Адсорбція катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺ нанокомпозитами на основі Fe₃O₄

Досліджено адсорбційну здатність магнетиту та композитів складу Fe₃O₄/SiO₂, Fe₃O₄/TiO₂ і Fe₃O₄/Al₂O₃ щодо катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺. Вивчено ізотерми, кінетику та селективність адсорбції катіонів металів на поверхні синтезованих композитів. Показано вплив хімічного модифікування поверхні магнетиту...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
Hauptverfasser:	Кусяк, А.П., Петрановська, А.Л., Горбик, П.П.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України 2015
Schriftenreihe:	Поверхность
Schlagworte:	Наноматериалы и нанотехнологии
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148487
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Адсорбція катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺ нанокомпозитами на основі Fe₃O₄ / А.П. Кусяк, А.Л. Петрановська, П.П. Горбик // Поверхность. — 2015. — Вип. 7 (22). — С. 213-221. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-148487
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1484872025-02-09T16:57:41Z Адсорбція катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺ нанокомпозитами на основі Fe₃O₄ Adsorption of Zn²⁺, Cd²⁺ and Pb²⁺ cations by nanocomposites based on the Fe₃O₄ Адсорбция катионов Zn²⁺, Cd²⁺ и Pb²⁺ нанокомпозитами на основі Fe₃O₄ Кусяк, А.П. Петрановська, А.Л. Горбик, П.П. Наноматериалы и нанотехнологии Досліджено адсорбційну здатність магнетиту та композитів складу Fe₃O₄/SiO₂, Fe₃O₄/TiO₂ і Fe₃O₄/Al₂O₃ щодо катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺. Вивчено ізотерми, кінетику та селективність адсорбції катіонів металів на поверхні синтезованих композитів. Показано вплив хімічного модифікування поверхні магнетиту на адсорбційні властивості. Adsorption capacity of magnetite, Fe₃O₄/SiO₂, Fe₃O₄/TiO₂ and Fe₃O₄/Al₂O₃ composites towards Zn²⁺, Cd²⁺ and Pb²⁺ cations was studied. Adsorption isotherms, kinetics and cations selectivity on the surface of synthesized composites investigated. It was shown, that chemical modification of the magnetite surface have influence on adsorption properties. Исследована адсорбционная способность магнетита и композитов состава Fe₃O₄/SiO₂, Fe₃O₄/TiO₂ и Fe₃O₄/Al₂O₃ относительно катионов Zn²⁺, Cd²⁺ и Pb²⁺. Изучены изотермы, кинетика и селективность адсорбции катионов металлов на поверхности синтезированных композитов. Показано влияние химического модифицирования поверхности магнетита на адсорбционные свойства. 2015 Article Адсорбція катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺ нанокомпозитами на основі Fe₃O₄ / А.П. Кусяк, А.Л. Петрановська, П.П. Горбик // Поверхность. — 2015. — Вип. 7 (22). — С. 213-221. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 2617-5975 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148487 539.211:544.723 uk Поверхность application/pdf Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Наноматериалы и нанотехнологии Наноматериалы и нанотехнологии
spellingShingle	Наноматериалы и нанотехнологии Наноматериалы и нанотехнологии Кусяк, А.П. Петрановська, А.Л. Горбик, П.П. Адсорбція катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺ нанокомпозитами на основі Fe₃O₄ Поверхность
description	Досліджено адсорбційну здатність магнетиту та композитів складу Fe₃O₄/SiO₂, Fe₃O₄/TiO₂ і Fe₃O₄/Al₂O₃ щодо катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺. Вивчено ізотерми, кінетику та селективність адсорбції катіонів металів на поверхні синтезованих композитів. Показано вплив хімічного модифікування поверхні магнетиту на адсорбційні властивості.
format	Article
author	Кусяк, А.П. Петрановська, А.Л. Горбик, П.П.
author_facet	Кусяк, А.П. Петрановська, А.Л. Горбик, П.П.
author_sort	Кусяк, А.П.
title	Адсорбція катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺ нанокомпозитами на основі Fe₃O₄
title_short	Адсорбція катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺ нанокомпозитами на основі Fe₃O₄
title_full	Адсорбція катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺ нанокомпозитами на основі Fe₃O₄
title_fullStr	Адсорбція катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺ нанокомпозитами на основі Fe₃O₄
title_full_unstemmed	Адсорбція катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺ нанокомпозитами на основі Fe₃O₄
title_sort	адсорбція катіонів zn²⁺, cd²⁺ та pb²⁺ нанокомпозитами на основі fe₃o₄
publisher	Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Наноматериалы и нанотехнологии
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148487
citation_txt	Адсорбція катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺ нанокомпозитами на основі Fe₃O₄ / А.П. Кусяк, А.Л. Петрановська, П.П. Горбик // Поверхность. — 2015. — Вип. 7 (22). — С. 213-221. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.
