Czasopismo Inżynieria i Ochrona Środowiska

ISSN 1505-3695

Kolegium Redakcyjne

Strona czasopisma w trakcie migracji pod NOWYM ADRESEM

UWAGA ! Preferujemy artykuły w języku angielskim.

Drodzy Czytelnicy i Autorzy

Seria wydawnicza "Inżynieria i Ochrona Środowiska" stanowi czasopismo naukowe, w którym są zamieszczane prace naukowe i opracowania techniczne obejmujące szeroko rozumianą inżynierię i ochronę środowiska. Inicjatywa powołania czasopisma powstała w lutym 1997r. w Ustroniu na spotkaniu dziekanów wydziałów politechnik prowadzących kierunki studiów inżynieria środowiska i ochrona środowiska. W 2001r Komitet Inżynierii Środowiska PAN objął swoim patronatem wydawanie naszego czasopisma. 

Mamy nadzieję, że "Inżynieria i Ochrona Środowiska" zyskała już wielu Czytelników. Jak wiadomo jest ona adresowana przede wszystkim do środowisk naukowych, technicznych i przemysłowych, zainteresowanych problematyką publikowanych artykułów. Nie mniej jednak swą ofertę wydawniczą kierujemy zarówno do teoretyków, jak i praktyków, a także do wszystkich osób pasjonujących się inżynierią i ochroną środowiska. Zainteresowanych zapraszamy do współpracy.

 

Tom 9, Numer 2

1. Procesy membranowe w uzdatnianiu wody - przegląd piśmiennictwa
Membrane Processes in Water Treatment - State of Art
Michał BODZEK, Krystyna KONIECZNY
Strony: 129-159

Zanieczyszczenia występujące w ujmowanych wodach powodują, że skuteczne oczyszczanie jest kłopotliwe, a układ (schemat technologiczny) oczyszczania powinien być opracowywany indywidualnie dla danej wody na podstawie badań technologicznych. Aby zapewnić wymaganą jakość wody do picia, bezpieczną dla zdrowia i życia konsumentów, często niezbędne jest stosowanie niekonwencjonalnych i wysoko efektywnych procesów mimo podwyższenia kosztów i potrzeby bardzo starannej oraz profesjonalnej eksploatacji układu oczyszczania wody. Ponadto, niedogodności związane z tradycyjnym oczyszczaniem wód naturalnych oraz zmieniające się podejście co do koncepcji uzdatniania wód dla celów konsumpcyjnych, przede wszystkim wzrastające wymagania odnośnie do jakości wody do picia, stwarzają możliwości zastosowania nowych technik separacji, wśród których metody membranowe mają największe zalety oraz możliwości i są obecnie brane pod uwagę jako procesy alternatywne. Mogą one pomóc w rozwiązywaniu problemów występujących w konwencjonalnych technikach uzdatniania wody, ponieważ: przy odpowiednim dobraniu rodzaju membrany (wielkość porów lub rozdzielczość graniczna) będzie ona efektywnie separowała zanieczyszczenia, usuwała twardość i zasolenie bez konieczności dodawania reagentów, jakość uzdatnionej wody nie będzie zależna od jakości wody surowej, strumień odpadowy z separacji membranowej (retentat) będzie zawierał jedynie naturalne zanieczyszczenia usunięte z wody, a nie produkty uboczne reakcji chemicznych czy innych substancji wprowadzonych w trakcie uzdatniania. W uzdatnianiu wody do picia i do celów gospodarczych stosuje się przede wszystkim techniki membranowe, których siłą napędową jest różnica ciśnień po obu stronach membrany, ale brane są pod uwagę też inne procesy, jak elektrodializa, perwaporacja, destylacja membranowa i membrany ciekłe. Wybór odpowiedniego procesu membranowego zależy od zakresu wielkości występujących i usuwanych z wody zanieczyszczeń oraz domieszek. Techniki membranowe mogą być stosowane do usuwania zanieczyszczeń z wody jako procesy samodzielne lub w połączeniu z uzupełniającymi procesami jednostkowymi, tworząc systemy hybrydowe. W pracy omówiono możliwości wykorzystania technik membranowych w uzdatnianiu wód naturalnych. Odwrócona osmoza zatrzymuje jony jednowartościowe oraz większość związków organicznych małocząsteczkowych i jest stosowana do odsalania wód oraz do usuwania jonów azotanowych i mikrozanieczyszczeń organicznych. Membrany nanofiltracyjne zatrzymują koloidy, szereg związków organicznych małocząsteczkowych oraz jony dwuwartościowe; można je zatem zastosować do zmiękczania wody i usuwania mikrozanieczyszczeń organicznych. Ultrafiltracja i mikrofiltracja stanowią barierę dla substancji rozproszonych i mikroorganizmów i dlatego można je stosować do klarowania i dezynfekcji wody oraz jako metoda usuwania mętności wody. Procesy hybrydowe obejmujące techniki membranowe stosuje się do uzdatniania wody do picia w połączeniu z ozonowaniem, koagulacją, adsorpcją na węglu aktywnym do usuwania niżej cząsteczkowych związków organicznych lub w bioreaktorach do usuwania azotanów.

