Азотнокислотна модифікація викопного вугілля як метод покращення поглинальної здатності вуглецевих адсорбентів

Викопне вугілля різного ступеня метаморфізму (СМ) представляє значну групу прекурсорів для отримання активованого вугілля (АВ) для вилучення екотоксикантів. З огляду на практичну значущість АВ, актуальними є дослідження, спрямовані на вдосконалення методів їхнього синтезу та покращення адсорбційних характеристик. Одним із перспективних підходів є спрямована зміна властивостей АВ шляхом окисної обробки прекурсора, зокрема азотнокислотної модифікації вихідного вугілля. Аналіз літературних даних свідчить, що азотнокислотна обробка кінцевого АВ руйнує його нанопористу структуру, тоді як модифікація безпосередньо вугілля-прекурсора забезпечує протилежний ефект: збільшує питому площу поверхні та підвищує адсорбційну активність. У цій роботі вперше кількісно оцінено вплив низькотемпературної азотнокислотної модифікації викопного вугілля різного СМ на адсорбційні властивості зразків АВ, отриманих шляхом лужної активації за низького вагового співвідношення КОН/вугілля (1 г/г). Досліджено зразки кам’яного вугілля широкого діапазону СМ із вмістом вуглецю Cdaf = 80.0–95.2%. Модифікацію здійснювали розчином HNO3 (50%) при 25±2°C протягом 24 год. Зразки АВ отримували активацією вихідного вугілля з КОН (800°C, 1 год), а зразки АВ(М) – з модифікованого вугілля за аналогічних умов. Визначено вихід продуктів, питому площу поверхні SBET та адсорбційну ємність щодо 4-хлорфенолу (ХФ), метиленового блакитного (МБ) та катіонів Pb(II), які є типовими екотоксикантами. Встановлено, що за уніфікованих умов синтезу та активації саме ступінь метаморфізму вугілля визначає параметри пористості та адсорбційну здатність АВ. Отримано залежності SBET та ємностей зразків АВ з модифікованого вугілля від вмісту вуглецю прекурсору. Ці зразки мають вищу (в 1.13–1.34 рази) поверхню SBET порівняно з АВ з вихідного вугілля. Модифікація сприяє зростанню адсорбційної ємності за ХФ (в 1.14–2.54 рази), МБ (до 1.60 раза) та Pb(II) (в 1.34–1.76 рази). Найвищі показники ємності продемонструвало АВ на основі модифікованого довгополуменевого вугілля: 4.43 ммоль/г (ХФ), 0.81 ммоль/г (МБ) та 1.02 ммоль/г (Pb). Розраховано питомі адсорбційні ємності, які є пропорційними поверхневій концентрації адсорбційних центрів. У зразків АВ(М) цей параметр для ХФ змінюється екстремально з максимумом для вугілля середнього СМ. Питома ємність за МБ та Pb(II) залишається майже незмінною в інтервалі Cdaf = 80–88% і стрімко знижується у антрацитових АВ. На основі порівняння отриманих результатів із літературними даними зроблено висновок, що зразки АВ із модифікованого низькометаморфізованого вугілля є високоефективними адсорбентами для вилучення органічних екотоксикантів та важких металів з водних середовищ.