Очищення мінералізованих вод від сполук U(VI) з використанням бентоніт/ферумоксидних композитів

Автор(и)

  • Iryna Kovalchuk Інститут сорбції та проблем ендоекології Національної академії наук України, вул. Генерала Наумова, 13, м. Київ, Україна, 03164, Україна https://orcid.org/0000-0002-5687-5530
  • Viktoriia Tobilko Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0002-1800-948X
  • Yurii Kholodko Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0002-2514-767X
  • Nataliia Zahorodniuk Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0002-8856-3873
  • Borys Kornilovych Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0002-6393-6880

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2020.205146

Ключові слова:

очищення води, сорбція урану(VI), бентоніт, монтморилоніт, оксигідроксиди заліза, мінералізовані води, важкі метали

Анотація

Об’єктом дослідження є бентонітові глини, основним породоутворюючим мінералом яких є монтморилоніт. Даний природний силікат проявляє сорбційну здатність до іонів важких металів завдяки високій катіонообмінній ємності та питомій поверхні. Одним з найбільш проблемних місць використання монтморилоніту в сорбційних процесах є здатність до набухання у водних середовищах. Це значно ускладнює відділення відпрацьованого сорбенту від очищеної води. Для усунення даного недоліку найчастіше використовують гранулювання з подальшою термічною обробкою. При цьому в якості структуроутворюючого агенту застосовують різні полімерні сполуки. Такий прийом призводить до значного зменшення питомої поверхні бентонітових глин, а значить, і погіршення їх сорбційних властивостей. В ході дослідження використовували метод модифікування поверхні монтморилоніту оксигідроксидами феруму (феригідритом). Отримані матеріали відрізняються технологічністю та підвищеною сорбційною здатністю по відношенню до сполук урану. Це пов'язано з тим, що при обробці поверхні бентонітових глин феригідритом можна отримати ефективні сорбенти, які втрачають здатність до набухання без термічної обробки. Нанесення шару ферумоксидних сполук на поверхню монтморилоніту привело до зміни параметрів поруватої структури отриманого композиту. Так, питома поверхня модифікованого зразку становить 250 м2/г, що значно перевищує таку для вихідного мінералу (89 м2/г). При цьому у 2,8 рази збільшився середній розмір пор. Показано, що внаслідок обробки поверхні монтморилоніту феригідритом відбувається зростання сорбційної здатності матеріалів щодо сполук урану зі збільшенням вмісту заліза на поверхні: від 0,42 мг/г для вихідного монтморилоніту до 10,13 мг/г для модифікованого зразку. Встановлено, що присутність конкурентних металів (As, Mn, Co, Cd, Cr) в мінералізованих водах в еквімолярних кількостях не призводить до суттєвої зміни величин адсорбції урану на бентоніт/ферумоксидних композитах.

Біографії авторів

Iryna Kovalchuk, Інститут сорбції та проблем ендоекології Національної академії наук України, вул. Генерала Наумова, 13, м. Київ, Україна, 03164

Кандидат хімічних наук, старший дослідник, старший науковий співробітник

Відділ екологічної хімії

Viktoriia Tobilko, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Кандидат технічних наук, старший викладач

Кафедра хімічної технології кераміки та скла

Yurii Kholodko, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Аспірант

Кафедра хімічної технології кераміки та скла

Nataliia Zahorodniuk, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Кафедра хімічної технології кераміки та скла

Borys Kornilovych, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Доктор хімічних наук, професор, член-кореспондент НАН України, завідувач кафедри