series	Поверхность
work_keys_str_mv	AT kusâkap adsorbcíâkatíonívzn2cd2tapb2nanokompozitaminaosnovífe3o4 AT petranovsʹkaal adsorbcíâkatíonívzn2cd2tapb2nanokompozitaminaosnovífe3o4 AT gorbikpp adsorbcíâkatíonívzn2cd2tapb2nanokompozitaminaosnovífe3o4 AT kusâkap adsorptionofzn2cd2andpb2cationsbynanocompositesbasedonthefe3o4 AT petranovsʹkaal adsorptionofzn2cd2andpb2cationsbynanocompositesbasedonthefe3o4 AT gorbikpp adsorptionofzn2cd2andpb2cationsbynanocompositesbasedonthefe3o4 AT kusâkap adsorbciâkationovzn2cd2ipb2nanokompozitaminaosnovífe3o4 AT petranovsʹkaal adsorbciâkationovzn2cd2ipb2nanokompozitaminaosnovífe3o4 AT gorbikpp adsorbciâkationovzn2cd2ipb2nanokompozitaminaosnovífe3o4
first_indexed	2025-11-28T05:20:55Z
last_indexed	2025-11-28T05:20:55Z
_version_	1850010255203762176
fulltext	Поверхность. 2015. Вып. 7(22). С. 213–221 213 УДК 539.211:544.723 АДСОРБЦІЯ КАТІОНІВ Zn2+, Cd2+ та Pb2+ НАНОКОМПОЗИТАМИ НА ОСНОВІ Fe3O4 А.П. Кусяк1, А.Л. Петрановська2, П.П. Горбик2 1Житомирський державний університет ім. Івана Франка, вул. В.Бердичівська 40, Житомир 10008, Україна, e-mail: a_kusyak@ukr.net 2Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка Національної академії наук України, вул. Генерала Наумова 17, Київ 03164, Україна, e-mail: pgorbyk@mail.ru Досліджено адсорбційну здатність магнетиту та композитів складу Fe3O4/SiO2, Fe3O4/TiO2 і Fe3O4/Al2O3 щодо катіонів Zn2+, Сd2+ та Pb2+ Вивчено ізотерми, кінетику та селективність адсорбції катіонів металів на поверхні синтезованих композитів. Показано вплив хімічного модифікування поверхні магнетиту на адсорбційні властивості. Вступ Нанохімічні процеси синтезу поліфункціональних нанокомпозитів, модифікування поверхні наночастинок, вивчення адсорбційних властивостей магніточутливих матеріалів та використання магнітокерованих адсорбентів - є одним із актуальних напрямків сучасної нанотехнології [1–3]. Катіони важких металів залишаються одними з найнебезпечніших забруднювачів, а проблема їх вилучення не втрачає актуальності і потребує подальших досліджень. Сучасні літературні дані свідчать про перспективність застосування магнетиту та композитів на його основі як магніточутливих адсорбентів катіонів важких металів [4–8]. Такі композити, проявляючи високу сорбційну ємність, можуть керуватись магнітним полем, а стадія відокремлення відпрацьованого сорбенту може бути виконана методом магнітної сепарації [9-11]. Метою досліджень було вивчення адсорбційних властивостей щодо іонів Zn2+, Cd2+ та Pb2+ нанорозмірного магнетиту (Fe3O4) та нанокомпозитів на його основі, що були утворені модифікуванням поверхні магнетиту тетраетоксисиланом (Fe3O4/SiO2), н- бутилортотитанатом (Fe3O4/TiO2) і ізопропілатом алюмінію (Fe3O4/Al2O3) та встановлення перспективності використання досліджених наноструктур для технічних та екологічних застосувань. Експериментальна частина Синтез нанорозмірного магнетиту. Високодисперсний магнетит синтезували за реакцією Елмора [12]. Для створення магнітних носіїв використовували фракцію частинок магнетиту усередненого розміру ~15-30 нм, які є переважно однодоменними. Питома поверхня дослідних зразків становила S=105 м2/г. Синтез нанокомопозитів Fe3O4/SiO2. Для модифікування поверхні магнетиту обрано тетраетоксисилан. Структура кінцевих продуктів полімеризації при його перетвореннях в значній мірі залежить від умов проведення синтезу: температури, рН середовища, перемішування, наявності каталізаторів тощо. Синтез нанокомпозиту здійснювали методом адсорбційного модифікування поверхні полімером [13]. Приєднання модифікатора відбувається в результаті утворення водневих зв’язків між силанольною групою модифікатора і гідроксильною групою поверхні магнетиту з подальшою молекулярною конденсацією з утворенням силоксанового покриття Si-O-Si за механізмом полімолекулярної конденсації. 