Моделирование сорбционных равновесий: современное состояние и перспективы развития моделей сорбции на неоднородных сорбентах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Адсорбция долгие годы остается одним из наиболее универсальных и экономически рентабельных подходов к очистке вод различного состава и извлечению ценных компонентов из технологических растворов. Помимо аффинности, селективности и высокой сорбционной емкости большое значение имеют кинетические характеристики сорбентов, поскольку они определяют производительность как промышленных сорбционных колонн, так и малогабаритных точечных фильтров, работающих при высоких скоростях потока. В данном обзоре обсуждается современное состояние методов моделирования динамики сорбции и новый подход к анализу сорбционных равновесий с использованием разработанной в ИХ ДВО РАН модели распределения констант скоростей (РКС) сорбции/десорбции на неоднородных сорбентах для предиктивного моделирования выходных кривых сорбции на основании кинетических параметров сорбционных центров (функций РКС), рассчитанных из экспериментальных данных, полученных в статических условиях. На примере супермакропористых сорбентов на основе полиэтиленимина показано, как модель РКС и ее варианты, учитывающие диффузионные ограничения и присутствие в растворе комплексообразователей, может применяться для оптимизации условий извлечения ионов металлов и их разделения за счет разной скорости сорбции в динамических условиях.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. П. Голиков

Институт химии ДВО РАН

Email: glk@ich.dvo.ru
ORCID iD: 0000-0002-5306-2542

кандидат химических наук, старший научный сотрудник

Россия, Владивосток

И. А. Малахова

Институт химии ДВО РАН

Email: newira94@gmail.com

кандидат химических наук, младший научный сотрудник

Россия, Владивосток

С. Ю. Братская

Институт химии ДВО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: sbratska@ich.dvo.ru
ORCID iD: 0000-0003-4954-0422

