Application of kinetic models to study the sorption rate in the ‘ammonium ions–calcined sorbent’ system

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This study examines sorption kinetics for the extraction of ammonium ions from an aqueous solution under static conditions using 5 g of sorbent. The sorbent was obtained by calcining ash and slag waste accumulated in the ash dump following hydraulic ash removal. The initial concentrations of ammonium ions in the model solutions were 5, 20, 50 and 100 mg/dm3. The volume of the model solution was 50 cm3. For each initial concentration, the kinetic curves of the ammonium ion sorption at the sorption duration of 10, 30, 60, 90, 120, 150 and 180 min were obtained. The kinetic curves were processed using the Lagergren (pseudo-first order), Ho and McKay (pseudo-second order), Morris-Weber (diffusion) and Elovich kinetic equations. It was demonstrated that all kinetic equations adequately describe the experimental data. The linear correlation of the equations was given. The Boyd equation was used to determine the limiting stage in the Morris–Weber model. It was established that the external diffusion mechanism is limiting for the sorption of ammonium ions by a calcined sorbent. The Lagergren model, with a coefficient of determination R2 of 0.9801–0.9949, best described the experimental data on sorption kinetics. Sorption rate curves as a function of the adsorption value and sorption time were given. The latter are described by exponential and polynomial dependence according to the Lagergren model, polynomial dependence according to the Ho and McKay model and exponential dependence according to the Morris–Weber and Elovich models. The sorption rate was the highest at the initial stage of sorption for all dependencies, which is consistent with previous studies on the sorption of pollutants from aqueous solutions using various sorbents.

