Адсорбція катіонів важких металів на поверхні нанорозмірного магнетиту
The adsorption properties of nanosized magnetite concerning cations of heavy metals are studied. The influence of surface modification of magnetite of γ-APTES on the extraction degree of metal cations is analyzed.
Saved in:
| Date: | 2011 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2011
|
| Online Access: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/441 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Surface |
| Download file: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291573397684224 |
|---|---|
| author | Kusyak, N. V. Kamіnskiy, O. M. Petranovska, A. L. Gorbyk, P. P. |
| author_facet | Kusyak, N. V. Kamіnskiy, O. M. Petranovska, A. L. Gorbyk, P. P. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "N. V. Kusyak",
"institution": "Житомирський державний університет імені Івана Франка"
},
{
"author": "O. M. Kamіnskiy",
"institution": "Житомирський державний університет імені Івана Франка"
},
{
"author": "A. L. Petranovska",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "P. P. Gorbyk",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
}
] |
| author_sort | Kusyak, N. V. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:38:50Z |
| description | The adsorption properties of nanosized magnetite concerning cations of heavy metals are studied. The influence of surface modification of magnetite of γ-APTES on the extraction degree of metal cations is analyzed. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:33:04Z |
| format | Article |
| fulltext |
Поверхность. 2011. Вып. 3(18). С. 151–155 151
УДК 539.211:544.723
АДСОРБЦІЯ КАТІОНІВ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ
НА ПОВЕРХНІ НАНОРОЗМІРНОГО МАГНЕТИТУ
Н.В. Кусяк1, О.М. Камінський1, А.Л. Петрановська2, П.П. Горбик2
1Житомирський державний університет імені Івана Франка
вул. В.Бердичівська, 40, Житомир, 10008, Україна
2Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
вул. Генерала Наумова, 17, Київ, 03164, Україна
Досліджено адсорбційні властивості нанорозмірного магнетиту щодо катіонів важких
металів. Проаналізовано вплив модифікування поверхні магнетиту γ-АПТЕС на ступінь
вилучення катіонів металів.
Вступ
Унікальні фізико-хімічні властивості, притаманні наночастинкам внаслідок
розмірних ефектів і квантових явищ, є об’єктом інтенсивних досліджень. Серед таких
властивостей особливе місце належить магнітним, оскільки існують чіткі відмінності
між їх проявом у об’ємних магнітних речовин та відповідними ансамблями
наночастинок [1]. Однією із сфер застосування синтезованих магнітних нанокомпозитів
є одержання адсорбційних бар’єрів для катіонів важких металів [2–6]. Перевагою таких
адсорбентів, на відміну від немагнітних, є те, що володіючи високою сорбційною
ємністю, вони можуть керуватись магнітним полем. Їх застосування суттєво спрощує
загальний адсорбційний процес, оскільки стадія відокремлення відпрацьованого
сорбенту може бути замінена магнітною сепарацією Серед речовин, що надають
магнітних властивостей синтезованим матеріалам, важливе місце належить магнетиту.
У відділі наноматеріалів Інституту хімії поверхні НАН України ім. О.О. Чуйка
розроблено методики одержання поліфункціональних магнітокерованих нанокомпозитів
на основі магнетиту [7, 8]. Шляхом модифікування поверхні магнетиту можна
підвищити адсорбційну ємність та селективність синтезованих композитів. Зокрема,
синтезовано магніточутливі нанокомпозити Fe3O4-SiO2, Fe3O4-ТіО2 та Fe3O4-ПАА [9].
Для амінометилювання мінеральних носіїв широко використовують такий модифікатор,
як γ-амінопропілтриетоксисилан (γ-АПТЕС) H2N-(CH2)3-Si(OC2H5)3 [10]. ]. Як свідчать
літературні дані, іммобілізація γ-амінопропілсилоксану (γ-АПС) на поверхні носія
підвищує адсорбційну ємність мінералів щодо органічних та неорганічних речовин,
зокрема катіонів важких металів. В роботі [11] досліджено адсорбцію Сu(ІІ) на
магнетиті, модифікованому γ-АПС та глутаральдегідом. Встановлено, що адсорбційна
рівновага настає через 15 хв, а максимальний ступінь вилучення відповідає рН розчину
4,0-5,3. Досліджено можливість повторного використання композиту.
Метою даної роботи було дослідження адсорбційних властивостей магнетиту
щодо катіонів важких металів, зокрема Pb2+, Сu2+, Со2+, Сd2+, а також впливу
модифікування його поверхні γ-АПС на адсорбційну ємність нанокомпозиту щодо
вказаних катіонів.