Contaminations present in the intake water cause that efficient treatment is problematic, and the technological scheme of cleaning should be developed individually for the given kind of water on the basis of technological research. To provide the required quality of drinking water, safe for health, and life of the consumers, it is very often necessary to apply non-conventional and high performance processes, in spite of the increase of costs and the need of very careful and professional operation of the water cleaning system. Furthermore, the inconvenience connected with traditional natural water treatment and changing approach with regard to the conception of water treatment for the consumption, first of all increasing requirements concerning the quality of drinking water, create possibilities of applying new separation techniques, among which membrane techniques have the greatest advantages and possibilities, and nowadays are taken into account. They can help to solve problems, which appear in conventional techniques of water treatment because: with a suitable selection of the membrane type it will selectively separate contaminations, remove hardness and salinity without the necessity of adding reactants, the quality of the treated water will not depend on the quality of raw water, the waste flux from the membrane separation (retentate) will contain only natural contaminants removed from the water, but not by-products of chemical reactions or other substances added during the treatment. In the treatment of water for drinking and household purposes pressure-driven membrane techniques are used, although other processes, such as electrodialysis, pervaporation, membrane destilation and liquid membranes are taken into account. The choice of the suitable membrane process depends on the size of the removed contaminants from the water and admixtures. Membrane techniques can be applied as an independent process or in connection with complementary unit processes, forming hybrid systems. In the paper the possibilities of using membrane techniques in natural water treatment are discussed. Reverse osmosis rejects ions and most organic compounds of low molecular weight and is applied for the desalination of water and the removal of nitrate ions and organic micropollutants. Nanofiltration membranes retain colloids, a lot organic substances with a low molecular weight and divalent ions and can be used to soften the water and remove organic micropollutants. Microfiltration and ultrafiltration are a barrier for suspended particles and microorganisms and that’s why they can be used to clarify and disinfect the water and as a method of removing its turbidity. Hybrid processes with membrane techniques are applied in water treatment in connection with ozonation, coagulation, adsorption, on activated carbon to remove lower molecular weight organics or in the bioreactors to remove nitrates. Keywords: water treatment, membrane techniques, desalination, removal of organic compounds, micropollutants, hybrid processes

2. Sorpcja metali ciężkich na utlenionych węglach aktywnych
Adsorption of Heavy Metals on Oxidized Activated Carbons
Joanna Lach, Ewa Ociepa, Longina Stępniak
Strony: 161-171