доктор химических наук, главный научный сотрудник

Россия, Владивосток

Список литературы

  1. Nandanwar S.U., Coldsnow K., Utgikar V., Sabharwall P., Eric Aston D. Capture of harmful radioactive contaminants from off-gas stream using porous solid sorbents for clean Environmen: A review // Chem. Eng. J. 2016. Vol. 306. P. 369–381. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.07.073.
  2. Tofik A.S., Taddesse A.M., Tesfahun K.T., Girma G.G. Fe–Al binary oxide nanosorbent: Synthesis, characterization and phosphate sorption property // J. Environ. Chem. Eng. 2016. Vol. 4. P. 2458–2468. https://doi.org/10.1016/j.jece.2016.04.023.
  3. Bagheri H., Asgharinezhad A.A., Ebrahimzadeh H. Determination of trace amounts of Cd(II), Cu(II), and Ni(II) in food samples using a novel functionalized magnetic Nanosorbent // Food Anal. Methods. 2016. Vol. 9. P. 876–888. https://doi.org/10.1007/s12161-015-0264-x.
  4. Crini G., Badot P.M. Application of chitosan, a natural aminopolysaccharide, for dye removal from aqueous solutions by adsorption processes using batch studies: A review of recent literature // Prog. Polym. Sci. 2008. Vol. 33. P. 399–447. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2007.11.001.
  5. Tan K.L., Hameed B.H. Insight into the adsorption kinetics models for the removal of contaminants from aqueous solutions // J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2017. Vol. 74. P. 25–48. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2017.01.024.
  6. Alberti G., Amendola V., Pesavento M., Biesuz R. Beyond the synthesis of novel solid phases: Review on modelling of sorption phenomena // Coord. Chem. Rev. 2012. Vol. 256. P. 28–45. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2011.08.022.
  7. Ma A., Abushaikha A., Allen S.J., McKay G. Ion exchange homogeneous surface diffusion modelling by binary site resin for the removal of nickel ions from wastewater in fixed beds // Chem. Eng. J. 2019. Vol. 358. 135. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.09.135.
  8. Dadwhal M., Ostwal M.M., Liu P.K.T., Sahimi M., Tsotsis T.T. Adsorption of arsenic on conditioned layered double hydroxides: Column experiments and modeling // Ind. Eng. Chem. Res. 2009. Vol. 48. P. 2076–2084. https://doi.org/10.1021/ie800878n.
  9. Sperlich A., Schimmelpfennig S., Baumgarten B., Genz A., Amy G., Worch E., Jekel M. Predicting anion breakthrough in granular ferric hydroxide (GFH) adsorption filters // Water Res. 2008. Vol. 42. P. 2073–2082. https://doi.org/10.1016/j.watres.2007.12.019.
  10. Chu K.H. Fixed bed sorption: Setting the record straight on the Bohart–Adams and Thomas models // J. Hazard. Mater. 2010. Vol. 177. P. 1006–1012. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.01.019.
  11. Lagergren S. Zur Theorie der sogenannten Adsorption Geloster Stoffe // K. Sven. vetensk. akad. handl.1898. Vol. 24. P. 1–39.
  12. Хамизов Р.Х. О кинетическом уравнении псевдовторого порядка в сорбционных процессах // Журнал физической химии. 2020. Т. 94. С. 125–130. https://doi.org/10.31857/s0044453720010148.
  13. Douven S., Paez C.A., Gommes C.J. The range of validity of sorption kinetic models // J. Colloid Interface Sci. 2015. Vol. 448. P. 437–450. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2015.02.053.
  14. Malash G.F., El-Khaiary M.I. Piecewise linear regression: A statistical method for the analysis of experimental adsorption Data by the intraparticle-diffusion models // Chem. Eng. J. 2010. Vol. 163. P. 256–263. https://doi.org/10.1016/j.cej.2010.07.059.
  15. Hu Q., Xie Y., Feng C., Zhang Z. Fractal-like kinetics of adsorption on heterogeneous surfaces in the fixed-bed column // Chem. Eng. J. 2019. Vol. 358. P. 1471–1478. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.10.165.
  16. Hu Q., Xie Y., Feng C., Zhang Z. Prediction of breakthrough behaviors using logistic, hyperbolic tangent and double exponential models in the fixed-bed column // Sep. Purif. Technol. 2019. Vol. 212. P. 572–579. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.11.071.
  17. Chu K.H. Breakthrough curve analysis by simplistic models of fixed bed adsorption: In defense of the century-old Bohart–Adams model // Chem. Eng. J. 2020. Vol. 380. 122513. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122513.
  18. Długosz O., Banach M. Sorption of Ag+ and Cu2+ by vermiculite in a fixed-bed column: Design, process optimization and dynamics investigations // Appl. Sci. 2018. Vol. 8. 2221. https://doi.org/10.3390/app8112221.
  19. Figaro S., Avril J.P., Brouers F., Ouensanga A., Gaspard S. Adsorption studies of molasse’s wastewaters on activated carbon: Modelling with a new fractal kinetic equation and evaluation of kinetic models // J. Hazard. Mater. 2009. Vol. 161. P. 649–656. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.04.006.
  20. Park H.-J., Tavlarides L.L. Adsorption of chromium(VI) from aqueous solutions using an imidazole functionalized adsorbent // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. Vol. 47. P. 3401–3409. https://doi.org/10.1021/ie7017096.
  21. Marczewski A.W., Deryło-Marczewska A., Słota A. Adsorption and desorption kinetics of benzene derivatives on mesoporous carbons // Adsorption. 2013. Vol. 19. P. 391–406. https://doi.org/10.1007/s10450-012-9462-7.
  22. Bohart G.S., Adams E.Q. Some aspects of the behavior of charcoal with respect to chlorine // J. Franklin Inst. 1920. Vol. 189. P. 669. https://doi.org/10.1016/s0016-0032(20)90400-3.
  23. Azizian S. A novel and simple method for finding the heterogeneity of adsorbents on the basis of adsorption kinetic data // J. Colloid Interface Sci. 2006. Vol. 302. P. 76–81. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2006.06.034.
  24. Kuan W.H., Lo S.L., Chang C.M., Wang M.K. A geometric approach to determine adsorption and desorption kinetic constants // Chemosphere. 2000. Vol. 41. P. 1741–1747. https://doi.org/10.1016/S0045-6535(00)00054-0.
  25. Novak L.T., Adriano D.C. Phosphorus movement in soils: 1. Soil-orthophosphate reaction kinetics // J. Environ. Qual. 1975. Vol. 4. P. 261. https://doi.org/10.2134/jeq1975.00472425000400020028x.
