Примена угљеничних криогелова допираних азотом и сумпором за уклањање тешких метала и фармацеутика у процесу пречишћавања вода

Abstract

У овој докторској дисертацији синтетисани су N-допирани и N, S кодопирани угљенични криогелови и испитана је њихова примена као адсорбената у процесу уклањања одабраних тешких метала (Zn, Cd, Hg) и фармацеутика (карбамазепин, напроксен, диазепам и диклофенак) из водених раствора. Резултати структурне и површинске анализе су показали да је: уградњом азота/азота-сумпора сачувана турбостратична структура угљеничног криогела, дошло до значајног повећања специфичне површине и промене у површинској хемији за допиране/кодопиране узорке. У циљу испитивања адсорпционих перформанси и оптимизације процеса урађена је серија адсорпционих експеримената. Резултати су показали да најбоље адсорпционе перформансе показују допирани/кодопирани узорци са највећом вредности специфичне површине и величином пора. Њихови адсорпциони капацитети, добијени применом Ленгмирове изотерме, су већи за уклањање и тешких метала и фармацеутика у односу на немодификовани узорак криогела. Експериментима десорпције и регенерације потврђена је задовољавајућа способност регенерације након четвртог циклуса адсорпције − десорпције и тешких метала и фармацеутика. Резултати теста на узорку речне воде са стандардним додатком смеше раствора тешких метала и фармацеутика су показали већу ефикасност адсорпције за одабране допиране/кодопиране узорке са највећом вредношћу специфичне површине и до 20-30% у односу на немодификовани криогел. Такође је запажено да присуство интерференци, јона метала, катјона, анјона, нема значајног утицаја на ефикасност адсорпције. Приказани резултати у овој докторској дисертацији показују да се допирањем/кодопирањем угљеничног криогела добијају материјали, који су се успешно могу применити као адсорбенти у процесима пречишћавања вода.

In this doctoral dissertation, N-doped and N, S co-doped carbon cryogels were synthesized, and their application as adsorbents in the removal process of selected heavy metals (Zn, Cd, Hg) and pharmaceuticals (carbamazepine, naproxen, diazepam and diclofenac) from aqueous solutions was studied. The results of structural and surface analysis showed that incorporation of nitrogen/nitrogen-sulfur preserved the turbostratic structure of the carbon cryogel, but a significant increase of the specific surface area as well as change of surface chemistry for the doped/co-doped samples were observed. In order to investigate the adsorption performance and process optimization, a series of adsorption experiments were performed. The best adsorption performances were obtained for the doped/co-doped samples with the highest specific surface area values and pores dimension. The adsorption capacities of these samples regarding the removal of heavy metals and pharmaceuticals, obtained using the Langmuir isotherm, were higher compared to the pristine carbon cryogel. Desorption and regeneration experiments confirmed the satisfactory regeneration ability after the fourth adsorption- desorption cycle of selected heavy metals and pharmaceuticals. Test results for a river water samples with a standard addition of a heavy metals and pharmaceuticals mixtures showed a higher adsorption efficiency up to 20-30% for the selected doped/co-doped samples with the highest values of the specific surface area compared to the pristine carbon cryogel. It was also noticed that the presence of interferences of metal ions, cations and anions has no significant effect on the adsorption efficiency. The results presented in this doctoral dissertation show that by carbon cryogel doping/co-doping it is possible to obtain carbon materials which can be successfully used as adsorbents in wastewater treatment processes.