Przeprowadzono sorpcję z roztworów wodnych następujących metali ciężkich: ołowiu, kadmu, niklu, kobaltu. Modyfikację węgla WG-12 prowadzono w piecu obrotowym w temperaturach 400 i 800C z udziałem pary wodnej, powietrza lub dwutlenku węgla oraz na stanowisku wykorzystującym nagrzewanie węgla ciepłem Joule’a do temperatury 400C. Użyte sposoby modyfikacji pozwoliły na uzyskanie węgli o zwiększonych możliwościach sorpcyjnych w stosunku do wszystkich użytych w badaniach metali ciężkich. Nie można wybrać sposobu modyfikacji, który byłby jednocześnie optymalny dla wszystkich usuwanych metali. Najlepsze efekty uzyskano dla węgla modyfikowanego powietrzem w piecu obrotowym w 400C oraz parą wodną i dwutlenkiem węgla w 800C. Uzyskane wyniki sorpcji na węglach modyfikowanych z udziałem ciepła Joule’a są porównywalne z rezultatami na węglach utlenionych w piecu obrotowym z udziałem pary wodnej oraz dwutlenku węgla. W przypadku wyjściowego węgla aktywnego metale te sorbowały się w następującej kolejności: Pb > Ni = Cd > Co.

There has been conducted the adsorption from water solutions in static conditions of the following heavy metals: lead, cadmium, nickel and cobalt. The research was made on initial and modified carbon WG-12. In the case of initial, activated carbon, these metals adsorbed in the following order: Pb > Ni = Cd > Co. The modification of WG-12 carbon was conducted in rotary furnace at the temperatures: 400 and 800ºC with the usage of water vapour, air and carbon dioxide. It was carried out at the experimental stand using the heating of carbon by means of Joule heat up to the temperature of 400ºC. The presented ways of modification allowed to obtain carbons of greater adsorption abilities in relation to all used heavy metals used in the research. There cannot be chosen one way of modification which would be optimum for all removed metals. In the case of lead, the efficiency of Pb2+ removing from solution of 0.1 mmol/dm3 concentration on initial carbon was: 23% and on carbon modified in rotary furnace at the temperature of 400ºC with the usage of air (WG/400/AIR) was about 90%. Similar results were obtained on carbon modified at 800ºC with the usage of carbon dioxide (WG/800/CO2). Much lower efficiency of removing was obtained for cadmium ions. On initial carbon, this efficiency was equal: 7.7%; and on WG/400/AIR was equal: 49%. Similar results were obtained during nickel adsorption, however, in this case the best results were obtained for modified carbon: WG/800/H2O (the degree of Ni2+ ions removal increased from 7.1% to about 60%). The degree of cobalt removal on modified carbon WG/800/H2O increased from 4.2 to 54%. The obtained adsorption results on carbons modified with the usage of Joule heat are comparable to the results observed on carbons oxidized in rotary furnace with the usage of water vapour and carbon dioxide. The best results are obtained on carbons modified in one heating-cooling down cycle. While analysing the adsorption results of the used heavy metals and the number of units of acidic and basic character, which are denoted by means of Boehm method, there can be observed that the greatest amount of acid units are on the surface of carbon WG/400/AIR which characterizes of great capacities in relation to other examined carbons. Nevertheless, high adsorption abilities in relation to: lead, nickel and cobalt were observed in the case of carbons, modified at 800ºC in the atmosphere of both carbon dioxide and water vapour, when the amount of oxides of acidic character lowered a bit in relation to non-modified carbon. Such results can suggest the coexistence of other processes, not only the ion exchange processes on acidic oxides.