214 Синтез нанокомопозитів Fe3O4/ТiO2 Методика синтезу нанокомопозитів Fe3O4/TiO2 ґрунтується на реакції гідролізу н-бутилортотитанату та наступній конденсації продуктів гідролізу з утворенням полімерної сітки Ti-O-Ti. Гідроліз проходить достатньо швидко. Ступінь полімеризації і будова полімерів в значній мірі залежить від співвідношення ортотитанату та води, яка потрібна для досягнення бажаного ступеня гідролізу, умов синтезу гідролізу, наявності каталізаторів тощо [14]. Синтез нанокомопозитів Fe3O4/Al2O3 Хімічне модифікування поверхні наночастинок магнетиту проводили рідиннофазовим способом – ізопропілатом алюмінію (C3H7O)3Al в ізопропіловому спирті [15]. В результаті реакції поліконденсації поверхня магнетиту набуває амфотерного характеру за рахунок Al-O(H)-груп. Модифікування поверхні синтезованих зразків підтверджено методом інфрачервоної спектроскопії з Фур’є-накопиченням (спектрометр “Perkin Elmer”, модель 1720Х, діапазон 400 – 4000 см-1). Дослідження адсорбції катіонів Zn2+, Сd2+ та Pb2+на поверхні наноструктур. Дослідження адсорбційних властивостей сорбентів від рН здійснювались у динамічному режимі за кімнатної температури у ацетатно-аміачному буфері. рН- потенціометричні вимірювання проводили на приладі І-160М. Наважки сорбентів (0,03 г) заливали розчинами солей ZnCl2, або CdСl2, або Pb(NO3)2 об’ємом V = 5 мл в діапазоні рН 4,5 – 10,0. Використовували розчини з концентраціями солей СZn = 94,2 мг/л, СCd = 80,0 мг/л та СPb = 50,0 мг/л. Адсорбційну ємність (А) на поверхні вихідного та модифікованого магнетиту щодо катіонів визначали вимірюванням концентрацій іонів у розчинах до і після адсорбції із застосуванням атомно-абсорбційного методу (спектрофотометр С - 115 М, полум’яна суміші ацетилен-повітря). Для побудови ізотерм готували розчини з концентраціями Zn2+ = 10 – 200 мг/л, Cd2+ = 2 – 250 мг/л та Pb2+ = 5 – 250 мг/л. Адсорбцію здійснювали у динамічному режимі за кімнатної температури у ацетатно-аміачному буфері, при наважці 0.03 г, V = 5 мл, протягом 3 годин. Розчин відділяли декантацією з використанням постійного магніту. Ємність адсорбенту А (мг/г) розраховували за формулою: А = (С0-Сp)·V/g , де А - величина адсорбції, мг/г; Co - концентрація вихідного розчину, мг/л; Сp – рівноважна концентрація розчину після адсорбції, мг/л; V – об’єм розчину, л; g – наважка адсорбенту, г. Коефіцієнти розподілу Ε (мл/г) катіонів (між поверхнею нанокомпозитів та розчином) розраховували за формулою Е = А/Ср, ступінь вилучення (R) – за формулою R, % = [(С0 – Ср)/ С0]·100. Кінетику адсорбції катіонів досліджували на синтезованих зразках сорбентів за схемою: наважки адсорбенту (0,03 г) заливали розчином СZn = 91,0 мг/л, СCd = 267,0 мг/л, С Pb = 44,1 мг/л, V = 5 мл і через певний час вимірювали оптичну густину на атомно-адсорбційному спектрофотометрі та відповідно фіксували Срівн. за калібрувальним графіком. Дослідження десорбції з поверхні синтезованих зразків здійснювали в інтервалі 15–180 хв. Селективність адсорбції на поверхні синтезованих композитів кожного катіона досліджували у присутності іншого. Визначали адсорбцію Zn2+ у присутності іонів Cd2+ різної концентрації, та навпаки, адсорбцію Cd2+ у присутності іонів Zn2+ різної концентрації. По такій же схемі досліджували наступні пари розчинів Zn2+ / Pb2+ та Pb2+ / Zn2+, Cd2+ / Pb2+ та Pb2+ / Cd2+ з концентрацією: 215 - С Zn = 8 мг/л та з С Сd 2+ = 4, 8, 40, 200, 300, 400 мг/л; - С