Експериментальна частина
Для синтезу магнетиту використовували метод Елмора:
2Fe3+ + Fe2+ + 8NH3 + 4H2O → Fe3O4 + 8NH4
+.
152
Синтезовані магнітні частинки округлої форми мали розмір 20–30 нм і питому
поверхню 90,0–180 м2/г (визначено за тепловою десорбцією аргону). Стабілізацію
магнетиту проводили олеїновою кислотою, кількість якої для різних зразків визначали за
їх питомою поверхнею. Одержаний золь осаджували в магнітному полі. Методами
рентгеноструктурного аналізу на дифрактометрі ДРОН-4-07 ідентифікована фаза Fe3O4
(рис.1), вивчені магнітні властивості магнетиту. Модифікацію поверхні наночастинок
магнетиту γ-АПС у толуолі здійснено рідиннофазним методом. γ-АПС перед
модифікуванням витримували над молекулярними ситами та очищували від олігомерів
перегонкою його у вакуумі.
Магнетит для модифікування, який також одержували співосадженням солей Fe+2
і Fe+3 гідроксидом амонію, перед модифікування витримували в 10% розчині γ-АПС в
толуолі протягом 8 год. Центрифугували, промивали толуолом, ацетоном і висушували
при кімнатній температурі (20°С). Кількість реакційноздатних аміногруп в
модифікованих зразках магнетиту визначали по реакції з 2, 4-пентандіоном в сухому
піридині. Вона складала 60% від загальної кількості аміногруп. ІЧ-Фур’є-спектри
реєстрували на спектрометрі “Perkin Elmer”. Смуги поглинання 1052 і 1108 см-1
відповідають утворенню полімерної структури, оскільки на поверхні магнетиту
відбувається гідролітична поліконденсація молекул модифікатора з утворенням
полімерної структури прищепленого шару модифікатора (рис. 2).
Рис. 1. Дифрактограма зразка вихідного
магнетиту.
Рис. 2. ІЧ-Фур’є спектр нанокомпозиту
Fe3O4/γ-АПС.
В результаті модифікування поверхня магнетиту набуває основних властивостей
за рахунок щеплення γ-амінопропільних груп. На поверхні магнетиту відбувається
реакція поліконденсації молекул модифікатора:
░|- OH + (C2H5O)3 Si (CH2)3NH2 → ░|- O- Si (CH2)3NH2+ 3C2H5OH.
Дослідження ізотерм адсорбції катіонів важких металів поверхнею
магнетиту. Розчини катіонів Pb2+, Сu2+, Со2+, Сd2+ з концентраціями від 10-3 до 1
ммоль/л готували із стандартних водних розчинів нітратних солей. Адсорбцію
здійснювали у статичному режимі при рН = 7,1 за кімнатної температури. рН-
потенціометричні вимірювання проводили на приладі І-160М. До 0,1 г сорбенту
додавали 15 мл розчину солі відповідної концентрації і струшували протягом 3 год,
потім розчин відфільтровували. Адсорбційну ємність (А) на поверхні вихідного та
модифікованого магнетиту визначали вимірюванням концентрації катіонів металів в
розчинах до і після адсорбції із застосуванням атомно-абсорбційного методу за
допомогою спектрофотометра С - 115 М у полум’яній суміші ацетилен-повітря.
153
Вимірювання проводили при довжинах хвиль 324,7 нм – для Cu2+, 283,3 нм – для Pb2+,
228,8 нм – для Cd2+, 240,7 нм – для Со2+ . Досліджували кінетичні закономірності
адсорбції катіонів металів на нанорозмірному магнетиті, а також вплив зміни рН
розчинів, для чого готували буферні розчини Cu2+ (0,11 ммоль/л) та Pb2+ (0,067
ммоль/л) з рН від 4 до 11.
Ємність сорбенту А (ммоль/г) розраховували за формулою
А = (С0-Сp)·10-3·V/m,
де С0 і Сp –концентрація вихідного розчину та розчину після сорбції (ммоль/л), V – об’єм
розчину (мл), m – наважка сорбенту (г). На основі одержаних результатів побудовані
початкові ділянки ізотерм сорбції катіонів та обчислені параметри, що характеризують
адсорбцію за рівнянням Ленгмюра.
