Хімія, фізика та технологія поверхні, 2019, 10 (4), 446-457.

Адсорбція катіонів Co2+ і радіоактивного 60Со мезопористим TiO2



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.04.446

H. V. Vasylyeva, I. F. Mironyuk, I. M. Mykytyn

Анотація


У вступі до даної роботи розкрито актуальність подібного напрямку досліджень. 60Co із періодом напіврозпаду 5.3 роки є одним із числа антропогенних радіонуклідів, гамма-випромінювачів, які можуть діагностуватися у рідких відходах ядерних установок. Необхідність контролю вмісту 60Co у довкіллі обумовлює пошук нових адсорбційних матеріалів з високою адсорбційною ємністю, хімічною, термічною та радіаційною стійкістю.

Мета даної роботи – дослідити адсорбцію Co2+ і 60Co із водних розчинів мезопористим TiO2.

Методика експерименту детально описує адсорбційні дослідження. Як адсорбент був вибраний мезопористий TiO2 із співвідношенням мікро- і мезопор Smeso/S = 58 %; Vmeso/V = 64 %. Синтез дослідженого адсорбента здійснювався за методикою рідкофазного гідролізу титанового аквакомплекса. Як прекурсор був вибраний тетрахлорид титану TiCl4. Залежність адсорбції йонів кобальту від тривалості взаємодії адсорбата з поверхнею адсорбента, кислотності розчину, рівноважної концентрації йонів кобальту була досліджена у статичних умовах. Присутність кобальту на поверхні мезопористого ТіО2 була доведена методом рентгено-флуоресцентної спектроскопії.

Початкову та рівноважну концентрацію йонів кобальту визначали методом комплексонометричного титрування. Як індикатор використовували ксиленоловий помаранчовий.

Чотири найбільш поширені кінетичні моделі: Лагергрена псевдо-першого та псевдо-другого порядку, внутрішньочастинкової дифузії та модель Еловича були застосовані до експериментальних результатів досліджень кінетики адсорбції йонів кобальту мезопоритсим ТіО2. До рівноважних ізотерм адсорбції були застосовані теорії Ленгмюра і Дубініна-Радушкевича. Було розраховано енергію адсорбції з використанням рівняння Дубініна-Радушкевича.

Одержані результати показують, що експериментальні залежності величини адсорбції від часу взаємодії добре апроксимуються кінетичною моделлю Лагергрена псевдо-другого порядку. Застосування моделі Еловича (моделі хемосорбції) також дає високий коефіцієнт лінійного наближення (R2 > 0.9).

Результати рівноважної адсорбції можуть бути описані теорією Ленгмюра з високим ступенем достовірності. Експериментальні значення максимальної адсорбції йонів кобальту мезопористим ТіО2 (49±4 мг/г) добре узгоджуються із розрахованими за теорією Ленгмюра (63.81 мг/г). Енергія адсорбції, розрахована за рівнянням Дубініна-Радушкевича становить 8.104±0.361 кДж/моль, що відповідає фізичному механізмові адсорбції. Однак, для кожного окремо взятого потенціалу Поляні (якому відповідає певна рівноважна концентрація адсорбату, мг/л) енергія адсорбції різна. Її величина плавно зменшується при зростанні рівноважної концентрації Со2+ у розчині. Це свідчить про залежніть енергії адсорбції йонів кобальту мезопористим ТіО2 від ступеня заповнення поверхні. З цього факту можна зробити висновок, що адсорбційні центри дослідженого мезопористого ТіО2 не є незалежні.

При низьких значеннях рівноважної концентрації катіонів кобальту (38 мг/л) величина енергії адсорбції вища, ніж така, що відповідає механізмові фізичної адсорбції. На нашу думку, це може бути причиною високих коефіцієнтів лінійного наближення при застосуванні моделі Еловича до даних експериментальних результатів. Адсорбція Co2+мезопористим ТіО2 залежить від кислотності розчину.

Щоб змоделювати умови експерименту, близькі до реальних, було досліджено адсорбцію 60Со мезопористим ТіО2. Показано, що досліджений адсорбент вилучає понад 90% радіонукліду. Мезопористий ТіО2 є перспективним матеріалом для глибокої очистки водних розчинів від Со2+ і дезактивації радіоактивних відходів, які містять 60Со.