Сd = 5 мг/л та з С Zn 2+ = 0,2, 0,4, 4, 20,30, 40 мг/л; - С Zn = 8 мг/л та з С Pb 2+ = 1, 5, 20, 100, 150, 200 мг/л; - С Pb = 5,5 мг/л та з С Zn 2+ = 2, 4, 20, 100, 150, 200 мг/л; - С Сd = 5 мг/л та з С Pb 2+ = 0,2, 1, 4, 20, 30, 40 мг/л; - С Pb = 5,5 мг/л та з С Сd 2+ = 2, 4, 20, 100, 150, 200 мг/л. За вихідну концентрацію кожного іона брали концентрацію, яка за даних умов проведення експерименту (g = 0,03 г; V = 5 мл) відповідає максимальному ступеню його вилучення. Розчини готувались у ацетатно-аміачному буфері рН = 7,5. Результати та обговорення Для модифікування поверхні наночастинок магнетиту використовували покриття, відомі своєю біосумісністю із середовищем живого організму, зокрема, тетраетоксисилан, н-бутилортотитанат та ізопропілат алюмінію. Для дослідження адсорбційних характеристик поверхні нанокомпозитів синтезовано наступні зразки: Fe3O4, Fe3O4/SiO2, Fe3O4/ТіО2, Fe3O4/Al2О3. Для підтвердження наявності модифікованого шару на поверхні магнетиту, зразки тестували методом ІЧ-спектроскопії, поверхня модифікованих зразків є аморфною. Результати дослідження залежності адсорбції катіонів на поверхні синтезованих нанокомпозитів від рН розчинів наведено на рис. 1 а, б, в. 5 6 7 8 9 10 0 4 8 12 16 pH 1 2 3 4 A ,м г/ г 5 6 7 8 9 10 11 0 2 4 6 8 10 12 14 pH A ,м г/ г 1 2 3 4 4 6 8 2 4 6 8 pH 1 2 3 4 A ,м г/ г а – Zn2+ б – Cd2+ в – Pb2+ Рис. 1. Залежность адсорбції катіонів металів на поверхні синтезованих композитів від рН, де: 1 – Fe3O4, 2 – Fe3O4/SiO2, 3 – Fe3O4/TiO2, 4 – Fe3O4 /Al2O3. Експериментальні дані свідчать, що максимальні значення ємностей Zn2+ спостерігаються при рН = 7,0 – 7,6, а для поверхні Fe3O4/TiO2 діапазон рН розширений до 7,0 – 9,0. Для всіх поверхонь максимальні ємності іонів Cd2+ спостерігаються при рН = 7,0 – 8,5. При зсуві рН в кислу або лужну сторону відзначається зменшення адсорбційної ємності. Поверхня композиту Fe3O4/TiO2 вирізняється значною перевагою адсорбції щодо катіонів Cd2+ . Максимальні значення ємностей іонів Pb2+ для всіх поверхонь спостерігаються при рН = 7,1. Для поверхні Fe3O4/TiO2 характерні високі показники адсорбційної ємності при широкому діапазоні pH. Характерне збільшення адсорбційної ємності в діапазоні pH 3-4, властиве для адсорбції іонів свинцю. Підвищення pH понад 7,5 216 призводить до утворення Pb(OH)2, який існує в розчині у вигляді колоїду. Тому, дослідження адсорбції іонів Pb2+ в діапазоні pH вище 7,5 – 8,0 недоцільне. Кінетичні дослідження (рис. 2 а, б, в,) свідчать, що суттєва зміна швидкості насичення поверхні щодо катіонів Zn2+ спостерігається на композитах Fe3O4/TiO2 (рис. 2а, крива 3,). Максимум ємності на модифікованих поверхнях досягається вже за перших 15 хвилин, в той час, насичення немодифікованого магнетиту досягається за 90 – 120 хвилин. 0 30 60 90 120 150 0 4 8 12 час, хв А ,м г/ г 1 2 3 4 0 30 60 90 120 150 180 0 2 4 6 8 10 час, хв А ,м г/ г 1 2 3 4 0 30 60 90 120 150 180 0 2 4 6 8 час, хв А ,м г/ г 1 2 3 4 а – Zn2+ б – Cd2+ в – Pb2+ Рис. 2. Кінетика адсорбції катіонів металів на поверхні нанокомпозитів, де: 1 – Fe3O4, 2 – Fe3O4/SiO2, 3 – Fe3O4/TiO2, 4 – Fe3O4 /Al2O3. Адсорбція катіонів Cd2+, адсорбція на поверхнях Fe3O4/TiO2, Fe3O4/Al2O3 та Fe3O4 відбувається тривалий час (рис. 2б, криві 1, 3, 4), поверхня Fe3O4/SiO2 виходить на насичення в інтервалі 90 – 120 хв. (рис. 2б, крива 2). Максимуми адсорбції катіонів Pb2+ досягаються за 15 хв., крім поверхонь композитів, модифікованих ТЕОС (рис. 2в, крива 2). Для побудови ізотерм використовували розчини солей ZnCl2, CdСl2, Pb(NO3)2. Результати наведені на рис. 3 а, б, в. 0 20 40 60 80 100 120 140 0 4 8 12 16 C,мг/л 1 2 3 4 А ,м г/ г 0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 C,мг/л А ,м г/ г 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 8 16 24 32 40 1 2 3 4 C,мг/л А ,м г/ г а – Zn2+, рН = 7,5 б – Cd2+, рН = 7,5 в – Pb2+, рН = 7,5 Рис. 3. Ізотерми адсорбції катіонів металів на поверхні композитів, де: 1 – Fe3O4, 2 – Fe3O4/SiO2, 3 – Fe3O4/TiO2, 4 – Fe3O4 /Al2O3. 