Результати та обговорення
Одержані експериментальні результати свідчать про адсорбційну активність
поверхні магнетиту щодо катіонів Pb2+, Сu2+, Со2+, Сd2+ (рис. 3). Константи Аmax,
отримані з відповідних ізотерм адсорбції, для досліджених композитів при 298 К
знаходяться в межах 1,25·10-2 ммоль/г для Cu2+, 3,1·10-2 ммоль/г для Pb2+, 7,2·10-3
ммоль/г для Сd2+ та 8,6·10-3 ммоль/г для Со2+. Середнє значення ступеня вилучення
катіонів знаходиться в межах 87% для Cu2+, 93% – Pb2+, 50% - Cd2+ та 30% – Co2+. При
збільшенні концентрації розчинів ступінь вилучення закономірно зменшується.
Найкраще адсорбується Pb2+, найгірше – Co2+. Механізми адсорбції будуть вивчені нами
в подальшому.
Кількість використаної олеїнової кислоти як стабілізатора під час синтезу
високодисперсного магнетиту також впливає на адсорбцію катіонів. Так, зразки
магнетиту, під час синтезу яких використовували підвищену кількість олеїнової кислоти,
мають дещо вищу адсорбційну ємність щодо катіонів Pb2+, Сu2+, що, очевидно, пов’язано
із зростанням дисперсності синтезованого магнетиту. Аналіз отриманих кінетичних
даних свідчить, що основна частина Pb2+ адсорбується за перші 2 год, тоді як адсорбція
Cu2+ здійснюється протягом 3 год (рис. 4).
Рис. 3. Ізотерми адсорбції іонів Pb2+(1),
Cu2+ (2) та Cd2+ (3) Fe3O4.
Рис. 4. Кінетика вилучення катіонів
Pb2+(1) та Cu2+ (2) магнетитом.
При дослідженні впливу рН розчину на адсорбційні показники Fe3O4 встановлено,
що вилучення Pb2+ на магнетиті краще відбувається в діапазоні рН 6,5–8 (90–95%), тоді
як зменшення або підвищення рН розчинів зменшує адсорбційні можливості
синтезованого магнетиту (рис. 5). Щодо адсорбції Cu2+, то ступінь вилучення цього
катіону поступається попередньому, хоча вплив зміни рН має аналогічний характер, що і
154
для Pb2+. Так, магнетит максимально (на 85%) вилучає Cu2+ з розчину зі значенням рН
7-8, при рН = 10,3 – на 76%, а при рН 4,2 лише на 19%.
Ізотерми адсорбції катіонів Pb2+, Сu2+ та Cd2+ на магнетиті з модифікованою γ-
АПС поверхнею представлені на рис. 6.
Кінетичні дослідження свідчать, що основна частина катіонів на Fe3O4/γ-АПС
адсорбується вже за перші 40 хв. Експериментальні дані вказують на зростання
адсорбційної ємності магнетиту щодо катіонів після модифікування його поверхні
активними аміногрупами. Так, Аmax для Pb2+,Сu2+ та Cd2+ зростає до 0,048, 0,072 та
0,011 ммоль/г відповідно. Крім того, варто відзначити, що на Fe3O4 найкраще серед
досліджуваних катіонів адсорбується Pb2+, тоді як на Fe3O4/γ-АПС найкраще
поглинається Сu2+, що, можливо, пов’язано із утворенням на поверхні модифікованого
магнетиту стійких комплексів міді за участю аміногруп.
Рис. 5. Залежність ступеня вилучення
катіонів Pb2+(1) та Cu2+ (2)
магнетитом від рН розчину.
Рис. 6. Ізотерми адсорбції катіонів Cu2+
(1), Pb2+ (2) та Cd2+ (3) на Fe3O4/γ-
АПС.
Висновки
Методом співосадження з розчинів синтезовано магнетит, рідиннофазним
методом здійснено модифікування його поверхні γ-АПС у толуолі. Досліджено
адсорбційні властивості Fe3O4 та Fe3O4/γ-АПС щодо катіонів важких металів, зокрема
Pb2+, Сu2+, Со2+, Сd2+. Експериментальні дані свідчать про адсорбційну активність
поверхні як вихідного, так і модифікованого магнетиту стосовно досліджених катіонів.
Утворення на поверхні Fe3O4 активних NH2 груп призводить до зростання адсорбційної
ємності магніточутливих нанокомпозитів, особливо у випадку Сu2+.
Попередні результати свідчать про перспективність застосування магніточутливих
нанокомпозитів як адсорбентів катіонів важких металів. В подальшому планується
пошук шляхів оптимізації умов синтезу та модифікування поверхні нанокомпозитів з
метою покращення експлуатаційних параметрів магніточутливих адсорбентів.
Література
1. Shpak A.P., Gorbyk P.P. Nanomaterials and Supramolecular Structures. Physics,
Chemistry, and Applications. – Dordrecht Heidelberg London New York: Springer,
2009. – 425 р.