Кафедра хімічної технології кераміки та скла

Посилання

  1. Kornilovych, B. Yu., Sorokin, O. H., Pavlenko, V. M., Koshyk, Yu. Y. (2011). Pryrodookhoronni tekhnolohii v uranovydobuvnii ta pererobnii promyslovosti. Kyiv, 156.
  2. Liu, B., Peng, T., Sun, H., Yue, H. (2017). Release behavior of uranium in uranium mill tailings under environmental conditions. Journal of Environmental Radioactivity, 171, 160–168. doi: http://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2017.02.016
  3. Merkel, B., Schipek, M. (2011). The New Uranium Mining Boom. Berlin, Heidelberg: Springer, 848. doi: http://doi.org/10.1007/978-3-642-22122-4
  4. Guidelines for Drinking-water Quality. Fourth Edition. Recommendation (2011). World Health Organization. WHO, 564. Available at: https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/44584/9789241548151_eng.pdf;jsessionid=27986ECA8EB82D1198DAED796EC75484?sequence=1
  5. Drinking Water Requirements for States and Public Water Systems. Available at: https://www.epa.gov/dwreginfo
  6. NRBU-97. Derzhavni hihiienichni normatyvy. Normy radiatsiinoi bezpeky Ukrainy (1997). Kyiv, 131.
  7. Langmuir, D. (1978). Uranium solution-mineral equilibria at low temperatures with applications to sedimentary ore deposits. Geochimica et Cosmochimica Acta, 42 (6), 547–569. doi: http://doi.org/10.1016/0016-7037(78)90001-7
  8. Langmuir, D. (1997). Aqueous Environmental Geochemistry. New York: Prentice Hall, 603.
  9. Kornilovych, B., Wireman, M., Ubaldini, S., Guglietta, D., Koshik, Y., Caruso, B., Kovalchuk, I. (2018). Uranium Removal from Groundwater by Permeable Reactive Barrier with Zero-Valent Iron and Organic Carbon Mixtures: Laboratory and Field Studies. Metals, 8 (6), 408. doi: http://doi.org/10.3390/met8060408
  10. Kovalchuk, I. A., Pylypenko, I. V., Kornilovych, B. Yu., Bashchak, O. Ye. (2019). Sorbtsiine ochyshchennia mineralizovanykh pidzemnykh vod vid spoluk uranu z vykorystanniam pilarovanykh hlyn. Dopovidi Natsionalnoi akademii nauk Ukrainy, 10, 80–88.
  11. Hashim, M. A., Mukhopadhyay, S., Sahu, J. N., Sengupta, B. (2011). Remediation technologies for heavy metal contaminated groundwater. Journal of Environmental Management, 92 (10), 2355–2388. doi: http://doi.org/10.1016/j.jenvman.2011.06.009
  12. Nekhunguni, P. M., Tavengwa, N. T., Tutu, H. (2017). Sorption of uranium(VI) onto hydrous ferric oxide-modified zeolite: Assessment of the effect of pH, contact time, temperature, selected cations and anions on sorbent interactions. Journal of Environmental Management, 204, 571–582. doi: http://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.09.034
  13. Jung, H. B., Xu, H., Konishi, H., Roden, E. E. (2016). Role of nano-goethite in controlling U(VI) sorption-desorption in subsurface soil. Journal of Geochemical Exploration, 169, 80–88. doi: http://doi.org/10.1016/j.gexplo.2016.07.014
  14. Tarasevich, Iu.I. (1981). Prirodnye sorbenty v processakh ochistki vody. Kyiv: Naukova dumka, 208.
  15. Fu, F., Wang, Q. (2011). Removal of heavy metal ions from wastewaters: A review. Journal of Environmental Management, 92 (3), 407–418. doi: http://doi.org/10.1016/j.jenvman.2010.11.011
  16. Akbal, F., Camcı, S. (2010). Comparison of Electrocoagulation and Chemical Coagulation for Heavy Metal Removal. Chemical Engineering & Technology, 33 (10), 1655–1664. doi: http://doi.org/10.1002/ceat.201000091
  17. Gavrilescu, M., Pavel, L. V., Cretescu, I. (2009). Characterization and remediation of soils contaminated with uranium. Journal of Hazardous Materials, 163 (2-3), 475–510. doi: http://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.07.103
