Сорбция ионов меди из водных растворов высокодисперсными ферритами кобальта и цинка

Людмила Анатольевна  Новикова; Елена Викторовна  Томина; Ольга Николаевна  Молчанова; Елизавета Андреевна  Жукова; Алёна Владимировна  Дорошенко; Екатерина Александровна  Тюпина

Людмила Анатольевна Новикова Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия https://orcid.org/0000-0002-1635-7739
Елена Викторовна Томина Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Воронежский государственный университет», Воронеж, Россия https://orcid.org/0000-0002-5222-0756
Ольга Николаевна Молчанова Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия
Елизавета Андреевна Жукова Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия
Алёна Владимировна Дорошенко Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия https://orcid.org/0000-0001-7487-5078
Екатерина Александровна Тюпина ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Москва, Рос-сия https://orcid.org/0000-0001-5151-4034

Ключевые слова: феррит кобальта, феррит цинка, сорбция, ионы меди, кинетика, равновесие, очистка воды, тяжелые металлы, магнитная сепарация

Аннотация

Магнитные материалы востребованы в сорбционных технологиях разделения и очистки веществ благодаря возможности быстрой и эффективной магнитной сепарации внешним магнитным полем для последующей регенерации и использования. Перспективными для создания новых магнитных сорбентов являются наночастицы ферритов металлов (MeFe₂O₄), магнитной восприимчивостью и физико-химическими свойствами которых можно управлять, используя различные методы синтеза. В данной работе установлены кинетические и равновесные характеристики сорбционного извлечения ионов меди из водных растворов образцами нанодисперсных порошков феррита кобальта (Co-F) и феррита цинка (Zn-F), синтезированных методом цитратного горения. Удельная поверхность и пористость образцов охарактеризована методом изотерм адсорбции-десорбции азота. Сорбционная способность материалов определена в водных растворах 0.005-0.075 н CuSO₄, при варьировании времени сорбции 0-120 мин, рН=2÷5, массы сорбента и температуре t=20^оС. Количественный анализ растворов осуществляли фотоколориметрическим методом. Магнитные свойства сорбентов оценены качественно при действии неодимового магнита на водные дисперсии ферритов. Экспериментальные изотермы адсорбции-десорбции азота образцами ферритов имеют сигмоидный вид, соответствующий типу II в классификации ИЮПАК, и узкую петлю гистерезиса, обусловленную присутствием вторичных мезопор в материалах. Удельная поверхность и объем пор образцов составили 26 м²/г (Zn-F), 16 м²/г (Co-F) и 0.106 см³/г (Zn-F), 0.094 см³/г (Co-F) соответственно, при этом диаметр пор составил 5.9 нм (Zn-F) и 21.4 нм (Co-F). Кинетические кривые сорбции ионов Cu²⁺ показали, что адсорбционное равновесие в системе сорбент-раствор устанавливается в течение 10 (Co-F) – 40 (Zn-F) минут, при этом сорбционная емкость феррита цинка в два раза превышает емкость феррита кобальта. Модель кинетики псевдо-второго порядка адекватно (R²=0.93÷0.99) описывает процесс сорбции на ферритах. Рассчитанные значения константы скорости (k₂) указывают на более низкую скорость сорбции ионов Cu²⁺ образцом феррита цинка по сравнению с ферритом кобальта, что может быть обусловлено отличием характера сорбционных центров поверхности ферритов вследствие различного распределения катионов в кристаллической решетке нормальной (феррит цинка) и обращенной (феррит кобальта) шпинели. Изотермы адсорбции ионов меди описаны моделями Ленгмюра, Фрейндлиха и БЭТ. Наилучшее соответствие экспериментальных изотерм сорбции для образцов ферритов цинка и кобальта получено в рамках модели Фрейндлиха и БЭТ. Параметры моделей свидетельствуют о повышенном сродстве к сорбату и благоприятных условиях сорбции в случае феррита цинка в отличие от феррита кобальта, а также о склонности сорбентов к полимолекулярной сорбции ионов меди в области средних и высоких концентраций растворов. При pH<3 сорбция меди на образце Co-F снижается, а для образца Zn-F проходит через максимум при рН=3, что указывает на одновременную сорбцию ионов гидроксония наряду с Cu²⁺, а также различный заряд поверхности ферритов. Сорбционная способность сорбентов сохраняется в течение пяти-шести (феррит цинка) и трех-четырех (феррит кобальта) циклов сорбции без регенерации. После регенерации раствором 0.1 М HCl отработанный сорбент на основе феррита цинка возобновляет и сохраняет емкость постоянной, а феррит кобальта теряет емкость. Действие Nd-магнита приводит к полной магнитной сепарации феррита кобальта и частичной в случае феррита цинка.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Людмила Анатольевна Новикова, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия

доцент кафедры химии и биотехнологии, к.х.н., доцент, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия

Елена Викторовна Томина, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Воронежский государственный университет», Воронеж, Россия

д.х.н., заведующий кафедрой химии и биотехнологии, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Российская Федерация; доцент кафедры материаловедения и индустрии наносистем, Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия

Ольга Николаевна Молчанова, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия

студентка 1 курса лесопромышленного факультета направления подготовки 19.03.01 – Биотехнология, профиль – Промышленная экология, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия

Елизавета Андреевна Жукова, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Россия

студентка 1 курса лесопромышленного факультета направления подготовки 19.03.01 – Биотехнология, профиль – Промышленная экология, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Российская Федерация

Алёна Владимировна Дорошенко, Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия

преподаватель СПО по Химии кафедры химии и биотехнологии, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова; магистрант химического факультета Воронежского государственного университета; Воронеж, Россия

Екатерина Александровна Тюпина, ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Москва, Рос-сия

доцент кафедры химии высоких энергий и радиоэкологии, к.т.н., доцент, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

Литература

Faraji M., Shirani M., Rashidi-Nodeh H. The recent advances in magnetic sorbents and their applications. TrAC Trends in Ana-lytical Chemistry. 2021; 141: 116302. https://doi.org/10.1016/j.trac.2021.116302.

Dabagh Sh., Haris S.A., Ertas Y.N. Engineered Polyethylene Glycol-Coated Zinc Ferrite Nanoparticles as a Novel Magnetic Resonance Imaging Contrast Agent. ACS Biomaterials Science & Engi-neering. 2023; 9(7). https://doi.org/10.1021/acsbio-materials.3c00255

Khodosova N., Novikova L., Tomina E., Belchinskaya L., Zhabin A., Kurkin N., Krupskaya V., Zakusina O., Koroleva T., Tyupina E., et al. Magnetic Nanosorbents Based on Bentonite and CoFe2O4 Spinel. Minerals. 2022; 12: 1474. https://doi.org/10.3390/min12111474

Tomina E., Novikova L., Kotova A., Meshcheryakova A., Krupskaya V., Moro-zov I., Koroleva T., Tyupina E., Perov N., Alekhina Y. ZnFe2O4/Zeolite Nanocompo-sites for Sorption Extraction of Cu2+ from Aqueous Medium. AppliedChem. 2023; 3: 452-476. https://doi.org/10.3390/applied-chem3040029

Ali A., Shah T., Ullah R., Zhou P., Guo M., Ovais M., Tan Z., Rui Y. Review on Recent Progress in Magnetic Nanoparti-cles: Synthesis, Characterization, and Di-verse Applications. Front. Chem. 2021; 9: 629054. https://doi.org/10.3389/fchem.2021.629054

Osman A.I., El-Monaem E.M.A., El-garahy A.M. Methods to prepare biosorbents and magnetic sorbents for water treatment: a review. Environ. Chem. Lett. 2023; 21: 2337-2398. https://doi.org/ 10.1007/s10311-023-01603-4

Chernyh Ja.Ju., Vereshhagina T.A., Mazurova E.V., Parfenov V.A., Solov'ev L.A., Vereshhagin S.N., Sharonova O.M. Magnitnye kompozitnye sorbenty dlja izvlechenija tjazhelyh metallov iz zhidkih othodov i ih immobilizacii v mine-ralopodobnoj matrice. Zhurnal SFU. Himija. 2019; 446-457. (In Russ.)

