Conversion of Alexandriya Brown Coal Into Microporous Carbons Under Alkali Activation

We studied the pore structure of activated carbons (ACs) formed during the thermolysis of Aleksandriya brown coal (Ukraine), which was preliminary impregnated with alkali metal hydroxides, МОН with M being Li, Na, or K. We explored how pore structure parameters such as surface area, a total pore volume, meso- and micropore volume are modified with changing processing parameters such as temperature, an alkali/coal ratio (up to 2 g/g) and the nature of alkali cation. We also determined pore size distribution for meso- and micropores and compared all the three hydroxides as to their effect on porosity development. The formation of microporous structure is evidenced on heating a KOH-impregnated coal (1 g/g) from 400 to 800 0С: a surface area rises from 13 to 1005 m2/g, while a micropore volume fraction increases from 1 to 68 % of the total pore volume. Microporous carbon is formed at 800 0C over 1 hin a yield of 30 %with SBET=1005 m2/g, a total pore volume of 0.55 cc/g and a micropore volume of 0.38 cc/g. The total pore volume grows monotonously in the range LiОН<NaОН<KОН. Potassium hydroxide is found to promote microporosity development, whereas both LiOH and NaOH (at 18 mmol/g) act as inhibitors for micropore growth.Была изучена пористая структура активированного угля (АУ), полученного термолизом бурого угля Александрийского месторождения (Украина), предварительно импрегнированного гидроксидом щелочного металла, МОН, где M = Li, Na, K. Было изучено, как меняются удельная поверхность, суммарный объем пор, объемы мезо- и микропор с изменением параметров процесса, таких как температура, соотношение щелочь/уголь (до 2 г/г) и природа катиона. Также было установлено распределение мезо- и микропор по размерам и влияние разных щелочей на развитие пористости. Очевидно, что микропористая система развивается при нагревании (от 400 оС до 800 оС) угля, импрегнированного КОН: удельная поверхность возрастает от 13 до 1005 м2/г, тогда как доля микропор увеличивается с 1 до 68 % общего объема пор. Микропористый материал формируется при 800 оС за 1 ч с выходом 30 %, удельной поверхностью 1005 м2/г, общим объемом пор 0,55 см3/г и объемом микропор 0,38 см3/г. Суммарный объем пор растет монотонно в ряду LiОН<NaОН<KОН

Interaction of Hydrogen Peroxide with Nanoporous Material Prepared by Alkaline Activation of the Brown Coal

The work analyzes applications of carbon adsorbents in catalytic wet peroxide oxidation (CWPO) being a variant of Advanced Oxidation Processes (AOPs). Under CWPO condition (concentration [Н2О2] ≤ 30 %, 20±2 °C) we have studied the activity of nanoporous adsorbent АC-К prepared by КОН-activation (800 °C, 1 h) of brown coal. We have compared АC-К with solid product of thermolysis (SPT) of brown coal formed under the same conditions without КОН. АC-К, which has a high adsorbtion activity, catalyzes decomposition of Н2О2 to form ОН-radicals. This allows to combine two environmentally important processes: concentration of organic pollutants on the surface of adsorbent and their further decomposition by ОН-radicals. Decomposition of Н2О2 in presence of АC-К or SPT is described by kinetic first-order equation and runs 20-30 times faster in contact with АC-К. Rate constants vary within the range of 0.053-0.28 min-1 (АC-К) and 0.002-0.012 min-1 (SPT) and grow under [Н2О2] increasing. Oxidative modification of АC-К and SPT surfaces under CWPO conditions has been studied. The dependence between content of ОН groups in modified АC-К (24 h) samples and [Н2О2] is described as a curve with a maximum at [Н2О2] = 10 %, where the maximum modifying effect and the highest increse in ОН-groups content (from 1.00 to 1.55 mmole/g) are observed. Modification level is negligible; only 1 % of oxidant reacts to form functional groups.Рассмотрены применения углеродных адсорбентов в catalytic wet peroxide oxidation (CWPO) как варианте Advanced Oxidation Processes (AOPs). В условиях CWPO (концентрация [Н2О2] ≤ 30 %, 20±2 °C) изучено поведение нанопористого адсорбента АУ-К, полученного КОН-активацией (800 °C, 1 ч) бурого угля. Проведено сравнение АУ-К с твердым продуктом термолиза (ТПТ) бурого угля, полученного в тех же условиях без КОН. АУ-К, обладающий высокой адсорбционной активностью, является катализатором разложения Н2О2 с образованием ОН-радикалов, что даёт возможность объединить два экологически значимых процесса: концентрирование органических экотоксикантов на поверхности адсорбента и их последующее расщепление ОН- радикалами. Разложение Н2О2 в присутствии АУ-К и ТПТ описывается уравнением кинетики I-го порядка и в контакте с АУ-К протекает в 20-30 раз быстрее. Константы скорости варьируются в интервалах 0,053-0,28 мин-1 (АУ-К) и 0,002-0,012 мин-1 (ТПТ) и с увеличением [Н2О2] возрастают. В условиях CWPO изучена окислительная модификация поверхности АУ-К и ТПТ. Зависимость содержания ОН-кислотных групп модифицированных образцов АУ-К (24 ч) от [Н2О2] передается кривой с максимумом при [Н2О2] = 10 %, где наблюдается максимальный модифицирующий эффект и наибольший прирост содержания ОН-групп (с 1,00 до 1,55 ммоль/г). Уровень модификации мал; не более 1 % окислителя идет на образование функциональных групп