217 Ізотерми адсорбції катіонів Zn2+ на поверхні досліджених композитів вказують, що зростання рівноважної концентрації Zn2+- іонів призводить до адсорбційного насичення поверхні адсорбентів. Можна відзначити значну адсорбційну активність нанорозмірного немодифікованого магнетиту. Модифікування поверхні збільшує адсорбційну ємність (рис. 2а, криві 2, 3, 4). У нанокомпозитів Fe3O4/TiO2 спостерігаєься Аmax = 16,3 мг/г без виходу на насичення в межах досліджених концентрацій. Також високі показники виявила поверхня композиту Fe3O4/Al2O3, Аmax складає 13,01 мг/г з виходом на насичення (рис. 2а, крива 4). На ізотермах адсорбції катіонів Cd2+ спостерігається аналогічна тенденція. Найвищі показники адсорбційної ємності відзначаються на поверхні композиту Fe3O4/TiO2, Аmax дорівнює 26,5 мг/г без виходу на насичення в межах досліджених концентрацій (рис. 2б, крива 3). Ізотерми іонів Pb2+, в умовах досліджених концентрацій, проявляють високі адсорбційні властивості немодифікованого магнетиту та поверхні нанокомпозиту Fe3O4/TiO2 (рис. 2в, крива 1, 3). Високі адсорбційні показники поверхні Fe3O4/TiO2 щодо всіх досліджених катіонів, імовірно, пов’язані зі зростанням питомої поверхні до 140 – 145 м2/г покриття; для порівняння: Fe3O4/SiO2 – 125 – 130 м2/г, Fe3O4/Al2O3 – 110 м2/г. За кривими ізотерм були обчислені значення адсорбції А, мг/г (за катіонами Zn2+, Cd2+, Pb2+), коефіцієнти розподілу (Ε, мл/г) та ступені вилучення (R, %) наноструктур з різною хімічною природою поверхні. У табл. 1 надані максимальні значення адсорбції в межах досліджених концентрацій, та відповідні їм коефіцієнти розподілу. Таблиця 1. Адсорбційні характеристики синтезованих наноструктур з різною хімічною природою поверхні щодо катіонів Zn2+, Cd2+ та Pb2+ (С0 Zn = 206 мг/л, С0 Cd = 267 мг/л,; С0 Pb = 249 мг/г, g = 30 мг, V = 5 мл). Адсорбція А, мг/г Коефіцієнт розподілу Е, мл/г Тип наноструктури Zn2+ Cd2+ Pb2+ Zn2+ Cd2+ Pb2+ Fe3O4 12,5 8,4 31,5 102 38,5 523,8 Fe3O4/SiO2 12,6 7,5 20,0 103 34,1 152,7 Fe3O4/TiO2 16,3 26,7 41,1 166 250,0 18108,7 Fe3O4/Al2O3 10,4 13,0 30,2 108 68,0 448,7 Високі дані адсорбції виявила поверхня Al2O3 та немодифікований магнетит. Найвищі показники для всіх дослідних катіонів зафіксовані на поверхні композита Fe3O4/TiO2, що може бути обумовлено пористою структурою поверхні полімерного шару. Про це свідчить форма відповідної ізотерми. Розрахунки ступеня вилучення показали залежність природи поверхні від катіонів та концентрації розчинів. В межах концентрацій до 75 мг/л, високий відсоток вилучення катіонів Zn2+ (95 – 99%) показують усі модифіковані поверхні, вилучення іонів Cd2+ з таким % виявляє тільки поверхня композита Fe3O4/TiO2. За підвищенням концентрації до ~ 250 мг/л вилучення цих катіонів повільно знижується до 40 – 50%. Ступінь вилучення іонів Pb2+ дуже високий на всіх поверхнях, навіть при високих концентраціях. Вивчення десорбції катіонів з поверхні нанокомпозитів у дистильовану воду показано на рис. 4 а, б, в. Вивільнення катіонів Zn2+ проходить повільно за тривалий час, з поверхні Fe3O4/TiO2 ~ 30% впродовж 3 год, а десорбція іонів Cd 2+ практично не відбувається впродовж 1 год. Іони Pb2+ – зовсім не десорбуються. 