Tomina E.V., Khodosova N.A., Sinelnikov A.A., Zhabin A.V., Kurkin N.A., Novikova L.A. Influence of the method of formation a nanosized CoFe2O4/nontronite composite on its struc-ture and properties. Condensed Matter and Interphases. 2022; 24(3): 379-386. https://doi.org/10.17308/ kcmf.2022.24/9861

Liandi A.R., Cahyana A.H., Kusumah A.J.F., Lupitasari A., Alfariza D.N., Nu-raini R., Sari R.W., Kusumasari F.C. Re-cent trends of spinel ferrites (MFe2O4: Mn, Co, Ni, Cu, Zn) applications as an envi-ronmen-tally friendly catalyst in multi-component re-actions: A review. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering. 2023; 7: 100303. https://doi.org/10.1016/j.cscee.2023.100303

Tomina E.V., Kurkin N.A., Doro-shenko A.V. Sintez nanorazmernogo ferrita kobal'ta i ego kataliticheskie svojstva v Fen-tonopodobnyh processah. Neorganich-eskie materialy. 2022; 58(7): 727-732. (In Russ.)

Uddin Md.J., Jeong Y.-K. Applica-tion of magnesium ferrite nanomaterials for adsorptive removal of arsenic from water: Effects of Mg and Fe ratio. Chemosphere. 2022; 307(3): 135817. https://doi.org/ 10.1016/j.chemosphere.2022.135817

Goldman A. Crystal Structure of Fer-rites. In: Handbook of Modern Ferro-mag-netic Materials. The Springer Interna-tional Series in Engineering and Computer Sci-ence, 1999; 505. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-4917-8_11

Shilpa Amulya M.A., Nagaswarupa H.P., Anil Kumar M.R., Ravikumar C.R., Prashantha S.C., Kusuma K.B. Sonochemi-cal synthesis of NiFe2O4 nanoparticles: Characterization and their photocatalytic and electrochemical applications. Applied Surface Science Advances. 2020; 1: 100023. https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2020.100023

Islam S., Md. Rahman L., Md. Moni R., Biswas B., Md. Ahmed, Nahid Sharmin F. Impacts of annealing temperature on mi-crostructure, optical and electromagnetic properties of zinc ferrites nanoparticles syn-thesized by polymer assisted sol-gel method. Arabian Journal of Chemistry. 2023; 16(10): 105186. https://doi.org/10.1016/ j.arabjc.2023.105186

Haiduk Yu.S., Korobko E.V., Ko-tikov D.A., Svito I.A., Usenka A.E., Pankov V.V. Preparation and characteriza-tion of cobalt and cobalt-zinc ferrites for magnetorheological materials. Kondensiro-vannye sredy I mezhfaznye granitsy. = Condensed Matter and Interphases. 2022; 24(1): 19-28. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/9051

Ghasemi A. Magnetic Ferrites and Related Nanocomposites, Elsevier, Amsterdam, Netherlands, 2022. 656 p.

Ivanets A., Prozorovich V., Roshchina M., Kouznetsova T., Budeiko N., Kulbitskaya L., Hosseini-Bandegharaei A., Masindi V., Pankov V. A comparative study on the synthesis of magnesium ferrite for the adsorption of metal ions: Insights into the essential role of crystallite size and sur-face hydroxyl groups. Chemical engi-neering journal. 2021; 411: 128523. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128523 18. Simonescu C.M., Tătăruş A., Culiţă D.C., Stănică N., Butoi B., Kuncser A. Fac-ile Synthesis of Cobalt Ferrite (CoFe2O4) Nanoparticles in the Presence of Sodium Bis (2-ethyl-hexyl) Sulfosuccinate and Their Application in Dyes Removal from Single and Binary Aqueous Solutions. Na-nomateri-als. 2021; 11: 3128. https://doi.org/10.3390/ nano11113128

Tolmacheva V.V., Apjari V.V., Ko-chuk E.V., Dmitrienko S.G. Magnitnye sor-benty na osnove nanochastic oksidov zheleza dlja vydelenija i koncentrirovanija or-ganicheskih soedinenij. Zhurn. analit. himii. 2016; 71(4): 339-356. (In Russ.)