3. Adsorpcja monopodstawionych fenoli na węglach aktywnych o zróżnicowanym charakterze chemicznym powierzchni
Adsorption of Monosubstituted Phenols Onto Activated Carbons with Different Surface Characteristics
Ewa LORENC-GRABOWSKA, Grażyna GRYGLEWICZ
Strony: 173-184

W pracy zbadano wpływ charakteru chemicznego powierzchni węgla aktywnego na adsorpcję wybranych monopodstawionych fenoli. Wyjściowy węgiel aktywny CWZ 22 poddano demineralizacji, działaniu nadtlenku wodoru, amoniaku i wygrzewaniu w wysokiej temperaturze w atmosferze inertnej. Otrzymane węgle różniły się zawartością kwasowych i zasadowych grup funkcyjnych i wartością pHPZC. Procesy modyfikacji nie wpłynęły zasadniczo na strukturę porowatą węgli aktywnych. Adsorpcję 2-chlorofenolu (OCF), 4-chlorofenolu (PCF) i 4-nitrofenolu (PNF) przeprowadzono w warunkach statycznych. Czasy osiągania stanu równowagi rosły w kierunku OCF < PCF < PNF. Wyznaczone nadmiarowe izotermy adsorpcji interpretowano, opierając się na modelu Freundlicha i Langmuira. Wykazano, że do stężenia równowagowego około 125 mg/dm3 równanie Langmuira lepiej opisuje adsorpcję fenoli niż równanie Freundlicha. Węgiel aktywny po wygrzewaniu w temperaturze 800°C w atmosferze azotu charakteryzował się największą pojemnością sorpcyjną względem badanych monopodstawionych fenoli. Obróbka termiczna w podanych warunkach spowodowała wyraźny wzrost wartości pHPZC i zmniejszenie zawartości powierzchniowych tlenowych grup kwasowych.

The effect of the carbon surface chemistry on the adsorption of 2-chlorophenol (OCF), 4-chlorophenol (OCP) and 4-nitrophenol (PNP) has been studied. To obtain a series of activated carbons with different content of acidic and basic functionalities and pHPZC value, the initial activated carbon CWZ 22 was subjected to the demineralization with inorganic acids (CWZ dem), the treatment with 20% hydrogen peroxide (CWZ H2O2), the treatment with ammonia at 450°C (CWZ NH3), and heat treatment in an inert atmosphere at 800°C (CWZ N2). For the obtained carbons, pHPZC ranged from 5.85 to 10.08 and increased in the following direction: CWZ H2O2 < CWZ dem < CWZ 22 < CWZ NH3 < CWZ N2. The applied treatments changed insignificantly the porous structure of the activated carbon. The adsorption process of selected monosubstituted phenols was carried out in static conditions, maintaining solution pH below pKa of a given adsorbate. The equilibrium time of adsorption process of phenols increased in the direction: OCF < PCF < PNF. For CWZ NH3 and CWZ N2 carbons the equilibrium time was the shortest whereas the longest time was required in the case of CWZ H2O2. The adsorption of phenols on the tested activated carbons proceeded relatively fast. Around 50% of the maximum sorption capacity was attained after 1 h of the process. The Langmuir and Freundlich models were applied to interpret the adsorption isotherm data. It was found that up to around 125 mg/dm3 of the equilibrium concentration, the Langmuir model better describes the adsorption system than the Freundlich equation. In this range of concentrations the extent of adsorption decreased with increasing the adsorbate solubility. For studied activated carbons, except for CWZ H2O2, the calculated surface monolayer coverage by adsorbate molecules is higher than 0.7. The obtained results suggest that the multilayer adsorption was probably responsible for a rapid increase in the adsorbed amount that was observed at higher equilibrium concentrations. The activated carbon heated under nitrogen flow at high temperature showed the highest adsorption capacity toward monosubstituted phenols. Heat treatment of initial activated carbon led to a marked increase in the pHPZC value and a decrease in the acidic groups content. The oxidation of CWZ 22 resulted in a increase in the oxygen surface functionalities and as a result, CWZ H2O2 was characterized by the lowest efficiency in the removal of phenols from aqueous solution.