218 0 30 60 90 120 150 180 6 9 12 1 2 3 4 А ,м г/ г час, хв 0 20 40 60 80 100 120 140 160 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 час, хв А , м г/ г 0 30 60 90 120 150 10 11 12 13 1 2 3 4 час хв А , м г/ г а – Zn2+ б – Cd2+ в – Pb2+ Рис. 4. Десорбція катіонів металів з поверхні композитів, де: 1 – Fe3O4, 2 – Fe3O4/SiO2, 3 – Fe3O4/TiO2, 4 – Fe3O4 /Al2O3. Проблему вилучення катіонів Zn2+, Cd2+ та Pb2+ на поверхні синтезованих композитів розглядали також із суміші їх розчинів. При вивченні селективності адсорбції досліджених катіонів визначено, що найменший вплив конкуруючих іонів Cd2+ на адсорбцію іонів Zn2+ спостерігається для нанорозмірного Fe3O4 та композита Fe3O4/Al2O3. Достатньо високі показники ступеня вилучення спостерігаються для нанокомпозитів Fe3O4/SiO2 – в межах 60%, та нанокомпозита Fe3O4/TiO2 – в межах 84%. Для Fe3O4 введення іонів Zn2+ до співвідношення 1:1 суттєво не впливає на адсорбцію іонів Cd2+. Ступінь вилучення (R%) залишається в межах 91%, при сталих показниках ємності поверхні сорбенту (А мг/г). Подальше збільшення концентрації Zn2+ різко зменшує показники ступеня вилучення до 40 – 50% при незначному зменшенні показника адсорбційної ємності до 0,4 – 0,5 мг/г. Для композиту Fe3O4/SiO2 спостерігається така ж тенденція – зі збільшенням концентрації Zn2+ відбувається зменшення R – з 71 до 53%, не змінюються тільки показник ємності поверхні сорбенту (А мг/г), що залишається в межах 0,5 мг/г. Для адсорбції іонів Cd2+ на розглянутих поверхнях найбільший конкуруючий вплив іонів Zn2+ виявляється для Fe3O4 – зниження показників ступеня вилучення R%, ємності поверхні А мг/г. Для композита Fe3O4/ТiO2, характерна відносна сталість усіх показників, як то ступеня вилучення R% – в межах 95 %, адсорбційної ємності – в межах 0,8 мг/г. Для поверхні Fe3O4/Al2O3 спостерігаються достатньо стійкі значення показника сорбційної ємності поверхні незалежно від концентрації іонів Zn2+, а також ступеня вилучення R% в межах 80% при концентраційних співвідношеннях 1:0,05; 1:0,1; 1:1. Подальше збільшення концентрації Zn2+ призводить до зменшення R до 59,8% . Внесення в розчин іонів Cd2+ для композита Fe3O4/Al2O3, характеризується значним підвищенням R% до 99,8% порівняно з розчином чистого іона Pb2+. Показник А характеризується відносною сталістю в межах 0,4 мг/г. При сумісному знаходженні іонів Pb2+ та Zn2+ спостерігається незначне підвищення ступеня вилучення іонів Pb2+ при співвідношеннях концентрацій Pb2+ / Zn2+ 1:0,3; 1:0,6. При подальшому збільшенні концентрацій іонів Zn2+, до співвідношення іонів Pb2+ / Zn2+ 1:30 відбувається зменшення величини R% до 95,5. Величина абсорбційної ємності залишається відносно сталою, незалежно від концентраційних співвідношень. Збільшення концентрації іонів Zn2+ не призводить до суттєвих змін в адсорбції іонів Pb2+ на поверхні Fe3О4/SiO2. Ступінь вилучення R% = 99,3 – 98,5%. 219 Нанокомпозити складу Fe3О4/ТiO2 зберігають високі показники ступеня вилучення іонів 99,6 – 98,4%. При відносно сталих показниках А спостерігається незначне зменшення ступеня вилучення іонів Pb2+ при зростанні концентрації іонів Zn2+. Для нанокмпозита Fe3О4/Al2O3 вилучення іонів Pb2+ залишається в межах 99% незалежно від концентрації іонів Zn2+ . Результати цього дослідження підтверджують вплив поверхні композита на адсорбцію іонів металів, але найкращі адсорбційні властивості притаманні сорбенту Fe3О4/ТiO2. Адсорбційну активність поверхні кожного синтезованого композита вивчали із суміші розчинів солей іонів Pb2+, Zn2+, Cd2+. Адсорбцію кожного катіону на поверхні композитів досліджували при концентраціях, що відповідають максимальному ступеню вилучення і максимальному показнику адсорбції. На рис. 5 а, б, в показано залежність ступеня вилучення від хімічної природи поверхні композитів, але у всіх випадках R знаходиться в межах 95 – 99%. 