Адсорбція катіонів Co2+ і радіоактивного 60Со мезопористим TiO2
Introduction shows the important of this scientific direction. 60Co with half-life of 5.3 years is one of the few anthropogenic, gamma-emitting radionuclides, that can be detected in aquatic environments affected by liquid effluent discharged from nuclear facilities. The need for control of the cont...
Gespeichert in:
| Datum: | 2019 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2019
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/528 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543915041095680 |
|---|---|
| author | Vasylyeva, H. V. Mironyuk, I. F. Mykytyn, I. M. |
| author_facet | Vasylyeva, H. V. Mironyuk, I. F. Mykytyn, I. M. |
| author_sort | Vasylyeva, H. V. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-06-29T10:03:05Z |
| description | Introduction shows the important of this scientific direction. 60Co with half-life of 5.3 years is one of the few anthropogenic, gamma-emitting radionuclides, that can be detected in aquatic environments affected by liquid effluent discharged from nuclear facilities. The need for control of the content of 60Co in the environment, determines the search for new adsorption materials with high adsorption capacity and chemical, thermal, and radiation resistance.The aim of present work is to investigate the adsorption of Co2+ and 60Co by mesoporous TiO2 from aqueous solutions.Experimental techniques describes the adsorption studies in detail. The mesoporous TiO2 with the initial pore size ratio (Smeso/S = 58 %; Vmeso/V = 64 %) was selected as adsorbent. Synthesis of adsorbents was carried out by the method of liquid phase hydrolysis of aqua complex of TiCl4.The dependence of adsorption value on agitation time, solutions acidity, and equilibrium concentration of Co2+ was investigated in butch mode. The presence of cobalt on the surface of mesoporous TiO2 was confirmed using XRF-analysis. The initial and residual concentration of cobalt was controlled by complexonometric titration with xylenol orange as indicator.Four simplified kinetic models: pseudo-first order and pseudo-second order equations, firstly applied by Lagergren, intraparticle diffusion and Elovich (Roginsky-Zeldovich) kinetic models were applied to experimental data. Langmuir and Dubinin-Radushkevich adsorption theory applied for experimental equilibrium data of adsorption of cobalt cations by mesoporous TiO2. The adsorption energy was measured using Dubinin-Radushkevich equation.The results obtained have shown that the experimental data on the adsorption kinetics of Co2+ by mesoporous TiO2 fit well by Lagergren pseudo-second kinetic model. Applying of Elovich kinetic model gives also high correlation’s coefficients, close to unit (R2 > 0.9).The equilibrium adsorption data are well approximated by Langmuir adsorption theory. Maximal adsorption value obtained experimentally (49±4 mg/g) is in good agreement with calculated by Langmuir adsorption theory (63.81 mg/g).The adsorption energy calculated using Dubinin-Radushkevich equation is 8.104±0.361 kJ/mol, which correspond to physical adsorption mechanism. However, for each values of Polanyi’s potential (?) (which correspond to certain equilibrium concentration Ce, mg/L) adsorption energy is different. It smooth decreases with increasing concentration of adsorbate in the solution. Although the experimental results are well describing by the Langmuir model, the adsorption energy of Co2+ ions by mesoporous TiO2 depends on the degree of surface filling, which means that the adsorption centers of this sample are not independent. At the low equilibrium concentration of Co2+ (38 mg/L), the adsorption energy is much higher than the corresponding value for adsorption by the physical mechanism. To our opinion, that is why applying of Elovich kinetic model to experimental dada gives high R2.The adsorption of Co2+ by mesoporous TiO2 strongly depends on solutions acidity.To simulate conditions close to real, the adsorption of 60Co by mesoporous TiO2 was investigated. The percentage of 60Co, adsorbed onto TiO2 is more than 90 %.The main conclusion is that mesoporous TiO2 could be useful as an adsorbent for water purification from Co2+ and in decontaminating of radioactive waste containing 60Co. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:33:50Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-528 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-17T12:08:06Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-5282022-06-29T10:03:05Z Аdsorption of Co2+ and radioactive 60Со by mesoporous TiO2 Адсорбция катионов Co2+ и радиоактивного 60Со мезопористым TiO2 Адсорбція катіонів Co2+ і радіоактивного 60Со мезопористим TiO2 Vasylyeva, H. V. Mironyuk, I. F. Mykytyn, I. M. adsorption titanium dioxide cobalt radioactive contaminations адсорбція діоксид титану кобальт радіоактивні відходи адсорбция двуокись титана кобальт радиоактивные отходы Introduction shows the important of this scientific direction. 