Ключові слова


адсорбція; діоксид титану; кобальт; радіоактивні відходи

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Abdel-Galila E.A., Moloukhiaa H., Abdel-Khalik M., Mahrousa S.S. Synthesis and physico-chemical characterization of cellulose/HO7Sb3 nanocomposite as adsorbent for the removal of some radionuclides from aqueous solutions. Appl. Radiat. Isot. 2018. 140: 363. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2018.07.022

2. Xiang-Hong Fang, Fang Fang, Chun-Hai Lu, Lei Zeng Removal of Cs+, Sr2+, and Co2+ ions from the mixture of organics and suspended solids aqueous solutions by zeolites. Nuclear Engineering and Technology. 2017. 49(3): 556. https://doi.org/10.1016/j.net.2016.11.008

3. Ray Ph.Z., Shipley H.J. Inorganic nano adsorbents for the removal of heavy metals and arsenic: a rewiev. RSC Adv. 2015. 5(38): 29885. https://doi.org/10.1039/C5RA02714D

4. Saad A. Al-Jlil Equilibrium study of adsorption of cobalt ions from wastewater using saudi roasted date pits. Research Journal of Environmental Toxicology. 2010. 4(1): 1. https://doi.org/10.3923/rjet.2010.1.12

5. Anastopoulos J., Mittal A., Usman M., Mittal J. A review on halloysite-based adsorbents to remove pollutants in water and wastewater. J. Mol. Liq. 2018. 269: 855. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2018.08.104

6. Shan B., Chudasma U. Kinetics, thermodynamics and metal separation studies of transition (Co2+ , Ni2+, Cu2+, Zn2+) and heavy metal ions (Cd2+, Hg2+, Pb2+) using novel hybrid ion exchanger - Zirconium amino tris methylene phosphonic acid. Sep. Sci. Technol. 2018. 54(10): 1560. https://doi.org/10.1080/01496395.2018.1519580

7. Li J., Wang X., Zhao G., Chen Ch., Chai Z., Alsaedi A., Hayat T., Wang X. Metal-organic framework-based materials: superior adsorbents for the capture of toxic and radioactive metal ions. Chem. Soc. Rev. 2018. 47(7): 2322. https://doi.org/10.1039/C7CS00543A

8. Al-Shahrani H., Alakhras F., Al-Abbad E., AL-Mazaideh G., Hosseini-Bandegharaei A. Ouerfelli N. Sorption of cobalt (II) ions from aqueous solutions using chemically modified chitosan. Global NEST Journal. 2018. 20(3): 620. https://doi.org/10.30955/gnj.002804

9. Mansoor A., Khosravi F., Dehghan R. Application of hydrothermal and non-hydrothermal TiO2 nanoporous materials as new adsorbents for removal of heavy metal ions from aqueous system. J. Ultrafine Grained Nanostructured Materials. 2016. 49(1): 36.

10. Graca B., Zakrzewska D., Szymczychna B. Sorption of Cr, Pb, Cu, Zn, Cd, Ni and Co to nano-TiO2 in seawater. Water Sci. Technol. 2017. 77(1-2): 145. https://doi.org/10.2166/wst.2017.527

11. Mironyuk I., Tatarchuk T., Vasylyeva H., Gun'ko V.M., Mykytyn I. Effects of chemosorbed arsenate groups on the mesoporous titania morphology and enhanced adsorption properties towards Sr(II) cations. J. Mol. Liq. 2019. 282: 587. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.03.026

12. Mironyuk I., Tatarchuk T., Naushad M.,Vasylyeva H., Mykytyn I. Highly efficient adsorption of strontium ions by carbonated mesoporous TiO2. J. Mol. Liq. 2019. 285: 742. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.04.111

13. Mironyuk I.F., Chelyadyn V.L. Obtaining methods of titanium dioxide (review). Phys. Chem. Solid State. 2010. 11(4): 815. [in Ukrainian].