1 2 3 4 98,6 98,8 99,0 99,2 99,4 99,6 99,8 100,0 R,% тип поверхні 1 2 3 4 94 95 96 97 98 99 100 тип поверхні R,% 1 2 3 4 94 95 96 97 98 тип поверхні R,% а – Zn2+ б – Cd2+ в – Pb2+ Рис. 5. Залежність ступеня вилучення R% катіонів від хімічної природи поверхні композита: 1 – Fe3O4, 2 – Fe3O4/SiO2, 3 – Fe3O4/TiO2, 4 – Fe3O4 /Al2O3. Дослідження процесів адсорбції показало, що синтезовані сорбенти мають високу ступінь вилучення іонів важких металів (до 99%) при окремому та сумісному знаходженні у розчинах в межах концентрацій до 75 мг/л за умов експерименту (g = 0,05 г, V = 5 мл). Конкуруючий вплив домішаних іонів знижує R% до 90% – 80% на окремих поверхнях. Одержані результати можуть бути використані в розробках адсорбентів медико- біологічного і технічного призначення, зокрема, для вилучення катіонів Zn2+, Cd2+, Pb2+. Висновки Синтезовано магніточутливі нанокомпозити Fe3O4/SiO2, Fe3O4/TiO2 і Fe3O4/Al2O3 на основі однодоменного магнетиту. Вивчено вплив поверхні композитів на адсорбцію іонів важких металів, ступінь вилучення іонів становив 95–99%. Найвищі адсорбційні характеристики та незалежність вилучення іонів при конкуруючих домішках, показала поверхня Fe3О4/ТiO2 для всіх досліджених іонів. Експериментальні результати свідчать, що синтезовані нанокомпозити можуть бути перспективними для створення адсорбентів медико-біологічного, технічного і екологічного призначення. 220 Література 1. Roco M. C., Williams R. S., Alivisatos P., Nanotechnology research directions. Vision for Nanotechnology R&D in the Next Decade. // Dordrecht: Kluwer Academic Publishers – 2002. – V. 156. – Р. 171 . 2. Petrova T. M., Fachikov L., Hristov. Y. The Magnetite as Adsorbent for Some Hazardous Species from Aqueous Solutions: International Review of Chemical Engineering (I.RE.CH.E.), -V. 3, -N. 2. March 2011. 3. Luciano Carlos, Fernando S. García Einschlag, Mónica C. González, Daniel O. Applications of Magnetite Nanoparticles for Heavy Metal Removal from Wastewater. Waste Water - Treatment Technologies and Recent Analytical Developments. 2013. http://dx.doi.org/10.5772/54608 4. Emadi M., Shams E., Amini M.. Removal of Zinc from Aqueous Solutions by Magnetite Silica Core-Shell Nanoparticles. Journal of Chemistry, – V. 2013 (2013), Article ID 787682, 10 pages http://dx.doi.org/10.1155/2013/787682 5. Wen-Juan Li, Xian-Zhi Yao, Zheng Guo, Jin-Huai Liu, Xing-Jiu Huang. Fe3O4 with novel nanoplate-stacked structure: Surfactant-free hydrothermal synthesis and application in detection of heavy metal ions, Journal of Electroanalytical Chemistry, – V. 749, 15 July 2015, – P. 75-82, ISSN 1572-6657, http://dx.doi.org/10.1016/j.jelechem.2015.04.038. (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1572665715002180) 6. Weichun Yanga, Amy T. Kanb, Wei Chena, Mason B. Tomson. pH-dependent effect of zinc on arsenic adsorption to magnetite nanoparticles. Chemical Engineering Journal, – V. 219, 1 March 2013, – P. 209-216, ISSN 1385-8947, http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2013.01 .022 7. Hoang Vinh Tran, Lam Dai Tran, Thinh Ngoc Nguyen, Preparation of chitosan/magnetite composite beads and their application for removal of Pb(II) and Ni(II) from aqueous solution, Materials Science and Engineering: C, – V. 30, Issue 2,30 January 2010, – P. 304-310, ISSN 0928-4931, http://dx.doi.org/10.1016/j.msec.2009.11.008. (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0928493109002999) 8. Hassan Karami, Heavy metal removal from water by magnetite nanorods. Chemical Engineering Journal 219 (2013) 209–216. http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2013.01.022. 