60Co with half-life of 5.3 years is one of the few anthropogenic, gamma-emitting radionuclides, that can be detected in aquatic environments affected by liquid effluent discharged from nuclear facilities. The need for control of the content of 60Co in the environment, determines the search for new adsorption materials with high adsorption capacity and chemical, thermal, and radiation resistance.The aim of present work is to investigate the adsorption of Co2+ and 60Co by mesoporous TiO2 from aqueous solutions.Experimental techniques describes the adsorption studies in detail. The mesoporous TiO2 with the initial pore size ratio (Smeso/S = 58 %; Vmeso/V = 64 %) was selected as adsorbent. Synthesis of adsorbents was carried out by the method of liquid phase hydrolysis of aqua complex of TiCl4.The dependence of adsorption value on agitation time, solutions acidity, and equilibrium concentration of Co2+ was investigated in butch mode. The presence of cobalt on the surface of mesoporous TiO2 was confirmed using XRF-analysis. The initial and residual concentration of cobalt was controlled by complexonometric titration with xylenol orange as indicator.Four simplified kinetic models: pseudo-first order and pseudo-second order equations, firstly applied by Lagergren, intraparticle diffusion and Elovich (Roginsky-Zeldovich) kinetic models were applied to experimental data. Langmuir and Dubinin-Radushkevich adsorption theory applied for experimental equilibrium data of adsorption of cobalt cations by mesoporous TiO2. The adsorption energy was measured using Dubinin-Radushkevich equation.The results obtained have shown that the experimental data on the adsorption kinetics of Co2+ by mesoporous TiO2 fit well by Lagergren pseudo-second kinetic model. Applying of Elovich kinetic model gives also high correlation’s coefficients, close to unit (R2 > 0.9).The equilibrium adsorption data are well approximated by Langmuir adsorption theory. Maximal adsorption value obtained experimentally (49±4 mg/g) is in good agreement with calculated by Langmuir adsorption theory (63.81 mg/g).The adsorption energy calculated using Dubinin-Radushkevich equation is 8.104±0.361 kJ/mol, which correspond to physical adsorption mechanism. However, for each values of Polanyi’s potential (?) (which correspond to certain equilibrium concentration Ce, mg/L) adsorption energy is different. It smooth decreases with increasing concentration of adsorbate in the solution. Although the experimental results are well describing by the Langmuir model, the adsorption energy of Co2+ ions by mesoporous TiO2 depends on the degree of surface filling, which means that the adsorption centers of this sample are not independent. At the low equilibrium concentration of Co2+ (38 mg/L), the adsorption energy is much higher than the corresponding value for adsorption by the physical mechanism. To our opinion, that is why applying of Elovich kinetic model to experimental dada gives high R2.The adsorption of Co2+ by mesoporous TiO2 strongly depends on solutions acidity.To simulate conditions close to real, the adsorption of 60Co by mesoporous TiO2 was investigated. The percentage of 60Co, adsorbed onto TiO2 is more than 90 %.The main conclusion is that mesoporous TiO2 could be useful as an adsorbent for water purification from Co2+ and in decontaminating of radioactive waste containing 60Co. Вступление к работе раскрывает актуальность данного направления исследований. 60Co с периодом полураспада 5.3 года является одним из антропогенных радионуклидов, гамма-эмиттеров, которые диагностируются в жидких отходах ядерных установок. Необходимость контроля 60Co в окружающей среде определяет поиск новых адсорбентов, которые владеют высокой сорбционной емкостью, химической, термической и радиационной стойкостью.Цель данной работы – исследовать адсорбцию Co2+ и 60Co из водных растворов мезопористым TiO2.Методика эксперимента детально описывает адсорбционные исследования. В качестве адсорбента был выбран мезопористый TiO2 с соотношением микро- и мезопор Smeso/S = 58 %; Vmeso/V = 64 %. Синтез исследованного адсорбента осуществляли по методике жидкофазного гидролиза титанового аквакомплекса. В качестве прекурсора был выбран тетрахлорид титана TiCl4. Зависимость адсорбции ионов кобальта от времени взаимодействия адсорбата с поверхностью адсорбента, кислотности раствора, равновесной концентрации ионов кобальта была исследована в статических условиях. Присутствие адсорбированного Со2+ на поверхности мезопористого ТіО2 подтверждено методом рентгено-флуоресцентной спектроскопии. Начальную и равновесную концентрацию ионов кобальта определяли методом комплексонометрического титрования. В качестве индикатора был использован ксиленоловый оранжевый.