Ricerca sulle prestazioni del blue coke modificato nell'adsorbimento del cromo esavalente

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7223 (2023) Citare questo articolo

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Per risolvere il problema della contaminazione da cromo esavalente (Cr(VI)) nei corpi idrici, la polvere di coke blu (LC) è stata modificata chimicamente utilizzando idrossido di potassio per creare il materiale modificato (GLC), che è stato poi utilizzato per trattare un Cr(VI) -contenente soluzione di acque reflue. Sono state studiate le differenze tra le caratteristiche di adsorbimento del blue coke modificato e non modificato per il Cr(VI), ed è stato studiato l'impatto del pH, della concentrazione della soluzione iniziale e del periodo di adsorbimento sulle prestazioni di adsorbimento del GLC. Il comportamento di adsorbimento del GLC è stato analizzato utilizzando modelli di adsorbimento isotermico, modelli cinetici e analisi termodinamica di adsorbimento. Il meccanismo di adsorbimento del Cr(VI) da parte del GLC è stato studiato utilizzando tecniche di caratterizzazione come la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR), il microscopio elettronico a scansione a emissione di campo (FE-SEM), la diffrazione di raggi X (XRD) e il fotoelettrone a raggi X. Spettroscopia (XPS). Con la più grande differenza nel tasso di rimozione a pH = 2, che era 2,42 volte quello della LC, gli esperimenti di adsorbimento batch hanno rivelato che, nelle stesse condizioni di adsorbimento, la GLC ha sempre funzionato meglio della LC. Con un'area superficiale specifica pari a tre volte quella di LC e un diametro medio dei pori pari a 0,67 volte quello di LC, GLC aveva una struttura più porosa di LC. L'alterazione ha aumentato significativamente il numero di idrossili sulla superficie del GLC alterando la composizione strutturale del LC. Il pH ideale per la rimozione del Cr(VI) era 2 e il dosaggio ideale dell'adsorbente GLC era 2,0 g/L. Il modello cinetico di pseudo-secondo ordine (PSO) e il modello Redlich-Peterson (RP) possono descrivere efficacemente il comportamento di adsorbimento del GLC per il Cr(VI). L’adsorbimento fisico e chimico lavorano insieme per rimuovere il Cr(VI) mediante GLC in un processo spontaneo, esotermico e di aumento dell’entropia, con i processi di ossido-riduzione che giocano un ruolo chiave. Il GLC è un potente adsorbente che può essere utilizzato per rimuovere il Cr(VI) dalle soluzioni acquose.

Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo dell’industria, dell’agricoltura e dell’urbanizzazione, le questioni relative alla protezione ambientale hanno suscitato un’ampia preoccupazione pubblica1. Il cromo, un importante materiale industriale, è ampiamente utilizzato in processi quali la fabbricazione della carta, la galvanica, la produzione di tinture, la concia della pelle e la verniciatura2,3. Se grandi quantità di rifiuti contenenti cromo vengono rilasciate nell'ambiente, potrebbe verificarsi un grave inquinamento ambientale. Il cromo esiste in natura principalmente sotto forma di Cr(VI) e Cr(III)4. Il Cr(VI), come Cr2O72− e HCr2O7−, è altamente tossico e mobile, mentre il Cr(III) ha una bassa solubilità in acqua, bassa mobilità al flusso e biorilascio5,6. L'obiettivo principale della gestione dell'inquinamento da cromo è il Cr(VI), che tende ad accumularsi nel corpo umano durante il processo metabolico e può causare una serie di problemi di salute, come irritazione della pelle e cancro ai polmoni7,8. Per risolvere i problemi causati dall'inquinamento da Cr(VI), i ricercatori hanno sviluppato vari metodi per trattare il Cr(VI), tra cui riduzione chimica, adsorbimento, biorisanamento, elettrocoagulazione, ecc.9. Tra questi, l’adsorbimento ha attirato molta attenzione grazie ai suoi vantaggi quali economia, alta efficienza e fattibilità10. I materiali al carbonio come adsorbenti sono stati ampiamente utilizzati per rimuovere i metalli pesanti grazie alla loro elevata area superficiale, all'abbondanza di gruppi funzionali e alla buona stabilità chimica5.

Considerando la sostenibilità e la conservazione, un adsorbente di carbonio economicamente vantaggioso, come i rifiuti industriali accessibili, è una scelta pratica per il trattamento delle acque reflue11. Il blue coke, un tipo di semi-coke prodotto mediante pirolisi di carbone non agglomerante o debolmente agglomerante con un componente altamente volatile a basse temperature12, è il prodotto dell'utilizzo pulito del carbone12. È stato ampiamente utilizzato come riducente per la produzione di ferroleghe e carburo di calcio, come materia prima per gli altiforni e come combustibile pulito per uso sia industriale che pubblico13. Si tratta solitamente di coke granulare con granulometria superiore a 6 mm12. Il semi-coke in polvere è un sottoprodotto della produzione e della lavorazione del blue coke, che viene scartato o venduto a basso costo14. Tuttavia, grazie al suo prezzo basso, all’alto potere calorico e alla capacità di essere utilizzato come combustibile per una cokeria per recuperare energia e rimuovere gli inquinanti resistenti assorbiti, è recentemente diventato un popolare adsorbente15. Il costo di produzione del carbone attivo (AC) può essere ridotto di circa 500 CNY t−1 aggiungendo il 5% di coke blu in polvere nel processo16. Tuttavia, il coke grezzo in polvere non viene spesso utilizzato a causa della sua superficie limitata e del suo carattere di sostanza chimica adsorbente non selettiva e non reattiva17. Essendo un potente adsorbente, deve essere modificato prima dell'uso. Si è scoperto che il coke blu in polvere può avere buone prestazioni di adsorbimento e funzione di carico quando si utilizza una superficie ad apertura multipla e ad ampio rapporto18. Tuttavia, le caratteristiche dell'adsorbato obiettivo potrebbero influenzare il metodo di modifica per la polvere di coke blu19. Fornendo sufficienti gruppi funzionali e un'elevata area superficiale, il Cr(VI) può essere eliminato dalle acque reflue.