2. Tanwar K. S., Petitto S.C. Fe(II) adsorption on hematite (0 0 0 1) // Geochim. et
Cosmochim. Acta. – 2009. – V. 73, N 15. – P. 4346–4365.
3. Uheida A., Salazar A.G., Björkman E. Fe3O4 and γ-Fe2O3 nanoparticles for the
adsorption of Co2+ from aqueous solution // J. Colloid Interface Sci. – 2006. – V. 298,
N 2. – P. 501–507.
4. Wang Y. H., Lin S.H., Juang R.S. Removal of heavy metal ions from aqueous solutions using
various low-cost adsorbents // J. Hazard. Mater. – 2003. – V. 102, N 2–3. – P. 291–302.
http://www.sciencedirect.com/science/journal/00167037
http://www.sciencedirect.com/science/journal/00167037
http://www.sciencedirect.com/science/journal/00219797
http://www.sciencedirect.com/science/journal/03043894
155
5. Ren Y., Zhang M., Zhao D. Synthesis and properties of magnetic Cu(II) ion imprinted
composite adsorbent for selective removal of copper // Desalination. – 2008. – V. 228,
N 1–3. – P. 135–149.
6. Benjamin M. M., Leckie J. O. Competitive adsorption of Сd, Сu, Zn, and Рb on amorphous iron
oxyhydroxide // J. Colloid Interface Sci. – 1981. – V. 83, N 2. – P. 410–418.
7. Шпак А.П., Горбик П.П., Чехун В.Ф., Гречко Л.Г. Нанокомпозиты медико-
биологического назначения на основе ультрадисперсного магнетита // Физико-
химия наноматериалов и супрамолекулярных структур. – 2007. – Т. 2. – С. 10–45.
8. Семко Л.С., Сторожук П.П., Горбик П.П. Магнітні нанокомпозити Fe3O4/SiO2 та
імуносорбенти на їх основі // Хімія, фізика і технологія поверхні. – 2009. – № 15. –
С. 311–319.
9. Сторожук Л.П. Синтез та властивості полі функціональних магніточутливих Автореф.
дис… канд. хім. наук: 01.04.18/НАН України. Ін-т хімії поверхні. – 2007. – 21 с.
10. Бондарь Л.А., Абрамов Н.В., Мищенко В.Н., Горбик П.П. Синтез и свойства
композитов магнетит – полиаминопропилсилоксан // Коллоид. журн. – 2010. –
Т. 72, № 1. – С. 3–7.
11. Ozmen M., Can K. Adsorption of Cu(II) from aqueous solution by using modified Fe3O4
magnetic nanoparticles // Desalination. – 2010. – V. 254. – P. 162–169.
12. Петрухин О.М. Практикум по физико-химическим методам анализа. – Москва:
Химия, 1987. – 248 с.
АДСОРБЦИЯ КАТИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
НА ПОВЕРХНОСТИ НАНОРАЗМЕРНОГО МАГНЕТИТА
Н.В. Кусяк1, О.М. Каминский1, А.Л. Петрановская2, П.П. Горбик2
1Житомирский государственный университет имени Ивана Франко
ул. Б. Бердичевская, 40, Житомир, 10008, Украина
2Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины
ул. Генерала Наумова, 17, Киев, 03164, Украина
Исследованы адсорбционные свойства наноразмерного магнетита по отношению к
катионам тяжелых металов. Проанализировано влияние модифицирования поверхности
магнетита γ-АПТЭС на степень извлечения катионов металов.
ADSORPTION OF HEAVY METAL CATIONS ON THE SURFACE
OF NANOSIZED MAGNETITE
N.V. Kusyak1, O.M. Kamіnskiy1, A.L. Petranovska2, P.P. Gorbyk2
1Ivan Franko Zhytomyr State University
40 V.Berdychevska Str., Zhytomyr, 10008, Ukraine, nkusyak@ukr.net
2Chuіko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine
17 General Naumov Str., Kyiv, 03164, Ukraine
The adsorption properties of nanosized magnetite concerning cations of heavy metals are
studied. The influence of surface modification of magnetite of γ-APTES on the extraction degree of
metal cations is analyzed.