  26. Liu Y., Shen L. From Langmuir kinetics to first- and second-order rate equations for adsorption // Langmuir. 2008. Vol. 24. P. 11625–11630. https://doi.org/10.1021/la801839b.
  27. Zhang J. Physical insights into kinetic models of adsorption // Sep. Purif. Technol. 2019. Vol. 229. 115832. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.115832.
  28. Salvestrini S. Analysis of the Langmuir rate equation in its differential and integrated form for adsorption processes and a comparison with the pseudo first and pseudo second order models // React. Kinet. Mech. Catal. 2018. Vol. 123. P. 455–472. https://doi.org/10.1007/s11144-017-1295-7.
  29. Svitel J., Balbo A., Mariuzza R.A., Gonzales N.R., Schuck P. Combined affinity and rate constant distributions of ligand populations from experimental surface binding kinetics and equilibria // Biophys. J. 2003. Vol. 84. P. 4062–4077. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(03)75132-7.
  30. Kirchner G., Baumgartner D. Migration rates of radionuclides deposited after the Chernobyl Accident in various North German soils // Analyst. 1992. Vol. 117. P. 475. https://doi.org/10.1039/an9921700475.
  31. Garnier J.-M., Ciffroy P., Benyahya L. Implications of short and long term (30 days) sorption on the desorption kinetic of trace metals (Cd, Zn, Co, Mn, Fe, Ag, Cs) associated with river suspended matter // Sci. Total Environ. 2006. Vol. 366. P. 350–360. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2005.07.015.
  32. Choi H., Al-Abed S.R. PCB congener sorption to carbonaceous sediment components: Macroscopic comparison and characterization of sorption kinetics and mechanism // J. Hazard. Mater. 2009. Vol. 165. P. 860–866. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.10.100.
  33. Monazam E.R., Shadle L.J., Miller D.C., Pennline H.W., Fauth D.J., Hoffman J.S., Gray M.L. Equilibrium and kinetics analysis of carbon dioxide capture using immobilized amine on a mesoporous silica // AIChE J. 2013. Vol. 59. P. 923–935. https://doi.org/10.1002/aic.13870.
  34. Warrinnier R., Goossens T., Braun S., Gustafsson J.P., Smolders E. Modelling heterogeneous phosphate sorption kinetics on iron oxyhydroxides and soil with a continuous distribution approach // Eur. J. Soil Sci. 2018. Vol. 69. P. 475–487. https://doi.org/10.1111/ejss.12549.
  35. Scott K.F. Extraction of rate constant distributions from heterogeneous chemical kinetics // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1. Phys. Chem. Condens. Phases. 1980. Vol. 76. P. 2065–2079. https://doi.org/10.1039/F19807602065.
  36. Rudzinski W., Panczyk T. The Langmuirian adsorption kinetics revised: A farewell to the XXth century theories? // Adsorption. 2002. Vol. 8. P. 23–34. https://doi.org/10.1023/A:1015214406179.
  37. Rietsch E. On an Alleged Breakdown of the Maximum-Entropy Principle. // Maximum-Entropy and Bayesian Methods in Inverse Problems. Dordrecht: Springer Netherlands, 1985. P. 67–82.
  38. Phillips D.L.L.D. A technique for the numerical solution of certain integral equations of the first kind // J. ACM. 1962. Vol. 9. P. 84–97. https://doi.org/10.1145/321105.321114.
  39. Golikov A., Malakhova I., Azarova Y., Eliseikina M., Privar Y., Bratskaya S. Extended Rate Constant Distribution model for sorption in heterogeneous systems. 1. Application to kinetics of metal ion sorption on polyethyleneimine cryogels // Ind. Eng. Chem. Res. 2020. Vol. 59. P. 1123–1134. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b06000.
  40. Malakhova I., Golikov A., Azarova Y., Bratskaya S. Extended Rate Constants Distribution (RCD) model for sorption in heterogeneous systems. 2. Importance of diffusion limitations for sorption kinetics on cryogels in batch // Gels. 2020. Vol. 6. 15. https://doi.org/10.3390/gels6020015.
  41. Golikov A., Malakhova I., Privar Y., Parotkina Y., Bratskaya S. Extended Rate Constant Distribution model for sorption in heterogeneous systems. 3. From batch to fixed-bed application and predictive modeling // Ind. Eng. Chem. Res. 2020. Vol. 59. P. 19415–19425. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.0c03516.
  42. Golikov A., Privar Y., Balatskiy D., Polyakova N., Bratskaya S. Extended Rate Constants Distribution (RCD) model for sorption in heterogeneous systems. 4. Kinetics of metal ions sorption in the presence of complexing agents – application to Cu(II) sorption on polyethyleneimine cryogel from acetate and tartrate solutions // Int. J. Mol. Sci. 2023. Vol. 24. 12385. https://doi.org/10.3390/ijms241512385.
  43. Malakhova I., Privar Y., Azarova Y., Eliseikina M., Golikov A., Skatova A., Bratskaya S. Supermacroporous monoliths based on polyethyleneimine: Fabrication and sorption Properties under static and dynamic conditions // J. Environ. Chem. Eng. 2020. Vol. 8. 104395. https://doi.org/10.1016/J.JECE.2020.104395.
  44. Малахова И.А. Широкопористые монолитные материалы на основе полиэтиленимина: дис. … канд. хим. наук. Владивосток, 2022.
  45. Lozinsky V.I., Galaev I.Y., Plieva F.M., Savina I.N., Jungvid H., Mattiasson B. Polymeric cryogels as promising materials of biotechnological Interest // Trends Biotechnol. 2003. Vol. 21. P. 445–451. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2003.08.002.
  46. Baimenov A., Berillo D.A., Poulopoulos S.G., Inglezakis V.J. A review of cryogels synthesis, characterization and applications on the removal of heavy metals from aqueous solutions // Adv. Colloid Interface Sci. 2020. Vol. 276. 102088. https://doi.org/10.1016/j.cis.2019.102088.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Кинетические кривые сорбции ионов Ni(II) на гранулах ПЭИ при отношении сорбент : раствор 1:1000 (4), 1:1500 (3), 1:2000 (2), 1:4000 (1): точки – экспериментальные данные; линии – модель РКС (а). Схема распределения сорбционных центров по скорости сорбции и аффинности и изолинии распределения Ni(II) по сорбционным центрам ПЭИ в конечной точке кинетической кривой при соотношении сорбент : раствор 1:4000 (б). Распределения сорбционных центров ПЭИ в пространстве логарифмов констант скоростей сорбции (Ks) и десорбции (Kd) (в) и логарифмов констант аффинности (KAFF) (г)