4. Usuwanie substancji organicznych z wody w procesach wymiany jonowej, koagulacji i adsorpcji
Removal of Organic Substances from Water in the Ion Exchange, Coagulation and Adsorption Processes
Marek MOŁCZAN, Andrzej BIŁYK
Strony: 185-195

Domieszki organiczne wód naturalnych uznawane są za zanieczyszczenie z powodu ich podatności na reakcje z utleniaczami, w których powstają niebezpieczne dla zdrowia halogenowe związki organiczne. Obok tradycyjnych metod usuwania substancji organicznych z wody, takich jak adsorpcja i koagulacja, pojawiają się nowe, do których zaliczyć należy wymianę jonową. Przydatność żywic anionowych wynika z częstego występowania w cząsteczkach organicznych ujemnie zdysocjowanych grup karboksylowych lub fenolowych. Celem wykonanych badań była ocena roli wymiany jonowej w usuwaniu organicznych domieszek wody w ciągu technologicznym, opartym na tradycyjnych technikach koagulacji i adsorpcji oraz na stosowaniu nowej metody MIEX®DOC. Badania prowadzono w trzech sekwencjach procesów: koagulacja-adsorpcja (1), wymiana jonowa-adsorpcja (2), wymiana jonowa-koagulacja-adsorpcja (3). Wyniki badań wskazują, że adsorpcja i wymiana anionowa (proces MIEX®DOC) odgrywają podobnie ważną rolę w usuwaniu rozpuszczonego węgla organicznego (RWO), zaś koagulacja jest procesem uzupełniającym. Proces MIEX®DOC ma tę przewagę nad adsorpcją, że daje trwały w czasie efekt usuwania RWO, czego nie zapewnia adsorpcja kolumnowa. Połączenie obu metod tworzy nową jakość w usuwaniu organicznych domieszek wody. Przy odpowiednio dobranym rozkładzie ładunków RWO usuwanych w każdym z procesów możliwe jest utrzymanie wartości wskaźników RWO oraz SUVA254 znacznie poniżej zalecanego poziomu, nawet w fazie plateau cyklu pracy kolumny adsorpcyjnej. Robocza zdolność usuwania RWO sięga wówczas 50%.

Organic components of natural water are regarded as pollutants because of reactions with chlorine or other oxidants, which produce harmful to health products. Besides conventional treatment methods like granular activated carbon (GAC) adsorption and coagulation, new processes like ion exchange are examined. Usefulness of anion exchange resins results from presence of negatively charged carboxyl and phenolic groups in most of organic molecules. Research on the efficiency of cooperation of coagulation, anion exchange and adsorption processes for organics removal were performed on raw water intake of „Mokry Dwor” water treatment plant. „Mokry Dwor” takes water from the River Olawa and produces about 40% of the distributed drinking water for the city of Wroclaw, Poland. Investigations were performed between March and April 2005. Three sequences of treatment processes were examined: coagulation-adsorption, anion exchange-adsorption and anion exchange-coagulation-adsorption. Anion exchange resin MIEX®, alum coagulant PAX XL3 and granular activated carbon WG-12 were used in the experiments. The potential abilities of organic contaminants removal were estimated on 17% for coagulation, 82% for anion exchange and 90% for GAC adsorption. GAC adsorption followed by alum coagulation gave 91.5% removal of raw water dissolved organic carbon (DOC). However the operating abilities of anion exchange and adsorption processes were lower indeed and rather did not exceed respectively 40 and 30% of DOC removal. Results of research show that adsorption and anion exchange (MIEX®DOC process) can play a similarly important role in DOC removal, and coagulation may be rather a supplementary process. MIEX®DOC method gives constant and time-independent efficiency of DOC removal, that cannot be ensured in GAC adsorption column system. The sequence of anion exchange and adsorption processes creates a new quality of organics removal. DOC removal based on both MIEX®DOC and GAC adsorption processes enables getting both DOC and SUVA (specific ultraviolet absorbance) indicators below recommended values, even during the plateau phase of adsorption. The effective removal of DOC achieves then about 50%.