Adsorption of Lead Ions by Nanoporous Materials, Prepared by Brown Coal Alkali Activation

Исследована адсорбция ионов свинца нанопористыми материалами (НПМ), полученными щелочной активацией бурого угля при варьировании температуры активации (100 - 800 оС) и весового соотношения КОН/уголь от 0 до 2 г/г. Кинетика адсорбции подчиняется уравнению первого порядка (k = 0,04 - 0,06 мин-1). Изотерма адсорбции ионов Pb2+ (в области концентраций 0,001-0,1 М Pb(AcO)2) относится к изотермам типа I по классификации IUPAC и описывается уравнением адсорбции Фрейндлиха АPb=7,60∙Ср 0,886 (R2=0,993). Покрытие поверхности адсорбента гидратированными катионами Pb2+ (диаметр 0,802 нм) составляет 7 % для начальной концентрации 0,01 М. Высказано предположение, что доминирующим процессом взаимодействия Pb2+ и НПМ является физическая адсорбция, одним из вариантов которой может быть взаимодействие катионов с π-системой полиареновых фрагментов НПМ.It was studied the lead ions adsorption by nanoporous materials (NPM) prepared by brown coal alkali activation varying activation temperature (100 - 800 оС) and coal/alkali weight ratio up to 2 g/g. Adsorption kinetics is described by first order equation (k = 0,04 - 0,06 min-1). Isotherm of Pb2+ions adsorption (in the range of 0,001-0,1 М Pb(AcO)2 concentration) is of Ist type according to IUPAC classification and is described by Freundlich adsorption equation АPb=7,60∙Ср 0,886 (R2=0,993). Adsorbent surface covering (0,802 нм) by hydrated Pb2+ cations is equal 7 % for initial concentration 0,01 M. Physical adsorption, in particular interaction of cation with π-system of polyarene fragments, is supposed to be dominating process in Pb2+ and NPM interaction

Phenol Adsorption on Active Carbons Prepared under Thermolysis of Brown Coal with Potassium Hydroxide

Изучена адсорбция фенола активированными углями, полученными термолизом бурого угля (800 оС, 1 ч) в присутствии гидроксида калия при весовом соотношении КОН/уголь до 2 г/г. Получены изотермы адсорбции фенола для области начальных концентраций 0,01-3 мг/см3. Данные по адсорбции фенола сопоставлены с адсорбционной активностью образцов по отношению к метиленовому голубому и характеристиками пористой системы: величиной удельной поверхности, общим объемом пор и объемом микропор.It was studied phenol adsorption on activated carbons prepared under thermolysis (800ºC, 1h) of brown coal with potassium hydroxide at KOH/coal weight ratio up to 2 g/g. Phenol adsorption isotherms were obtained within the range of 0.01-3 mg/cm3 initial concentrations. Phenol adsorption data were compared with adsorption activity of carbons with respect to methylene blue and pore system characteristics: specific surface area, total pore volume, and micropore volume