  18. Selvakumar, R., Ramadoss, G., Mridula P. Menon, Rajendran, K., Thavamani, P., Ravi Naidu, Megharaj, M. (2018). Challenges and complexities in remediation of uranium contaminated soils: A review. Journal of Environmental Radioactivity, 192, 592–603. doi: http://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2018.02.018
  19. Tavengwa, N. T., Cukrowska, E., Chimuka, L. (2014). Preparation, characterization and application of NaHCO3 leached bulk U(VI) imprinted polymers endowed with γ-MPS coated magnetite in contaminated water. Journal of Hazardous Materials, 267, 221–228. doi: http://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2013.12.053
  20. Li, P., Wang, J., Wang, X., He, B., Pan, D., Liang, J. et. al. (2018). Arsenazo-functionalized magnetic carbon composite for uranium(VI) removal from aqueous solution. Journal of Molecular Liquids, 269, 441–449. doi: http://doi.org/10.1016/j.molliq.2018.08.073
  21. Misaelides, P. (2011). Application of natural zeolites in environmental remediation: A short review. Microporous and Mesoporous Materials, 144 (1-3), 15–18. doi: http://doi.org/10.1016/j.micromeso.2011.03.024
  22. Misaelides, P. (2019). Clay minerals and zeolites for radioactive waste immobilization and containment. Modified Clay and Zeolite Nanocomposite Materials. Elsevier Inc., 243–274. doi: http://doi.org/10.1016/b978-0-12-814617-0.00004-9
  23. Zhengji, Y. (2010). Microbial removal of uranyl by sulfate reducing bacteria in the presence of Fe (III) (hydr)oxides. Journal of Environmental Radioactivity, 101 (9), 700–705. doi: http://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2010.04.009
  24. Tsuruta, T. (2007). Removal and Recovery of Uranium using Microorganisms Isolated from North American Uranium Deposits. American Journal of Environmental Sciences, 3 (2), 60–66. doi: http://doi.org/10.3844/ajessp.2007.60.66
  25. Wu, Y., Pang, H., Liu, Y., Wang, X., Yu, S., Fu, D. et. al. (2019). Environmental remediation of heavy metal ions by novel-nanomaterials: A review. Environmental Pollution, 246, 608–620. doi: http://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.12.076
  26. Vareda, J. P., Valente, A. J. M., Durães, L. (2019). Assessment of heavy metal pollution from anthropogenic activities and remediation strategies: A review. Journal of Environmental Management, 246, 101–118. doi: http://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.05.126
  27. Noubactep, C., Schoner, A., Meinrath, G. (2006). Mechanism of uranium removal from the aqueous solution by elemental iron. Journal of Hazardous Materials, 132 (2-3), 202–212. doi: http://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.08.047
  28. Shin, Y., Bae, S., Lee, W. (2013). Formation of surface mediated iron colloids during U(VI) and nZVI interaction. Advances in Environmental Research, 2 (3), 167–177. doi: http://doi.org/10.12989/aer.2013.2.3.167
  29. Duff, M. C., Coughlin, J. U., Hunter, D. B. (2002). Uranium co-precipitation with iron oxide minerals. Geochimica et Cosmochimica Acta, 66 (20), 3533–3547. doi: http://doi.org/10.1016/s0016-7037(02)00953-5
  30. Jeon, B.-H., Dempsey, B. A., Burgos, W. D., Barnett, M. O., Roden, E. E. (2005). Chemical Reduction of U(VI) by Fe(II) at the Solid−Water Interface Using Natural and Synthetic Fe(III) Oxides. Environmental Science & Technology, 39 (15), 5642–5649. doi: http://doi.org/10.1021/es0487527
  31. Wazne, M., Korfiatis, G. P., Meng, X. (2003). Carbonate Effects on Hexavalent Uranium Adsorption by Iron Oxyhydroxide. Environmental Science & Technology, 37 (16), 3619–3624. doi: http://doi.org/10.1021/es034166m
  32. Mahoney, J. J., Cadle, S. A., Jakubowski, R. T. (2009). Uranyl Adsorption onto Hydrous Ferric Oxide – A Re-Evaluation for the Diffuse Layer Model Database. Environmental Science & Technology, 43 (24), 9260–9266. doi: http://doi.org/10.1021/es901586w