5. Próba standaryzacji metody sond molekularnych do oceny struktury mikroporowatej adsorbentów węglowych
The Standardization of the Molecular Probe Technique for Carbonaceous Adsorbents Microporous Structure Evaluation
Elżbieta VOGT, Bronisław BUCZEK
Strony: 197-209

Adsorbenty węglowe od wielu lat znajdują szerokie zastosowanie w procesach ochrony środowiska. Ich popularność wynika zarówno z chemicznych, jak i fizycznych właściwości. Znajomość podstawowych właściwości tych adsorbentów otwiera nowe możliwości ich stosowania. Znanych jest wiele metod badania struktury porowatej, jednakże czas oraz koszt wykonywania oznaczeń mają duży wpływ na wybór danej metody. Prostym sposobem badania struktury mikroporowatej jest metoda sond molekularnych, oparta na pomiarach gęstości z użyciem mediów piknometrycznych o różnych rozmiarach cząsteczek. W pracy badaniom poddano dwa rodzaje adsorbentów węglowych: węglowe sita molekularne oraz węgle aktywne. Analiza otrzymanych wyników umożliwia wybór odpowiednich mediów piknometrycznych dla danego rodzaju materiału.

Carbonaceous adsorbents have had a wide application in many environment protection processes for many years. The high applicability of carbonaceous adsorbents is an effect of both their chemical and physical properties. The knowledge of the basic properties of these adsorbents opens new opportunities of its application. However, before using, their properties have to be done. There is a number of known methods (adsorption measurement, mercury porosimetry, densymetric measurement, microscopy, X-ray methods) of making a description of porous materials structure, however the time and price seem to be the most important factors determining the choice of an analytical method. The simple way to estimate the microporous structure is the molecular probe technique consisting mainly in the measurement of the density using displacement molecules with different sizes of their effective diameter. The measurements were carried out with the use of special construction pycnometers.Two kinds of adsorbents have been investigated: carbon molecular sieves and active carbons. In previous papers it was found that the measurements based on displacement of fluids with different molecular sizes (helium, water, benzene, methanol, tetrachloromethane, decaline) enabled characterization of the micropore structure of carbonaceous adsorbents. The analysis of the results in this work allows us to select these pycnometric fluids which are not suitable for individual kind of materials. We have found that the applying of methane as a pycnometric fluid causes that the values of density are too high to be used to calculation of pore volume. The benzene molecules having a specific shape give incoherent results. Both methane and benzene are not good molecular probes for carbonaceous materials. Water was found as a suitable pycnometric fluid only for carbon molecular sieves. The using of helium, tetrachloromethane and decaline enables us to calculate micropores volume within the range corresponding to the size of molecules of the applied pycnometric fluids. Finally, it could be said that the molecular probe technique is better in the case of the investigation of carbon molecular sieves microporous structure than active carbons. The researches cause the standardization of the molecular probe technique.

6. Wpływ modyfikacji powierzchni materiałów węglowych na proces adsorpcji jonów miedzi
Influence of the Surface Chemistry Modification of the Activated Carbon on Adsorption Process of Copper Ions
Mariusz WALCZYK, Stanisław BINIAK
Strony: 211-222

