Адсорбційне видалення міді(II) з води дендритним мезопористим кремнеземом, модифікованим нульвалентним залізом

Автор(и)

  • Цзюньцзє Юй Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0003-1206-8494
  • Вікторія Юріївна Тобілко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-1800-948X

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2024.314231

Ключові слова:

мезопоруватий кремнезем, модифікування, адсорбція, очищення вод, важкі метали, DMSN

Анотація

Об’єктом дослідження є синтезований дендритний мезопоруватий нанорозмірний кремнезем (DMSN), модифікований нульвалентним залізом (Fe0@DMSN). Даний матеріал проявляє високу адсорбційну здатність до іонів важких металів, зокрема міді, підвищений вміст яких у водному середовищі становить загрозу для живих організмів. У зв’язку з цим було досліджено основні фізико-хімічні особливості видалення катіонів міді з водного середовища з використанням одержаного зразку.

Методами електронної мікроскопії вивчено морфологію отриманих дендритоподібних кремнеземів та підтверджено рентгенофазовим аналізом і інфрачервоною спектроскопією наявність нанесеного шару нульвалентного заліза.

Визначено параметри поруватої структури синтезованих матеріалів. Встановлено, що після модифікування мезопоруватого кремнезему часточками нульвалентного заліза величина його питомої поверхні зменшується з 504 м2/г до 312 м2/г. Це може бути обумовлено утворенням шару Fe0 не лише на їх поверхні, а і у каналах неорганічної матриці, яка має унікальну дендритну структуру, характерну для такого роду часточок. При цьому відбувається збільшення кількості активних центрів за рахунок збагачення поверхні кремнезему функціональними групами модифікатора, які проявляють високу спорідненість до катіонів металів.

Досліджено адсорбційну здатність Fe0@DMSN по відношенню іонів Cu2+та показано, що величина максимальної адсорбції становить 39,8 мг/г, яка значно більша у порівнянні з вихідним синтезованим зразком DMSN (0,7 мг/г).

Отримані експериментальні дані вказують на те, що одержаний сорбційний матеріал на основі дендритних мезопоруватих кремнеземних наночасточок із нанесеним шаром реакційноздатного нульвалентного заліза можна застосовувати при доочищенні забруднених іонами металів вод. Крім того, відомі та доведені різними науковцями магнітні властивості такого роду матеріалів дозволять легко відділяти тверду фазу в процесах сорбційного очищення вод із використанням магнітної сепарації.

Біографії авторів

Цзюньцзє Юй, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Аспірант

Кафедра хімічної технології кераміки та скла

Вікторія Юріївна Тобілко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра хімічної технології кераміки та скла