Influence of Chemical Activation Temperature on Forming Pore Structure of Adsorbents from Brown Coal

Исследовано влияние температуры химической активации (400-800 ºС) на характеристики пористой структуры адсорбентов, полученных из александрийского бурого угля, импрегнированного гидроксидом калия при весовом соотношении КОН/уголь 1 г/г. Характеристики рассчитаны на основании изотерм низкотемпературной (77 К) адсорбции-десорбции азота. Получены температурные зависимости величин удельной поверхности, суммарного объема пор, объемов мезо- и микропор, а также пор диаметром до 1 нм. Установлено, что КОН промотирует развитие поверхности (до 1000 м2/г и выше) и формирование пористой системы во всем температурном интервале. В области 400-600 ºС микро- и мезопоры формируются только за счет реакций угля со щелочью. При температурах 700-800 ºС наблюдается преобладающее образование микропор за счет подавления формирования мезопор. Максимальный объем пор диаметром до 1 нм (0,49 см3/г) достигается при 800 ºС и составляет 84 общего объема пор.It was studied an influence of chemical activation temperature (400-800 ºС) on pore structure characteristics of adsorbents prepared from Alexandria brown coal impregnated by potassium hydroxide under the 1 g/g KOH/coal weight ratio. Characteristics were calculated on low temperature (77 K) nitrogen adsorption-desorption isotherms. Temperature dependences of specific surface area, total pore volume, meso- and micropores volumes as well as 1 nm diameter pore volume were obtained. KOH was stated to promote surface area development (up to 1000 m2/g and above) and to form pore structure within the whole temperature range. Within 400-600 ºС range, micro- and mesopores are formed due to coal-alkali reactions only. At 700-800 ºС temperatures, dominant formation of micropores due to suppression of mesopores formation are observed. The maximum 1 nm diameter pore volume (0.49 cm3/g) is reached 84 total pore volume at 800 ºС

Influence of Chemical Activation Temperature on Forming Pore Structure of Adsorbents from Brown Coal

Исследовано влияние температуры химической активации (400-800 ºС) на характеристики пористой структуры адсорбентов, полученных из александрийского бурого угля, импрегнированного гидроксидом калия при весовом соотношении КОН/уголь 1 г/г. Характеристики рассчитаны на основании изотерм низкотемпературной (77 К) адсорбции-десорбции азота. Получены температурные зависимости величин удельной поверхности, суммарного объема пор, объемов мезо- и микропор, а также пор диаметром до 1 нм. Установлено, что КОН промотирует развитие поверхности (до 1000 м2/г и выше) и формирование пористой системы во всем температурном интервале. В области 400-600 ºС микро- и мезопоры формируются только за счет реакций угля со щелочью. При температурах 700-800 ºС наблюдается преобладающее образование микропор за счет подавления формирования мезопор. Максимальный объем пор диаметром до 1 нм (0,49 см3/г) достигается при 800 ºС и составляет 84 общего объема пор.It was studied an influence of chemical activation temperature (400-800 ºС) on pore structure characteristics of adsorbents prepared from Alexandria brown coal impregnated by potassium hydroxide under the 1 g/g KOH/coal weight ratio. Characteristics were calculated on low temperature (77 K) nitrogen adsorption-desorption isotherms. Temperature dependences of specific surface area, total pore volume, meso- and micropores volumes as well as 1 nm diameter pore volume were obtained. KOH was stated to promote surface area development (up to 1000 m2/g and above) and to form pore structure within the whole temperature range. Within 400-600 ºС range, micro- and mesopores are formed due to coal-alkali reactions only. At 700-800 ºС temperatures, dominant formation of micropores due to suppression of mesopores formation are observed. The maximum 1 nm diameter pore volume (0.49 cm3/g) is reached 84 total pore volume at 800 ºС

Conversion of Alexandriya Brown Coal Into Microporous Carbons Under Alkali Activation