  33. Gilbert, B., Ono, R. K., Ching, K. A., Kim, C. S. (2009). The effects of nanoparticle aggregation processes on aggregate structure and metal uptake. Journal of Colloid and Interface Science, 339 (2), 285–295. doi: http://doi.org/10.1016/j.jcis.2009.07.058
  34. Van der Zee, C., Roberts, D. R., Rancourt, D. G., Slomp, C. P. (2003). Nanogoethite is the dominant reactive oxyhydroxide phase in lake and marine sediments. Geology, 31 (11), 993–996. doi: http://doi.org/10.1130/g19924.1
  35. Scwertmann, U., Cornell, R. M. (2000). Iron Oxides in the Laboratory, Preparation and Characterisation. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH, 204.
  36. Rouquerol, F., Rouquerol, J., Sing, K. S., Llewellyn, P., Maurin, G. (2014). Adsorption by powders and porous solids. Elsevier Collection, 646.
  37. Delgado, A. V., González-Caballero, F., Hunter, R. J., Koopal, L. K., Lyklema, J. (2007). Measurement and interpretation of electrokinetic phenomena. Journal of Colloid and Interface Science, 309 (2), 194–224. doi: http://doi.org/10.1016/j.jcis.2006.12.075
  38. Ohshima, H. (1994). A simple expression for Henry’s function for the retardation effect in electrophoresis of spherical colloidal particles. Journal of Colloid and Interface Science, 168, 269–271. doi: http://doi.org/10.1006/jcis.1994.1419
  39. Langmuir, I. (1918). The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum. Journal of the American Chemical Society, 40 (9), 1361–1403. doi: http://doi.org/10.1021/ja02242a004
  40. Freundlich, H., Heller, W. (1939). The Adsorption ofcis- andtrans-Azobenzene. Journal of the American Chemical Society, 61 (8), 2228–2230. doi: http://doi.org/10.1021/ja01877a071
  41. Puigdomènech, I., Colàs, E., Grivé, M., Campos, I., García, D. (2014). A tool to draw chemical equilibrium diagrams using SIT: Applications to geochemical systems and radionuclide solubility. MRS Proceedings, 1665, 111–116. doi: http://doi.org/10.1557/opl.2014.635
  42. Brindley, G. W., Brown, G. (1980). Crystal Structures of Clay Minerals and Their X-Ray Identification. London: Mineral. Soc., 496. doi: http://doi.org/10.1180/mono-5
  43. Borgnino, L., Avena, M. J., De Pauli, C. P. (2009). Synthesis and characterization of Fe(III)-montmorillonites for phosphate adsorption. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 341 (1-3), 46–52. doi: http://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2009.03.037
  44. Yuan, P., Annabi-Bergaya, F., Tao, Q., Fan, M., Liu, Z., Zhu, J. et. al. (2008). A combined study by XRD, FTIR, TG and HRTEM on the structure of delaminated Fe-intercalated/pillared clay. Journal of Colloid and Interface Science, 324 (1-2), 142–149. doi: http://doi.org/10.1016/j.jcis.2008.04.076
  45. Karnaukhov, A. P. (1999). Adsorbciia. Tekstura dispersnikh i poristikh materialov. Novosibirsk: Nauka. Sib. Predpr. RAN, 470.
  46. Leroy, P., Revil, A. (2004). A triple-layer model of the surface electrochemical properties of clay minerals. Journal of Colloid and Interface Science, 270 (2), 371–380. doi: http://doi.org/10.1016/j.jcis.2003.08.007

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-06-30

Як цитувати

Kovalchuk, I., Tobilko, V., Kholodko, Y., Zahorodniuk, N., & Kornilovych, B. (2020). Очищення мінералізованих вод від сполук U(VI) з використанням бентоніт/ферумоксидних композитів. Technology Audit and Production Reserves, 3(3(53), 12–18. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2020.205146

Номер

Том 3 № 3(53) (2020): Хімічна інженерія

Розділ

Екологія та технології захисту навколишнього середовища: Оригінальне дослідження

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Iryna Kovalchuk, Viktoriia Tobilko, Yurii Kholodko, Nataliia Zahorodniuk, Borys Kornilovych

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.