About the authors

G. T. Korotkova

Kuban State Technological University

Email: korotkova1964@mail.ru

A. M. Zakolyukina

Kuban State Technological University

Email: Zakolyukina_AM@mail.ru

S. A. Bushumov

Kuban State Technological University

Email: bushumov@list.ru

References

  1. Boopathy R., Karthikeyan S., Mandal A.B., Sekaran G. Adsorption of ammonium ion by coconut shell-activated carbon from aqueous solution: kinetic, isotherm, and thermodynamic studies // Environmental Science and Pollution Research. 2013. Vol. 20, no. 1. P. 533–542. doi: 10.1007/s11356-012-0911-3.
  2. Ghising R.B., Jha V.K. Characteristics of the ammonium ion adsorption from wastewater by the activated carbon obtained from waste tire // Journal of Nepal Chemical Society. 2022. Vol. 43, no. 1. P. 17–27. doi: 10.3126/jncs.v43i1.46998.
  3. Otal E., Vilches L.F., Luna Y., Poblete R., García-Maya J.M., Fernández-Pereira C. Ammonium ion adsorption and settleability improvement achieved in a synthetic zeolite-amended activated sludge // Chinese Journal of Chemical Engineering. 2013. Vol. 21, no. 9. P. 1062–1068. doi: 10.1016/S1004-9541(13)60566-2.
  4. Кондрашова А.В., Кузьмина Р.И. Очистка сточных вод от ионов аммония адсорбционным методом // Наука и бизнес: пути развития. 2022. N 5. С. 135–138. EDN: PYHLGR.
  5. Yuliani G., Liswanti W., Murida R., Mutiara S., Setiabudi A. Adsorption-desorption properties of ammonium ion on zeolite bottom ash in aqueous solution // Proceedings of the 7th Mathematics, Science, and Computer Science Education International Seminar (Bandung, 12 October 2019). Bandung, 2019. doi: 10.4108/eai.12-10-2019.2296462.
  6. Wang J., Guo X. Adsorption kinetic models: physical meanings, applications, and solving method // Journal of Hazardous Materials. 2020. Vol. 390. P. 122156. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.122156.
  7. Runtti H., Sundhararasu E., Pesonen J., Tuomikoski S., Hu T., Lassi U., et al. Removal of ammonium ions from aqueous solutions using alkali-activated analcime as sorbent // ChemEngineering. 2023. Vol. 7, no. 1. P. 5. doi: 10.3390/chemengineering7010005.
  8. Ho Y.S., McKay G. A comparison of chemisorption kinetic models applied to pollutant removal on various sorbents // Process Safety and Environmental Protection. 1998. Vol. 76, no. 4. P. 332–340. doi: 10.1205/095758298529696.
  9. Musah M., Azeh Y., Mathew J.T., Umar M.T., Abdulhamid Z., Muhammad A.I. Adsorption kinetics and isotherm models: a review // Caliphate Journal of Science & Technology. 2022. Vol. 4, no. 1. P. 20–26. doi: 10.4314/cajost.v4i1.3.
  10. Zhang L.Y., Zhang H.Y., Guo W., Tian Y.L. Sorption characteristics and mechanisms of ammonium by coal by-products: slag, honeycomb-cinder and coal gangue // International Journal of Environmental Science and Technology. 2013. Vol. 10. P. 1309–1318. doi: 10.1007/s13762-012-0168-x.
  11. Lv P., Meng R., Mao Z., Deng M. Hydrothermal synthesis of sodalite-type N-A-S-H from fly ash to remove ammonium and phosphorus from water // Materials. 2021. Vol. 14, no. 11. P. 2741. doi: 10.3390/ma14112741.
  12. Uğurlu M., Karaoğlu M.H. Adsorption of ammonium from an aqueous solution by fly ash and sepiolite: isotherm, kinetic and thermodynamic analysis // Microporous and Mesoporous Materials. 2011. Vol. 139, no. 1-3. P. 173–178. doi: 10.1016/j.micromeso.2010.10.039.
  13. Ji X.D., Zhang M.L., Ke Y.Y., Song Y.C. Simultaneous immobilization of ammonium and phosphate from aqueous solution using zeolites synthesized from fly ashes // Water Science & Technology. 2013. Vol. 67, no. 6. P. 1324–1331. doi: 10.2166/wst.2013.690.
  14. Bushumov S.A., Korotkova T.G. Determination of physical and chemical properties of the modified sorbent from ash-and-slag waste accumulated on ash dumps by hydraulic ash removal // Rasãyan Journal of Chemistry. 2020. Vol. 13, no. 3. P. 1619–1626. doi: 10.31788/RJC.2020.1335454.
  15. Короткова Т.Г., Заколюкина А.М., Бушумов С.А. Исследование адсорбционного равновесия в системе ионы аммония–прокаленный сорбент из золошлаковых отходов теплоэнергетики // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2023. Т. 13. N 2. С. 291–303. doi: 10.21285/2227-2925-2023-13-2-291303. EDN: CHSYDA.
  16. Korotkova T.G., Zakolyukina A.M., Bushumov S.A. Study of the efficiency of water treatment from ammonium ions by a calcined sorbent from ash-and-slag waste // Theoretical and Applied Ecology. 2023. Vol. 4. P. 99–109. doi: 10.25750/1995-4301-2023-4-099-109. EDN: VCQLNQ.
  17. El-Shafey O.I., Fathy N.A., El-Nabarawy T.A. Sorption of ammonium ions onto natural and modified egyptian kaolinites: kinetic and equilibrium studies // Advances in Physical Chemistry. 2014. P. 935854. doi: 10.1155/2014/935854.
  18. Chien S.H., Clayton W.R. Application of Elovich equation to the kinetics of phosphate release and sorption in soils // Soil Science Society of America Journal. 1980. Vol. 44, no. 2. P. 265–268. doi: 10.2136/sssaj1980.03615995004400020013x.
  19. Yao Y., Gao B., Inyang M., Zimmerman A.R., Cao X., Pullammanappallil P., et al. Removal of phosphate from aqueous solution by biochar derived from anaerobically digested sugar beet tailings // Journal of Hazardous Materials. 2011. Vol. 190, no. 1-3. P. 501–507. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.03.083.
  20. Gao F., Xue Y., Deng P., Cheng X., Yang K. Removal of aqueous ammonium by biochars derived from agricultural residuals at different pyrolysis temperatures // Chemical Speciation and Bioavailability. 2015. Vol. 27, no. 2, P. 92–97. doi: 10.1080/09542299.2015.1087162.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».