtained adsorbents have high adsorption properties towards either iodine or methylene blue. Some samples have magnetic susceptibility value closed to magnetite, but the best conditions for high adsorption and magnetic properties are situated in different areas. We found the areas of conditional optimum in the investigated interval of varied parameters.

Keywords: hydrolytic lignin, adsorbent organo-mineral, carbon-mineral, magneto susceptible, ferromagnetic.

REFERENCES

1. Khabarov Yu.G., Babkin I.M. Sposob polucheniya magnitoaktivnogo soedineniya [A Method for Producing Magnetically Active Compound]. Patent RF 2476382, 2011.

2. Khabarov Yu.G., Babkin I.M., Veshnyakov V.A. Sintez magnitoaktivnogo soedineniya na osnove sul'fata zheleza (II) [Synthesis of Magneto Active Compound Based on Iron Sulphate (II)]. Zhurnal prikladnoy khimii [Russian Journal of Applied Chemistry], 2012, vol. 85, no. 6, pp. 900–905.

3. Shevchenko R.S., Bogdanovich N.I., Kuznetsova L.N., Dobele G.V. Formirovanie sorbtsionnykh i magnitnykh svoystv ferromagnitnykh adsorbentov pri pirolize otkhodov pererabotki drevesiny v prisutstvii gidroksida zheleza (III) [Formation of Adsorption and Magnetic Properties of Ferromagnetic Adsorbents by Pyrolysis of Wood Processing Wastes with Iron Hydroxide (III)]. Lesnoy zhurnal, 1999, no. 2–3, pp. 142–150.

4. Asuha S., Gao Y.W., Deligeer W., Yu M., Suyala B., Zhao S. Adsorptive Removal of Methyl Orange Using Mesoporous Maghemite. J. Porous Mater., 2011, no. 18,
pp. 58–587. doi: 10.1007/s10934-010-9412-2.

5. Dai M, Vogt B.D. High Capacity Magnetic Mesoporous Carbon-Cobalt Composite Adsorbents for Removal of Methylene Green From Aqueous Solutions. J. Of Colloid and Interface Sc., 2012, no. 387, pp. 127–134. doi: 10.1016/j.jcis.20120.06.062.

6. Kim B.C., Lee J., Um W., Kim J., Joo J., Lee J.H., Kwak J.H., Kim J.H., Lee C., Lee H., Addleman R.S., Hyeon T., Gu M.B., Kim J. Magnetic Mesoporous Materials for Removal of Environmental Wastes. J. of Hazardous Materials., 2011, no. 192,
pp. 1140–1147. doi: 10.1016/j.hazmat.2011.06.022.

7. Wang X., Dai S. A Simple Method to Ordered Mesoporous Carbons Containing Nickel Nanoparticles. Adsorption, 2009, no. 15, pp. 138–144. doi: 10.1007/s10450-009-9164-y.

8. Wang T., Liang L., Wang R., Jiang Y., Lin K., Sun J. Magnetic Mesoporous Carbon for Efficient Removal of Organic Pollutants. Adsorption, 2012, vol. 18, no. 5–6,
pp. 439–444. doi: 10.1007/s10450-012-9430-2.

9. Yin Y., Zhou S., Min C., Wu L. Preparation of Rattle-Type Magnetic Mesoporous Carbon Spheres and Their Highly Efficient Adsorption and Separation. J. Colloid and Interface Sc., 2011, no. 361, pp. 527–533. doi: 10.1016/j.jcis.2011.05.014.

10. Yu J.-X., Wang L.-Y., Chi R.-A., Zhang Y.-F., Xu Z.-G., Guo J. A Simple Method to Prepare Magnetic Modified Beer Yeast and Its Application for Cationic Dye Adsorption. Envir Sci Pollut Res., 2013, no. 20, pp. 543–551. doi: 10.1007/s11356-012-0903-3.