We studied the pore structure of activated carbons (ACs) formed during the thermolysis of Aleksandriya brown coal (Ukraine), which was preliminary impregnated with alkali metal hydroxides, МОН with M being Li, Na, or K. We explored how pore structure parameters such as surface area, a total pore volume, meso- and micropore volume are modified with changing processing parameters such as temperature, an alkali/coal ratio (up to 2 g/g) and the nature of alkali cation. We also determined pore size distribution for meso- and micropores and compared all the three hydroxides as to their effect on porosity development. The formation of microporous structure is evidenced on heating a KOH-impregnated coal (1 g/g) from 400 to 800 0С: a surface area rises from 13 to 1005 m2/g, while a micropore volume fraction increases from 1 to 68 % of the total pore volume. Microporous carbon is formed at 800 0C over 1 hin a yield of 30 %with SBET=1005 m2/g, a total pore volume of 0.55 cc/g and a micropore volume of 0.38 cc/g. The total pore volume grows monotonously in the range LiОН<NaОН<KОН. Potassium hydroxide is found to promote microporosity development, whereas both LiOH and NaOH (at 18 mmol/g) act as inhibitors for micropore growth.Была изучена пористая структура активированного угля (АУ), полученного термолизом бурого угля Александрийского месторождения (Украина), предварительно импрегнированного гидроксидом щелочного металла, МОН, где M = Li, Na, K. Было изучено, как меняются удельная поверхность, суммарный объем пор, объемы мезо- и микропор с изменением параметров процесса, таких как температура, соотношение щелочь/уголь (до 2 г/г) и природа катиона. Также было установлено распределение мезо- и микропор по размерам и влияние разных щелочей на развитие пористости. Очевидно, что микропористая система развивается при нагревании (от 400 оС до 800 оС) угля, импрегнированного КОН: удельная поверхность возрастает от 13 до 1005 м2/г, тогда как доля микропор увеличивается с 1 до 68 % общего объема пор. Микропористый материал формируется при 800 оС за 1 ч с выходом 30 %, удельной поверхностью 1005 м2/г, общим объемом пор 0,55 см3/г и объемом микропор 0,38 см3/г. Суммарный объем пор растет монотонно в ряду LiОН<NaОН<KОН

Phenol Adsorption on Active Carbons Prepared under Thermolysis of Brown Coal with Potassium Hydroxide

Изучена адсорбция фенола активированными углями, полученными термолизом бурого угля (800 оС, 1 ч) в присутствии гидроксида калия при весовом соотношении КОН/уголь до 2 г/г. Получены изотермы адсорбции фенола для области начальных концентраций 0,01-3 мг/см3. Данные по адсорбции фенола сопоставлены с адсорбционной активностью образцов по отношению к метиленовому голубому и характеристиками пористой системы: величиной удельной поверхности, общим объемом пор и объемом микропор.It was studied phenol adsorption on activated carbons prepared under thermolysis (800ºC, 1h) of brown coal with potassium hydroxide at KOH/coal weight ratio up to 2 g/g. Phenol adsorption isotherms were obtained within the range of 0.01-3 mg/cm3 initial concentrations. Phenol adsorption data were compared with adsorption activity of carbons with respect to methylene blue and pore system characteristics: specific surface area, total pore volume, and micropore volume

Adsorption of Lead Ions by Nanoporous Materials, Prepared by Brown Coal Alkali Activation