Скачать (176KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Выходные кривые сорбции ионов Cu(II) на ПЭИ, концентрация адсорбата – 100 мг/л, диаметр колонки – 0,48 см, высота - 6 см: точки – экспериментальные данные, сплошные линии – модель РКС (а). Распределения сорбционных центров ПЭИ по константам аффинности по отношению к ионам Cu(II) (б)

Скачать (87KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Кинетические кривые сорбции ионов Cu(II) на гранулах ПЭИ при отношении сорбент : раствор 1:1000 (4), 1:1500 (3), 1:2000 (2), 1:4000 (1): точки – экспериментальные данные; пунктирные линии - модель РКС, сплошные линии - модель РКС-Д (а). Модельные кинетические кривые сорбции ионов Cu(II), полученные с применением модели РКС и РКС-функции для гранул (1) и мелкой фракции (2) и модели РКС-Д и РКС-функции для мелкой фракции ПЭИ (3); параметры для моделирования (масса сорбента, объем колонки, концентрация адсорбата) соответствуют условиям сорбции в динамике на рис. 2, а (б)

Скачать (74KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Выходные кривые сорбции ионов Сu(II) (a) и Cd(II) (б) на монолитном криогеле ПЭИ: точки – экспериментальные данные, линии – модельные кривые, рассчитанные в рамках модели РКС. Условия сорбции (концентрация адсорбата и скорость потока): а – 1,56 мM, 41 к.о./ч (1); 3,15 мM, 17 к.о./ч (2); 6,25 мM, 17 к.о./ч (3); б – 0,45 мM, 8 к.о./ч (1); 0,90 мM, 17 к.о./ч (2); 0,90 мM, 41 к.о./ч (3). Распределения сорбционных центров криогеля ПЭИ по константам скоростей сорбции для ионов Cu(II) и Cd(II), рассчитанные с использованием функции РКС-Д, полученной из кинетических кривых сорбции в статических условиях (в)

Скачать (130KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024