http://www.sciencedirect.com/science/journal/00119164
http://www.sciencedirect.com/science/journal/00219797
http://www.maikonline.com/maik/articleParamSearch.do?author=%D0%9B.+%D0%90.+%D0%91%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%B0%D1%80%D1%8C
http://www.maikonline.com/maik/articleParamSearch.do?author=%D0%9D.+%D0%92.+%D0%90%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BE%D0%B2
http://www.maikonline.com/maik/articleParamSearch.do?author=%D0%92.+%D0%9D.+%D0%9C%D0%B8%D1%89%D0%B5%D0%BD%D0%BA%D0%BE
http://www.maikonline.com/maik/articleParamSearch.do?author=%D0%9F.+%D0%9F.+%D0%93%D0%BE%D1%80%D0%B1%D0%B8%D0%BA
http://www.maikonline.com/maik/showJournal.do?juid=REO84X6PC
http://www.maikonline.com/maik/showJournal.do?juid=REO84X6PC
mailto:nkusyak@ukr.net
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-441 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-03-12T17:12:10Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/30/61744b2e4646caf2afedbb58e04a4c30.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-4412018-11-27T09:38:50Z Adsorption of heavy metal cations on the surface of nanosized magnetite Адсорбция катионов тяжелых металлов на поверхности наноразмерного магнетита Адсорбція катіонів важких металів на поверхні нанорозмірного магнетиту Kusyak, N. V. Kamіnskiy, O. M. Petranovska, A. L. Gorbyk, P. P. The adsorption properties of nanosized magnetite concerning cations of heavy metals are studied. The influence of surface modification of magnetite of γ-APTES on the extraction degree of metal cations is analyzed. Исследованы адсорбционные свойства наноразмерного магнетита по отношению к катионам тяжелых металов. Проанализировано влияние модифицирования поверхности магнетита γ-АПТЭС на степень извлечения катионов металов. Досліджено адсорбційні властивості нанорозмірного магнетиту щодо катіонів важких металів. Проаналізовано вплив модифікування поверхні магнетиту γ-АПТЕС на ступінь вилучення катіонів металів. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2011-08-29 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/441 Surface; No. 3(18) (2011): Surface; 151-155 Поверхность; № 3(18) (2011): Поверхность; 151-155 Поверхня; № 3(18) (2011): Поверхня; 151-155 3154-8091 3154-8083 uk https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/441/440 Авторське право (c) 2011 N.V. Kusyak, O.M. Kamіnskiy, A.L. Petranovska, P.P.Gorbyk |
| spellingShingle | Kusyak, N. V. Kamіnskiy, O. M. Petranovska, A. L. Gorbyk, P. P. Адсорбція катіонів важких металів на поверхні нанорозмірного магнетиту |
| title | Адсорбція катіонів важких металів на поверхні нанорозмірного магнетиту |
| title_alt | Adsorption of heavy metal cations on the surface of nanosized magnetite Адсорбция катионов тяжелых металлов на поверхности наноразмерного магнетита |
| title_full | Адсорбція катіонів важких металів на поверхні нанорозмірного магнетиту |
| title_fullStr | Адсорбція катіонів важких металів на поверхні нанорозмірного магнетиту |
| title_full_unstemmed | Адсорбція катіонів важких металів на поверхні нанорозмірного магнетиту |
| title_short | Адсорбція катіонів важких металів на поверхні нанорозмірного магнетиту |
| title_sort | адсорбція катіонів важких металів на поверхні нанорозмірного магнетиту |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/441 |
| work_keys_str_mv | AT kusyaknv adsorptionofheavymetalcationsonthesurfaceofnanosizedmagnetite AT kamínskiyom adsorptionofheavymetalcationsonthesurfaceofnanosizedmagnetite AT petranovskaal adsorptionofheavymetalcationsonthesurfaceofnanosizedmagnetite AT gorbykpp adsorptionofheavymetalcationsonthesurfaceofnanosizedmagnetite AT kusyaknv adsorbciâkationovtâželyhmetallovnapoverhnostinanorazmernogomagnetita AT kamínskiyom adsorbciâkationovtâželyhmetallovnapoverhnostinanorazmernogomagnetita AT petranovskaal adsorbciâkationovtâželyhmetallovnapoverhnostinanorazmernogomagnetita AT gorbykpp adsorbciâkationovtâželyhmetallovnapoverhnostinanorazmernogomagnetita AT kusyaknv adsorbcíâkatíonívvažkihmetalívnapoverhnínanorozmírnogomagnetitu AT kamínskiyom adsorbcíâkatíonívvažkihmetalívnapoverhnínanorozmírnogomagnetitu AT petranovskaal adsorbcíâkatíonívvažkihmetalívnapoverhnínanorozmírnogomagnetitu AT gorbykpp adsorbcíâkatíonívvažkihmetalívnapoverhnínanorozmírnogomagnetitu |