Четыре наиболее известные кинетические модели: Лагергрена псевдо-первого и псевдо-второго порядка, модель диффузии внутрь частиц адсорбента (модель Веббера-Морриса) и модель хемосорбции Еловича были использованы для анализа экспериментальных данных кинетики адсорбции ионов кобальта мезопористым ТіО2. Для описания равновесных изотерм адсорбции были использованы теории адсорбции Лэнгмюра и Дубинина-Радушкевича.Полученные результаты свидетельствуют о том, что экспериментальные зависимости коэффициентов адсорбции от времени взаимодействия хорошо аппроксимируются кинетической моделью Лагергрена псевдо-второго порядка. Использование модели хемосорбции Еловича также дает высокий коэффициент корреляции (R2 > 0.9).Результаты равновесной адсорбции могут быть описаны теорией Лэнгмюра с высокой степенью достоверности. Экспериментальные значения максимальной адсорбции ионов кобальта мезопористым ТіО2 (49±4 мг/г) хорошо согласуются с величинами, теоретически определенными по теории Лэнгмюра (63.81 мг/г). Энергия адсорбции, определенная по уравнению Дубинина-Радушкевича, равна 8.104±0.361 кДж/моль, что соответствует физическому механизму адсорбции. Однако, для каждого отдельно взятого потенциала Поляни (которому соответствует определенная равновесная концентрация адсорбата, мг/л) энергия адсорбции разная. Ее значение плавно уменьшается при возрастании равновесной концентрации Со2+ в растворе. Это свидетельствует о зависимости энергии адсорбции ионов кобальта мезопористым ТіО2 от степени заполнения поверхности, а значит и о том, что адсорбционные центры данного образца не являются независимыми. При низких значениях равновесной концентрации катионов кобальта в растворе (38 мг/л), значение энергии адсорбции выше, нежели таковое для физической адсорбции. Это, по нашему мнению, и есть причина высоких коэффициентов корреляции при аппроксимации моделью хемосорбции Еловича полученных результатов. Адсорбция Co2+ мезопористым ТіО2 сильно зависит от кислотности раствора.Чтобы смоделировать условия эксперимента, близкие к реальным, была исследована адсорбция 60Со мезопористым ТіО2. Показано, что исследованный адсорбент извлекает больше 90 % радионуклида. Мезопористый ТіО2 – перспективный материал для очистки водных растворов от Со2+ и дезактивации радиоактивных отходов, содержащих 60Со. 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. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2019-11-26 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/528 10.15407/hftp10.04.446 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 10 No. 4 (2019): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 446-457 Химия, физика и технология поверхности; Том 10 № 4 (2019): Химия, физика и технология поверхности; 446-457 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 10 № 4 (2019): Хімія, фізика та технологія поверхні; 446-457 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp10.04 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/528/531 Copyright (c) 2019 H. V. Vasylyeva, I. F. Mironyuk, I. M. Mykytyn |
| spellingShingle | адсорбція діоксид титану кобальт радіоактивні відходи Vasylyeva, H. V. Mironyuk, I. F. Mykytyn, I. M. Адсорбція катіонів Co2+ і радіоактивного 60Со мезопористим TiO2 |
| title | Адсорбція катіонів Co2+ і радіоактивного 60Со мезопористим TiO2 |
| title_alt | Аdsorption of Co2+ and radioactive 60Со by mesoporous TiO2 Адсорбция катионов Co2+ и радиоактивного 60Со мезопористым TiO2 |
| title_full | Адсорбція катіонів Co2+ і радіоактивного 60Со мезопористим TiO2 |
| title_fullStr | Адсорбція катіонів Co2+ і радіоактивного 60Со мезопористим TiO2 |
| title_full_unstemmed | Адсорбція катіонів Co2+ і радіоактивного 60Со мезопористим TiO2 |
| title_short | Адсорбція катіонів Co2+ і радіоактивного 60Со мезопористим TiO2 |
| title_sort | адсорбція катіонів co2+ і радіоактивного 60со мезопористим tio2 |
| topic | адсорбція діоксид титану кобальт радіоактивні відходи |
| topic_facet | adsorption titanium dioxide cobalt radioactive contaminations адсорбція діоксид титану кобальт радіоактивні відходи адсорбция двуокись титана кобальт радиоактивные отходы |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/528 |
| work_keys_str_mv | AT vasylyevahv adsorptionofco2andradioactive60sobymesoporoustio2 AT mironyukif adsorptionofco2andradioactive60sobymesoporoustio2 AT mykytynim adsorptionofco2andradioactive60sobymesoporoustio2 AT vasylyevahv adsorbciâkationovco2iradioaktivnogo60somezoporistymtio2 AT mironyukif adsorbciâkationovco2iradioaktivnogo60somezoporistymtio2 AT mykytynim adsorbciâkationovco2iradioaktivnogo60somezoporistymtio2 AT vasylyevahv adsorbcíâkatíonívco2íradíoaktivnogo60somezoporistimtio2 AT mironyukif adsorbcíâkatíonívco2íradíoaktivnogo60somezoporistimtio2 AT mykytynim adsorbcíâkatíonívco2íradíoaktivnogo60somezoporistimtio2 |