Equilibrium process optimisation for Adsorption of phenol from aqueous solution on fly ash during batch operation

Phenol and its higher homologues are the aromatic molecules that degrade aqueous environments in various ways. The origin is both anthropogenic as well as xenobiotic. Xenobiotic sources are industrial wastes derived from fossil fuel extraction, chemical process industries such as phenol manufacturing plants, pharmaceutical industries, wood processing industry, and pesticide manufacturing plants. Continuous ingestion of phenol for a prolonged period of time may cause mouth sore, diarrhea, excretion of dark urineAnthropogenic sources are from forest fire, natural runoffs from urban area where asphalt is used as binding material and natural decay of lignocellulosic materials. and impaired vision at concentration levels ranging between 10 and 240 mg.dm-3 (1). Carbolic acid and cresols are used as anticeptic agents in surgery, which indicates that they are toxic to microbes. Lethal blood concentration for phenol is around 4.7 to 130 mg.dm-3. Phenols are toxic to several biochemical functions (2) and to fish life (3). It acts as a substrate inhibitor in the biotransformation (4). Phenol at concentration as low as 5.0.10-3 mg.dm-3 imparts typical smell upon chlorination and that is why WHO has prescribed a concentration of 1.0.10-3 mg.dm-3 as the guideline concentration for drinking water (5). Elimination of phenol, thus, is a necessity to preserve the environmental quality. Removal of phenol from wastewater by adsorption on activated carbon, synthetic resins have been reported (6-14). But the high cost and difficult procurement of activated carbon and synthetic resins prohibits their use for wastewater treatment. In an aim to search for an alternative, fly ash, the solid waste generated from thermal power plant is chosen as the adsorbent and its adsorption efficiency for phenol removal is highlighted in the present communication. All the reagents were of analytical reagent grade. Standard solution of phenol (5.0.102 mg.dm-3) was prepared by dissolving it in minimum volume of acetone and diluting the solution with distilled water to prepare the test solutions. Fly ash was collected from Bandel Thermal Power Station, Triveni, West Bengal. It was dried, sieved for a definite size and used without pretreatment. Batch study was performed by shaking 1.0 g of fly ash and 50 ml of aqueous phenol solution of appropriate concentration, temperature and pH in glass bottles placed in a shaking incubator. After attaining the equilibrium the adsorbent was removed and phenol concentration was measured spectrophotometrically at 270 nm. Physico-chemical characterisation of fly ash The chemical analyses of fly ash include loss on ignition at 800°C, silica, aluminium oxide, calcium oxide and magnesium oxide. Physical properties such as specific gravity and surface area are also determined (Table 1). Adsorption occurs due to the accumulation of solute from aqueous solution to the surface of adsorbent. The time at which equilibrium is attained is known as equilibrium time and the concentration at this time is the equilibrium concentration. The adsorption equilibrium and the adsorption time depend on several factors such as nature or speciation of phenol and surface property of fly ash, solution pH as well as the operational temperature. In order to find out the time for equilibrium adsorption, the interaction period for phenol and fly ash was varied and the percent adsorption was plotted for different time intervals. It was found that at the initial stage, rate of adsorption of phenol is quite high and reaches a maximum after 240 minutes that does not change with further lapse of time.

Praca dotyczy optymalizacji procesu równowagowego adsorpcji fenolu z wodnych roztworów przy wykorzystaniu lotnych popiołów. Fenole i ich wyższe homologiczne są związkami aromatycznymi, które powodują degradację środowiska wodnego. Stężenia fenoli w granicach od 10 do 240 mg/dm3 są groźne dla organizmów żywych, nie tylko człowieka ale również świata zwierzęcego. Człowiek odczuwa zapach fenolu już przy stężeniach 5ź10-3 mg/dm3, podczas gdy Światowa Organizacja Zdrowia dopuszcza spożywanie wody pitnej przy stężeniu fenolu poniżej 1ź10-3 mg/dm3. Jest to zatem temat istotny problem badawczy. Autorzy przeprowadzili badania adsorpcji i oczyszczania roztworów z fenolu. Do badań doświadczalnych autorzy przyjęli standardowy roztwór fenolu 5ź10-2 mg/dm3 przez rozpuszczenie go w minimalnej ilości acetonu i wykonanie roztworu do testowania z wodą destylowaną. Lotne popioły do badań pobrano z Ciepłowni Triveni w Zachodnim Bengalu, Indie. Wykonano charakterystykę fizykochemiczną pobranych popiołów a następnie przeprowadzono optymalizację zmiennych operacyjnych. Wiadomo, że szybkość procesu adsorpcji wzrasta wraz z temperaturą, co przedstawiono w postaci modelu. Przy stałej temperaturze, proces adsorpcji zależy jedynie od trzech parametrów: Co - początkowego stężenia fenolu, PS - wielkości cząstki adsorbentu, oraz pH - kwasowości/zasadowości środowiska. Do zbadania danych adsorpcji równowagowej wykorzystano równanie izotermy adsorpcji Langmuir'a. Krzywe izotermy Langmuir'a wykreślono dla trzech różnych temperatur, na podstawie których wyznaczono stałe Langmuir'a Qo (mg/g) i b (dm3/mg). Wysokie współczynniki regresji, wynoszące ponad 0,99 i niskie wartości wariancji (0,27 i mniej) świadczą o prawidłowym wyborze izotermy adsorpcji Langmuir'a. Dla zbadania natury jak i możliwości przeprowadzenia procesu wyznaczono termodynamiczne parametry adsorpcji. Ujemne wartości zmiany energii swobodnej Gibbs'a OG dla trzech badanych temperatur świadczą, że proces adsorpcji fenoli przebiega spontanicznie, natomiast pozytywna wartość entalpii OH poparta rosnącą losowością (dodatnia wartość entropii AS) mówi, że jest to proces endotermiczny.