Debnath K., Pramanik A. Heteroge-neous bimetallic ZnFe2O4 nanopowder ca-ta-lysed facile four component reaction for the synthesis of spiro[indoline-3,2′-quinoline] derivatives from isatins in water medium. Tetrahedron Lett. 2015; 56(13): 1654-1660. https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2015.02.030

Greg S., Sing K. Adsorbcija, udel'na-ja poverhnost', poristost' M., Mir, 1984, 306 p. (In Russ.)

Thommes M., Kaneko K., Neimark A.V., Olivier J.P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol J., Sing K.S.W. Physisorption of gases, with special reference to the evalua-tion of surface area and pore size distribu-tion (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. 2015; 87(9-10): 1051-1069. https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117

Tovbin Ju.K. Molekuljarnaja teorija adsorbcii v poristyh telah. M.: Fiz-matlit, 2012. 624 p. (In Russ.)

Donohue M.D., Aranovich G.L. Classification of Gibbs adsorption iso-therms. Advances in Colloid and Interface Science. 1998; 76-77, 137-152. https:// doi.org/10.1016/S0001-8686(98)00044-X

Adsorption Isotherms. In: Gas Ad-sorption Equilibria. Experimental Methods and Adsorptive Isotherms. Jürgen U. Kel-ler, Reiner Staudt. Springer, Boston, MA. 2005: 359-413. https://doi.org/10.1007/0-387-23598-1_8

Sing K.S.W., Williams R.T. Phy-sisorption Hysteresis Loops and the Charac-terization of Nanoporous Materials. Adsorp-tion Science & Technology. 2004; 22(10): 773-782.

Grozdov D., Zinicovscaia I. Mesopo-rous Materials for Metal-Laden Wastewater Treatment. Materials. 2023; 16(17): 5864. https://doi.org/10.3390/ma16175864.

Luzanova V.D., Rozhmanova N.B., Lanin S.N., Nesterenko P.N. Application of zeolites in high-performance liquid chro-ma-tography. Sorbtsionnye I khromatograficheskie protsessy. 2023; 23(4): 691-704. (In Russ.) https://doi.org/10.17308/sorp-chrom.2023.23/11576

Barbosa F.F., de Oliveira Soares J., Miranda M.O., Torres M.A.M., Braga T.P. Catalysis Application of Magnetic Ferrites and Hexaferrites. In: Handbook of Magnet-ic Hybrid Nanoalloys and their Nanocom-po-sites, 2022. Springer, Cham. https://doi.org/ 10.1007/978-3-030-34007-0_48-1

Qin H., He Y., Xu P., Huang D., Wang Z., Wang H., Wang Z., Zhao Y., Tian Q., Wang Ch. Spinel ferrites (MFe2O4): Synthe-sis, improvement and catalytic application in environment and energy field. Advances in Colloid and In-terface Science. 2021; 294: 102486. https://doi.org/10.1016/ j.cis.2021.102486

Maji N., Dosanjh, H.S. Ferrite Nano-particles as Catalysts in Organic Reactions: A Mini Review. Magnetochemistry, 2023; 9: 156. https://doi.org/10.3390/magnetochemis-try9060156

León G., Hidalgo A.M., Martínez A., Guzmán M.A., Miguel B. Methylparaben Adsorption onto Activated Carbon and Ac-ti-vated Olive Stones: Comparative Analy-sis of Efficiency, Equilibrium, Kinetics and Ef-fect of Graphene-Based Nanomaterials Ad-dition. Appl. Sci. 2023; 13: 9147. https://doi.org/10.3390/app13169147

Krizhanovskaja O.O., Sinjaeva L.A., Karpov S.I., Selemenev V.F., Borodina E.V., Rjossner F. Kineticheskie modeli pri opisanii sorbcii zhirorastvorimyh fiziolog-icheski aktivnyh veshhestv vysokouporja-dochennymi neorganicheskimi kremnij-soderzhashhimi materialami. Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. 2014; 14(5): 784-794. (In Russ.)