14. Mironyuk I.F., Chelyadyn V.L., Kotsyubynsky V.O., Myronyuk L.I. Structure and Morphology of TiO2 obtaining by Liquid-Phase TiCl4 hydrolisys. Phys. Chem. Solid State. 2011. 12(2): 416.

15. "Complexometric Titration." Sigma-Aldrich- Analytical Chromatography. Web. http://www.sigmaaldrich.com/analyticalchromatography/titration/complexometric-titration.html

16. Tran H.N., You S.-J., Hosseini-Bandegharaei A., Chao H.-P. Mistakes and inconsistencies regarding adsorption of contaminants from aqueous solutions: a critical review. Water Res. 2017. 120: 88. https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.04.014

17. Lagergren S., Sven K. About the theory of so-called adsorption of soluble substances. Vetenskapsakademiens Handlingar. 1898. 24(4): 1.

18. Nguen C., Do D.D. The Dubinin-Radushkevich equation and the underlying microscopic adsorption description. Carbon. 2001. 39: 1327. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00265-7

19. https://www.oecd-nea.org/janis

20. Figueiraa P., Lourençob M.A.O., Pereirac E, Gomesa J.R.B., Ferreirab P., Lopesa C.B. Periodic mesoporous organosilica with low thiol density - a safer material to trap Hg(II) from water. J. Environ. Chem. Eng. 2017. 5(5): 5043. https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.09.032

21. Tomul⁠ F., Arslan Y., Başoğlu F.T., Babuçcuoğlu⁠ Y., Tran H.N.⁠ Efficient removal of anti-inflammatory from solution by Fe-containing activated carbon: Adsorption kinetics, isotherms, and thermodynamics. J. Environ. Manag. 2019. 238: 296. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.02.088

22. Wanga Q., Lia J.Sh., Poona Ch.S. Recycling of incinerated sewage sludge ash as an adsorbent for heavy metals removal from aqueous solutions. J. Environ. Manag. 2019. 247: 509. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.06.115

23. Tran H.N., Leeb Ch.K., Nguyen T.V., Chaoa H.P. Saccharide-derived microporous spherical biochar prepared from hydrothermal carbonization and different pyrolysis temperatures: synthesis, characterization, and application in water treatment. Environ. Technol. 2017. 39(21):2747. https://doi.org/10.1080/09593330.2017.1365941

24. Itodo A.U., Itodo H.U. Sorption Energies Estimation Using Dubinin-Radushkevich and Temkin Adsorption Isotherms. Life Science Journal. 2010. 7(4): 31.

25. Atlas of Eh-pH diagrams Intercomparison of thermodynamic data bases Geological Survey of Japan Open File Report No. 419.

26. Mackay K.M., Mackay R.A., Henderson W. Introduction to modern inorganic chemistry. 5thedition. (Blackie Academic and professional, and imprint of Chapman and Hall, 2-6 Boundary Row, London SE1 8NH, UK, 1996).

27. Mansy M.S., Hassan R.S., Selim Y.T., Kenawy S.H. Evaluation of synthetic aluminum silicate modified by magnesia for the removal of 137Cs, 60Co and 152-154Eu from low level radioactive waste. Appl. Radiat. Isot. 2017. 130: 198. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2017.09.042

28. Yankovskaya V.S., Dovhyi I.I., Bezhin N.A., Milyutin V.V., Nekrasova N.A., Kapranov S.V., Shulgin V.F. Sorption of cobalt by extraction chromatographic resin on the base of di-(tert-butylbenzo)-18-crown-6. J. Radioanal. Nucl. Chem. 2018. 318(2): 1085. https://doi.org/10.1007/s10967-018-6090-z

29. Baldermann A., Criebacher C.A., Baldermann C., Purgstaller B., Letofsky-Papst I. Removal of barium, cobalt, strontium, and zinc from solution by natural and synthetic allophane adsorbents. J. Geosci. 2018. 8: 309. https://doi.org/10.3390/geosciences8090309

30. http://www.calculator.net/standard-deviation-calculator.html




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.04.446

Copyright (©) 2019 H. V. Vasylyeva, I. F. Mironyuk, I. M. Mykytyn