Посилання

  1. Zamora-Ledezma, C., Negrete-Bolagay, D., Figueroa, F., Zamora-Ledezma, E., Ni, M., Alexis, F., Guerrero, V. H. (2021). Heavy metal water pollution: A fresh look about hazards, novel and conventional remediation methods. Environmental Technology & Innovation, 22, 101504. https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.101504
  2. Jiang, J., Wang, X., Ren, H., Cao, G., Xie, G., Xing, D., Liu, B. (2020). Investigation and fate of microplastics in wastewater and sludge filter cake from a wastewater treatment plant in China. Science of The Total Environment, 746, 141378. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141378
  3. Gao, J., Zhang, L., Liu, S., Liu, X. (2022). Enhanced adsorption of copper ions from aqueous solution by two-step DTPA-modified magnetic cellulose hydrogel beads. International Journal of Biological Macromolecules, 211, 689–699. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.05.073
  4. Krstić, V., Urošević, T., Pešovski, B. (2018). A review on adsorbents for treatment of water and wastewaters containing copper ions. Chemical Engineering Science, 192, 273–287. https://doi.org/10.1016/j.ces.2018.07.022
  5. Ibrahim, Y., Naddeo, V., Banat, F., Hasan, S. W. (2020). Preparation of novel polyvinylidene fluoride (PVDF)-Tin(IV) oxide (SnO2) ion exchange mixed matrix membranes for the removal of heavy metals from aqueous solutions. Separation and Purification Technology, 250, 117250. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.117250
  6. Shi, X., Duan, Z., Jing Wang, Zhou, W., Jiang, M., Li, T., Ma, H., Zhu, X. (2023). Simultaneous removal of multiple heavy metals using single chamber microbial electrolysis cells with biocathode in the micro-aerobic environment. Chemosphere, 318, 137982. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.137982
  7. Peydayesh, M., Mohammadi, T., Nikouzad, S. K. (2020). A positively charged composite loose nanofiltration membrane for water purification from heavy metals. Journal of Membrane Science, 611, 118205. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118205
  8. Xiao, Y., Tan, S., Wang, D., Wu, J., Jia, T., Liu, Q. et al. (2020). CeO2/BiOIO3 heterojunction with oxygen vacancies and Ce4+/Ce3+ redox centers synergistically enhanced photocatalytic removal heavy metal. Applied Surface Science, 530, 147116. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147116
  9. Feng, X., Long, R., Wang, L., Liu, C., Bai, Z., Liu, X. (2022). A review on heavy metal ions adsorption from water by layered double hydroxide and its composites. Separation and Purification Technology, 284, 120099. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.120099
  10. Gupta, M., Gupta, H., Kharat, D. S. (2018). Adsorption of Cu(II) by low cost adsorbents and the cost analysis. Environmental Technology & Innovation, 10, 91–101. https://doi.org/10.1016/j.eti.2018.02.003
  11. Rubab, R., Ali, S., Rehman, A. U., Khan, S. A., Khan, A. M. (2021). Templated synthesis of NiO/SiO2 nanocomposite for dye removal applications: Adsorption kinetics and thermodynamic properties. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 615, 126253. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.126253
  12. Zhang, S., Gao, H., Li, J., Huang, Y., Alsaedi, A., Hayat, T. et al. (2017). Rice husks as a sustainable silica source for hierarchical flower-like metal silicate architectures assembled into ultrathin nanosheets for adsorption and catalysis. Journal of Hazardous Materials, 321, 92–102. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2016.09.004
  13. Vojoudi, H., Badiei, A., Bahar, S., Mohammadi Ziarani, G., Faridbod, F., Ganjali, M. R. (2017). A new nano-sorbent for fast and efficient removal of heavy metals from aqueous solutions based on modification of magnetic mesoporous silica nanospheres. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 441, 193–203. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.05.065
  14. Shao, P., Liang, D., Yang, L., Shi, H., Xiong, Z., Ding, L. et al. (2020). Evaluating the adsorptivity of organo-functionalized silica nanoparticles towards heavy metals: Quantitative comparison and mechanistic insight. Journal of Hazardous Materials, 387, 121676. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121676
  15. Li, S., Li, S., Wen, N., Wei, D., Zhang, Y. (2021). Highly effective removal of lead and cadmium ions from wastewater by bifunctional magnetic mesoporous silica. Separation and Purification Technology, 265, 118341. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.118341
  16. Yang, Y., Bernardi, S., Song, H., Zhang, J., Yu, M., Reid, J. C. et al. (2016). Anion Assisted Synthesis of Large Pore Hollow Dendritic Mesoporous Organosilica Nanoparticles: Understanding the Composition Gradient. Chemistry of Materials, 28 (3), 704–707. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b03963
  17. Zhang, K., Xu, L.-L., Jiang, J.-G., Calin, N., Lam, K.-F., Zhang, S.-J. et al. (2013). Facile Large-Scale Synthesis of Monodisperse Mesoporous Silica Nanospheres with Tunable Pore Structure. Journal of the American Chemical Society, 135 (7), 2427–2430. https://doi.org/10.1021/ja3116873
  18. Gao, F., Lei, C., Liu, Y., Song, H., Kong, Y., Wan, J., Yu, C. (2021). Rational Design of Dendritic Mesoporous Silica Nanoparticles’ Surface Chemistry for Quantum Dot Enrichment and an Ultrasensitive Lateral Flow Immunoassay. ACS Applied Materials & Interfaces, 13 (18), 21507–21515. https://doi.org/10.1021/acsami.1c02149
  19. Shi, L., Lin, Y.-M., Zhang, X., Chen, Z. (2011). Synthesis, characterization and kinetics of bentonite supported nZVI for the removal of Cr(VI) from aqueous solution. Chemical Engineering Journal, 171 (2), 612–617. https://doi.org/10.1016/j.cej.2011.04.038
  20. Dong, K., Wu, S., Chang, B., Sun, T. (2023). Zero-valent iron supported by dendritic mesoporous silica nanoparticles to purify dye wastewater. Journal of Environmental Chemical Engineering, 11 (5), 110434. https://doi.org/10.1016/j.jece.2023.110434
  21. Li, H., Si, R., Wang, W., Huang, Y., Xiang, M., Wang, C. et al. (2021). Sulfidated nanoscale zero-valent iron dispersed in dendritic mesoporous silica nanospheres for degrading tetrabromobisphenol A. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 621, 126586. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.126586
  22. Yu, J., Bondarieva, A., Tobilko, V., Pavlenko, V. (2023). Adsorption removal of Cu(II) using Ni-modified silica gel. Water and Water Purification Technologies. Scientific and Technical News, 37 (3), 3–12.
  23. Choi, W. S., Lee, H.-J. (2022). Nanostructured Materials for Water Purification: Adsorption of Heavy Metal Ions and Organic Dyes. Polymers, 14 (11), 2183. https://doi.org/10.3390/polym14112183
Adsorption removal of copper(II) from water by zero valent iron loaded dendritic mesoporous silica

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-10-31

Як цитувати

Юй, Ц., & Тобілко, В. Ю. (2024). Адсорбційне видалення міді(II) з води дендритним мезопористим кремнеземом, модифікованим нульвалентним залізом. Technology Audit and Production Reserves, 5(3(79), 6–12. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2024.314231

Номер

Том 5 № 3(79) (2024): Хімічна інженерія

Розділ

Хіміко-технологічні системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Junjie Yu, Viktoriia Tobilko

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.