9. Наноматериалы и нанокомпозиты в медицине, биологии, экологии. Под ред. А.П. Шпака, В.Ф. Чехуна. Составители Горбик П.П., Туров В.В. – К.: Наукова думка, 2011. – С . 443. 10. Advances in Semiconductor Research: Physics of Nanosystems, Spintronics and Technological Applications. Nova Science Publishers, New York. – 2014. – 307 p. Chapter 9. Magnetosensitive Nanocomposites with Functions of Medico-Biological Nanorobots: Synthesis and Properties. – P. 161-198. (P.P. Gorbyk, L.B. Lerman, A.L. Petranovska and S.P. Turanska, O.O. Chuiko Institute of Surface Chemistry of NAS of Ukraine). 11. Туранская С.П., Каминский А.Н., Кусяк Н.В., Туров В.В., Горбик П.П. Синтез, свойства и применение магнитоуправляемых адсорбентов// Поверхность. Сб.науч. тр. – 2012. – Вып. 4(19), – С. 266-292. 12. Свідоцтво про реєстрацію авторського права № 46056 «Тимчасовий технологічний регламент на виробництво речовини «Магнетит У» ТТР 03291669.012:2012», Горбик П.П., Абрамов М.В., Петрановська А.Л., Турелик М.П., Васильєва О.А., зареєстровано в державній службі інтелектуальної власності України 17.10.2012. 221 13. Семко Л.С., Горбик П.П., Сторожук Л.П., Дзюбенко Л.С., Дубровін І.В., Оранська О.І. Модифікування магнетиту диоксидом кремнію // Фізика і хімія твердого тіла. – 2007. – Т.8, № 3. – С.526 – 532. 14. Семко Л.С., Горбик П.П., Чуйко О.О., Сторожук Л.П., та інш. Модифікування магнетиту діоксидом титану та властивості одержаних нанокомпозитів // Доповіді НАН України. – 2007. - №2. – С. 150-157. 15. Петрановская А.Л., Усов Д.Г., Абрамов М.В., Демченко Ю.О., Кордубан О.М.. Модифицирование поверхности нанокристаллического магнетита изопропилатом алюминия. Химия, физика и технология поверхности: Межвед. Сб. Науч. Тр. / Ин- т химии поверхности им. А.А. Чуйко НАН Украины;.- К.:Наукова думка, 2007.- Вып. 13. – С. 310-321. АДСОРБЦИЯ КАТИОНОВ Zn2+, Cd2+ и Pb2+ НАНОКОМПОЗИТАМИ НА ОСНОВІ Fe3O4 А.П. Кусяк1, А.Л. Петрановская2, П.П. Горбик2 1Житомирский государственный университет им. Ивана Франко, ул. В.Бердичевская 40, Житомир 10008, Украина, e-mail: a_kusyak@ukr.net 2Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины, ул. Генерала Наумова 17, Киев 03164, Украина, e-mail: pgorbyk@mail.ru Исследована адсорбционная способность магнетита и композитов состава Fe3O4/SiO2, Fe3O4/TiO2 и Fe3O4/Al2O3 относительно катионов Zn2+, Сd2+ и Pb2+. Изучены изотермы, кинетика и селективность адсорбции катионов металлов на поверхности синтезированных композитов. Показано влияние химического модифицирования поверхности магнетита на адсорбционные свойства. ADSORPTION OF Zn2+, Сd2+ AND Pb2+ CATIONS BY NANOCOMPOSITES BASED ON THE Fe3O4 A.P. Kusyak1, A.L. Petranovska2, P.P. Gorbyk2 1Zhytomyr State University named after Ivan Franko, V. Berdichevska str. 40, 10008, Zhytomyr, Ukraine, e-mail: a_kusyak@ukr.net 2Chuіko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine 17 General Naumov Str., Kyiv, 03164, Ukraine, e-mail: pgorbyk@mail.ru Adsorption capacity of magnetite, Fe3O4/SiO2, Fe3O4/TiO2 and Fe3O4/Al2O3 composites towards Zn2+, Сd2+ and Pb2+ cations was studied. Adsorption isotherms, kinetics and cations selectivity on the surface of synthesized composites investigated. It was shown, that chemical modification of the magnetite surface have influence on adsorption properties.

Адсорбція катіонів Zn²⁺, Cd²⁺ та Pb²⁺ нанокомпозитами на основі Fe₃O₄

Institution

Ähnliche Einträge