Brandani S. Kinetics of liquid phase batch adsorption experiments. Adsorption. 2021; 27(3): 353-368. https://doi.org/ 10.1007/s10450-020-00258-9

Khamizov R.H., Sveshnikova D.A., Kucherova A.E., Sinjaeva L.A. Kinetich-eskaja model' sorbcionnyh processov v ogra-nichennom ob’eme: sravnenie raschetnyh i jeksperimental'nyh dannyh. Zhurnal fizi-cheskoj himii. 2018; 92(10): 1619-1625. https://doi.org/10.1134/S0044453718100114 (In Russ.)

Ebadi A., Soltan Mohammadzadeh J.S., Khudiev A. What is the correct form of BET isotherm for modeling liquid phase ad-sorption? Adsorption. 2009; 15(1): 65-73.

Kotova D.L., Vasil'eva S.Ju., Krysanova T.A. Equilibrium of the Acid-Activated System Clinoptilolite Tuff - Etha-nol Solution of β-Carotene. Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. 2014; 14(2): 190-196. (In Russ.)

Le D.T., Butyrskaja E.V., Volkov A.A., Gneushev A.S. Issledovanie adsorbcii jenantiomerov gistidina na uglerodnyh na-notrubkah v vodnom rastvore na osnove razlichnyh modelej adsorbcii. Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. 2022; 22(3): 235-242. https://doi.org/10.17308/ sorpchrom.2022.22/9330 (In Russ.)

Kumar M., Dosanjh H.S., Singh H. Removal of lead and copper metal ions in sin-gle and binary systems using biopoly-mer modified spinel ferrite. Journal of En-viron-mental Chemical Engineering. 2018; 6(5): 6194-6206. https://doi.org/10.1016/j.jece.2018.09.054

Taguba M.A.M., Ong D.C., Ensano B.M.B., Kan C.-C., Grisdanurak N., Yee J.-J., de Luna M.D.G. Nonlinear Isotherm and Kinetic Modeling of Cu(II) and Pb(II) Up-take from Water by MnFe2O4/Chitosan Nanoadsorbents. Water. 2021; 13: 1662. https://doi.org/10.3390/w13121662

Manimozhi V., Saravanathamizhan R., Sivakumar E. KT., Jaisankar V. Ad-sorp-tion Study of Heavy Metals Removal from Wastewater Using PVA-Nano Ferrite Com-posites. Int. J. Nanosci. Nanotechnol., 2020; 16(3): 189-200.

Chakraborty S., Menon D., Varri V.S.A., Sahoo M., Ranganathan R., Zhang P., Misra S.K. Does the doping strategy of fer-rite nanoparticles create a correlation between reactivity and toxicity? Environ. Sci.: Nano. 2023; 10: 1553-1569 https://doi.org/10.1039/D3EN00076A

de Vicente J., Delgado A.V., Plaza R.C., Durán J.D.G., González-Caballero F. Stability of Cobalt Ferrite Colloidal Parti-cles. Effect of pH and Applied Magnetic Fields. Langmuir. 2000; 16(21): 7954-7961. https://doi.org/10.1021/la0003490

Thandapani P., Viswanathan M.R., Denardin J.C. Magnetocaloric Effect and Universal Curve Behavior in Superpara-mag-netic Zinc Ferrite Nanoparticles Syn-thesized via Microwave Assisted Co-Precipitation Method. Phys. Status Solidi A. 2018; 1700842