Jako materiał wyjściowy zastosowano handlowy węgiel aktywowany NORIT ROW 0.8 supra, z którego za pomocą stężonych kwasów solnego i fluorowego usunięto prawie całkowicie zanieczyszczenia mineralne. Otrzymany preparat podzielono na sześć porcji, z których jedną pozostawiono bez dalszej modyfikacji (AW), natomiast pozostałe modyfikowano, stosując następujące procedury: wygrzewanie (3 godz., 673 K) w strumieniu wilgotnego powietrza (OWA), działanie (3 godz., 355 K) stężonym kwasem azotowym (ONA), wygrzewanie (3 godz., 673 K) w strumieniu mieszaniny (1:1) tlenu i amoniaku (OPA), wygrzewanie (3 godz., 1173 K) w strumieniu amoniaku (HTA), wygrzewanie (3 godz., 1173 K) w próżni (HTV). Powierzchnię i podstawową strukturę porowatą otrzymanych próbek węglowych określono w oparciu o niskotemperaturowe (77 K) izotermy adsorpcji-desorpcji azotu. Wykazano, że różnice w wielkości wewnętrznej powierzchni właściwej wyznaczonej metodą BET (SBET) modyfikowanych węgli są rzędu kilku procent, jedynie w przypadku węgla modyfikowanego kwasem azotowym (ONA) stwierdzono nieco większy spadek jej wartości. W celu określenia właściwości kwasowo-zasadowych otrzymanych próbek węglowych wyznaczono równowagowe wartości pH ich zawiesiny (pH*) w roztworze soli obojętnej. Badania te wykazały, że uzyskano materiały węglowe o kwasowym (ONA, OWA), amfoterycznym (AW, OPA) lub zasadowym (HTA, HTV) charakterze chemicznym powierzchni (pH* w granicach od 3,5 do 10,9). Strukturę chemiczną powierzchni badanych materiałów węglowych określono, stosując standardową metodę selektywnej neutralizacji grup funkcyjnych zasadami o wzrastającej mocy lub miareczkując 0,1 M kwasem solnym. Opierając się na tych rezultatach, obliczono gęstość powierzchniowych ładunków elektrycznych węgli aktywnych w roztworach elektrolitu. Uzyskane próbki aktywnych materiałów węglowych różniły się drastycznie pod względem chemicznym powierzchni przy jednoczesnym zachowaniu budowy matrycy węglowej oraz niewielkim zróżnicowaniu powierzchni właściwej i struktury porowatej. Badano następnie wpływ zróżnicowanej struktury chemicznej powierzchni materiałów węglowych na wielkość adsorpcji nadmiarowej oraz szybkość procesu ustalania się równowagi adsorpcyjnej jonów miedzi(II) z roztworu wodnego o stężeniu wyjściowym 0,025 M. Zmiany stężenia jonów miedzi podczas adsorpcji rejestrowano przy użyciu elektrody jonoselektywnej. Stwierdzono istotną zależność adsorpcji maksymalnej oraz szybkości adsorpcji jonów miedzi od chemizmu powierzchni węgli aktywowanych. Na adsorpcję mają wpływ nie tylko właściwości kwasowo-zasadowe grup funkcyjnych, ale również obecność i rodzaj heteroatomów (tlen, azot) na powierzchni węgla aktywowanego i tworzących centra adsorpcyjne. Największą adsorpcję maksymalną stwierdzono w przypadku węgli o zasadowym charakterze powierzchni (węgiel HTV pozbawiony heteroatomów i HTA zawierający azot wbudowany w sieć węglową), nieco mniejszą dla węgla silnie utlenionego (węgiel ONA pokryty tlenowymi grupami funkcyjnymi o charakterze kwasowym). Wskazuje to na mieszany mechanizm procesu adsorpcyjnego - od adsorpcji jonowymiennej poprzez tworzenie kompleksów powierzchniowych do oddziaływań typu -d pomiędzy jonami a powierzchnią węgli. Na podstawie uzyskanych zależności adsorpcji od czasu zostały wyznaczone efektywne współczynniki dyfuzji De jonów miedzi w porach materiału sorpcyjnego, stosując uproszczoną procedurę, bazującą na analitycznym rozwiązaniu prawa Ficka. Szybkość dyfuzji jonów w strukturze porowatej sorbentu węglowego w istotny sposób zależy od budowy chemicznej powierzchni i jest największy dla węgla HTA, gdzie adsorpcja ma prawdopodobnie charakter kompleksotwórczy (oddziaływania jonów metalu z azotem w sieci węglowej). Uzyskane wyniki badawcze po raz pierwszy wykazały wpływ chemicznej struktury węglowego materiału sorpcyjnego nie tylko na wielkość adsorpcji jonów metalu (pojemność adsorpcyjną względem określonego jonu), ale również na szybkość procesu (czas potrzebny do osiągnięcia stanu równowagi adsorpcyjnej) i wartości współczynnika dyfuzji sorbowanych jonów. Rezultaty badań adsorpcji jonów miedzi(II) najprawdopodobniej będzie można również odnieść do procesów adsorpcyjnych innych metali ciężkich, stanowiących zanieczyszczenie wód i ścieków.