Исследована адсорбция ионов свинца нанопористыми материалами (НПМ), полученными щелочной активацией бурого угля при варьировании температуры активации (100 - 800 оС) и весового соотношения КОН/уголь от 0 до 2 г/г. Кинетика адсорбции подчиняется уравнению первого порядка (k = 0,04 - 0,06 мин-1). Изотерма адсорбции ионов Pb2+ (в области концентраций 0,001-0,1 М Pb(AcO)2) относится к изотермам типа I по классификации IUPAC и описывается уравнением адсорбции Фрейндлиха АPb=7,60∙Ср 0,886 (R2=0,993). Покрытие поверхности адсорбента гидратированными катионами Pb2+ (диаметр 0,802 нм) составляет 7 % для начальной концентрации 0,01 М. Высказано предположение, что доминирующим процессом взаимодействия Pb2+ и НПМ является физическая адсорбция, одним из вариантов которой может быть взаимодействие катионов с π-системой полиареновых фрагментов НПМ.It was studied the lead ions adsorption by nanoporous materials (NPM) prepared by brown coal alkali activation varying activation temperature (100 - 800 оС) and coal/alkali weight ratio up to 2 g/g. Adsorption kinetics is described by first order equation (k = 0,04 - 0,06 min-1). Isotherm of Pb2+ions adsorption (in the range of 0,001-0,1 М Pb(AcO)2 concentration) is of Ist type according to IUPAC classification and is described by Freundlich adsorption equation АPb=7,60∙Ср 0,886 (R2=0,993). Adsorbent surface covering (0,802 нм) by hydrated Pb2+ cations is equal 7 % for initial concentration 0,01 M. Physical adsorption, in particular interaction of cation with π-system of polyarene fragments, is supposed to be dominating process in Pb2+ and NPM interaction

Interaction of Hydrogen Peroxide with Nanoporous Material Prepared by Alkaline Activation of the Brown Coal

The work analyzes applications of carbon adsorbents in catalytic wet peroxide oxidation (CWPO) being a variant of Advanced Oxidation Processes (AOPs). Under CWPO condition (concentration [Н2О2] ≤ 30 %, 20±2 °C) we have studied the activity of nanoporous adsorbent АC-К prepared by КОН-activation (800 °C, 1 h) of brown coal. We have compared АC-К with solid product of thermolysis (SPT) of brown coal formed under the same conditions without КОН. АC-К, which has a high adsorbtion activity, catalyzes decomposition of Н2О2 to form ОН-radicals. This allows to combine two environmentally important processes: concentration of organic pollutants on the surface of adsorbent and their further decomposition by ОН-radicals. Decomposition of Н2О2 in presence of АC-К or SPT is described by kinetic first-order equation and runs 20-30 times faster in contact with АC-К. Rate constants vary within the range of 0.053-0.28 min-1 (АC-К) and 0.002-0.012 min-1 (SPT) and grow under [Н2О2] increasing. Oxidative modification of АC-К and SPT surfaces under CWPO conditions has been studied. The dependence between content of ОН groups in modified АC-К (24 h) samples and [Н2О2] is described as a curve with a maximum at [Н2О2] = 10 %, where the maximum modifying effect and the highest increse in ОН-groups content (from 1.00 to 1.55 mmole/g) are observed. Modification level is negligible; only 1 % of oxidant reacts to form functional groups.Рассмотрены применения углеродных адсорбентов в catalytic wet peroxide oxidation (CWPO) как варианте Advanced Oxidation Processes (AOPs). В условиях CWPO (концентрация [Н2О2] ≤ 30 %, 20±2 °C) изучено поведение нанопористого адсорбента АУ-К, полученного КОН-активацией (800 °C, 1 ч) бурого угля. Проведено сравнение АУ-К с твердым продуктом термолиза (ТПТ) бурого угля, полученного в тех же условиях без КОН. АУ-К, обладающий высокой адсорбционной активностью, является катализатором разложения Н2О2 с образованием ОН-радикалов, что даёт возможность объединить два экологически значимых процесса: концентрирование органических экотоксикантов на поверхности адсорбента и их последующее расщепление ОН- радикалами. Разложение Н2О2 в присутствии АУ-К и ТПТ описывается уравнением кинетики I-го порядка и в контакте с АУ-К протекает в 20-30 раз быстрее. Константы скорости варьируются в интервалах 0,053-0,28 мин-1 (АУ-К) и 0,002-0,012 мин-1 (ТПТ) и с увеличением [Н2О2] возрастают. В условиях CWPO изучена окислительная модификация поверхности АУ-К и ТПТ. Зависимость содержания ОН-кислотных групп модифицированных образцов АУ-К (24 ч) от [Н2О2] передается кривой с максимумом при [Н2О2] = 10 %, где наблюдается максимальный модифицирующий эффект и наибольший прирост содержания ОН-групп (с 1,00 до 1,55 ммоль/г). Уровень модификации мал; не более 1 % окислителя идет на образование функциональных групп