The starting material - the commercial activated carbon NORIT ROW 0.8 supra - was treated with concentrated hydrochloric and hydrofluoric acids to remove mineral impurities. The product was divided into six portions - one (AW) was used unmodified; the other five were modified as follows: heating (3 h, 673 K) in a stream of moist air (OWA), treatment (3 h, 355 K) with concentrated nitric acid (ONA), heating (3 h, 673 K) in a stream of a 1:1 oxygen-ammonia mixture (OPA), heating (3 h, 1173 K) in a stream of ammonia (HTA), heating (3 h, 1173 K) under vacuum 102 Pa (HTV). The specific surface areas and pore structures of these activated carbons were determined from low-temperature (77 K) nitrogen adsorption-desorption isotherms. The differences between the BET-determined internal specific surface areas (SBET) of the modified carbon samples were shown to be not greater than a few per cent; only the SBET of the ONA sample was somewhat lower than that of the other samples. In order to define the acid-base properties of the modified activated carbon samples the equilibrium pH of their slurries (pH*) in neutral salt solution was determined. These values show that the modification procedures yield carbon materials with acidic (ONA, OWA), amphoteric (AW, OPA) and basic (HTV, HTA) surface properties (pH* from 3.5 to 10.9). The surface chemical structures (type and number of functional groups) of the carbons were determined by selective neutralization with bases of increasing strength (acidic functional groups) or by titration with HCl (basic functional groups). The positive and negative surface charges of the carbon samples in electrolyte solutions were calculated from the neutralization data. The activated carbons obtained differed dramatically in their surface chemical properties; at the same time, however, the structure of the carbon matrix remained intact and the specific surface area and porosity changed only slightly. The adsorption capacities of the modified activated carbon materials towards copper(II) ions as well as the relations between adsorption and the contact time between the carbons and solutions of Cu(NO3)2 [0.025 M aq.] were determined. Changes in the Cu2+ ion concentration during adsorption were measured with a Cu-ion-selective electrode. The relations between the surface chemistry of the activated carbon and the adsorption capacity and adsorption rate were found to be significant. Adsorption depended not only on the acid-base properties of the carbon surface but also on the presence of heteroatoms (nitrogen and/or oxygen) bonded to the carbon surface (adsorption centers). The adsorption capacity was highest in basic carbons (HTV - thermally deprived of surface heteroatoms, HTA - with nitrogen in the carbon lattice) and slightly lower in oxidized carbon (ONA - with strongly acidic surface groups). The results of this research indicate that the mechanisms of metal ion adsorption are complex, involving not only ion-exchange (Cu2+/H+) adsorption (dominant for oxidized „acidic” carbons), but also surface metal complex formation with  electrons and heteroatoms (in the carbon matrix), and with non-dissociative surface functional groups. From the time-adsorption dependencies (kinetic curves) obtained, the effective diffusion coefficients (De) of copper ions in the sorbent pore structure were calculated using a simplified procedure based on the analytical solution of Fick’s law. The rate of Cu(II) ion diffusion into activated carbon pores depends substantially on the chemical structure of the carbon surface and was the highest for the HTA sample: in this case, the probable adsorption mechanism involved the formation of a complex between the metal ions and surface nitrogen as ligands. This research has demonstrated for the first time the influence of the chemical structure of activated carbon materials on the adsorption capacity towards metal ions, on their rate of adsorption, and on the diffusion coefficients of the sorbed ions. The results concerning the adsorption of copper(II) ions can probably be extrapolated to the adsorption of other heavy metal ions contaminating fresh and waste waters on activated carbon.