Адсорбция ионов меди из водного раствора с использованием углеродных наноматериалов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 541.183.7, 546.562'226

А. Д. Милютина,* В. А. Колесников

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: alenchik- 1991@mail.ru

АДСОРБЦИЯ ИОНОВ МЕДИ ИЗ ВОДНОГО РАСТВОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Аннотация

Углеродные наноматериалы (УНМ) были исследованы в качестве потенциальных адсорбентов для извлечения ионов Cu(II) из водного раствора. Эффективность адсорбентов была исследована путем определения их адсорбционной способности. В работе было также изучено влияние рН раствора, количества адсорбента и начальной концентрации ионов меди (II) на процесс адсорбции. Установлено, что адсорбция ионов Cu2+ на УНМ существенно зависит от рН раствора. Эффективность извлечения ионов Cu(II) повышается с ростом рН от 3 до 7, а затем адсорбция остается постоянной. Оптимальное количество адсорбента для достижения максимального извлечения ионов меди составляет 0,2 мг/40 мл для углеродных нанотрубок (УНТ) и 0,1 мг/40 мл углеродных наночешуек (УНЧ).

Ключевые слова: углеродные наноматериалы, адсорбция, ионы меди, нанотрубки, наночешуйки.

Наличие чрезмерного количества тяжелых металлов в водной окружающей среде (таких как хром, медь, свинец, никель, ртуть, цинк и др.) привлекает большое внимание из-за их токсичности и канцерогенности. Присутствие металлов в воде может вызывать разрушение различных систем человека и приводить к необратимым последствиям: разрушению печени, недостаточности почек, сердечно-сосудистой дистонии, повреждению слизистой оболочки, желудочно-кишечное раздражению и раку легких [1].

Углеродные наноматериалы (УНМ) обладают набором преимущественных свойств: высокой проводимостью, термостойкостью, повышенной износостойкостью, антикоррозионными свойствами и легкостью. Благодаря выше перечисленным свойствам УНМ нашли свое применение в ряде

областей, среди которых можно выделить электронику, машино- и авиастроение.

Цель данного исследования заключается в изучении и сравнении адсорбционной способности углеродных наноматериалов - углеродных нанотрубок (УНТ) и наночешуек (УНЧ) для удаления ионов меди из водного раствора

CuSO4. В работе были оптимизированы такие параметры, как рН раствора, количество УНМ и исходная концентрация для лучшего понимания процесса адсорбции и для улучшения максимальной результативности удаления ионов меди из водных растворов.

В исследовании использовались два образца углеродных наноматериалов: образец № 205 - УНТ, обработанный Н^3; образец № 202 - УНЧ, не подвергшийся окислению. В таблице 1 приводятся их технические характеристики.

Таблица 1. Основные характеристики образцов

Характеристика Образцы УНМ

205 (УНТ) 202 (УНМ)

Удельная поверхность, м2/г 250 - 1500 >1800

Удельное сопротивление, Ом^см 0,04-0,06 0,04-0,06

Насыпной вес, г/см3 0,12-0,2 0,12-0,2

Химический состав С > 90%, О 1-6%, С > 95%,

Cl < 1%, Со < 5%, О 1-5%,

Mo < 1% Cl < 0,5%

Зольность менее 0,5% менее 0,5%

Серия опытов адсорбции проводилась путем добавления 0,5 г УНМ к 40 мл электролита, содержащего ионы меди (II). После достижения равновесия, суспензии фильтровали через 0,1 мкм мембраны и затем начальную и конечную концентрацию металла измеряли методом атомно-абсорбционной спектроскопии.

Сорбционная активность была рассчитана по формуле (1). В этом выражении Сисх и Скон -

начальная и конечная концентрация ионов меди(П), моль/л; Vэл - объем электролита, л и m - масса УНМ,

р _ ~ С;-:;:-:.1 ^ зл (^

111

Ионы меди в загрязненной среде присутствуют в различных концентрациях в зависимости от источников загрязнения. Поэтому эксперименты проводились с различными начальными

концентрациями меди от 0,5 до 200 мг/л при при рН=4. Результаты сорбции Си(11) с

постоянном перемешивании УНМ в течение 30 мин использованием УНТ, показаны на рис. 1.

Г* 105, моль/г

ги

гос 150

100

•Л ---

о е С, мг/л

О 10 М 50 40 50

-*—УИТ ¥НЧ

Рис. 1. Зависимость адсорбции от начальной концентрации катионов Си2+ (С=0,5; 5 и 50 мг/л) из раствора Си804 на

двух образцах УНМ

Для изучения влияния количества адсорбента ряд экспериментов проводился путем добавления УНМ массой 0,1; 0,2; 0,3 и 0,5 г/40 мл. При этом, а другие параметры (время контакта 30 мин, рН 4 и концентрация ионов металла 50 мг/л) оставались постоянными. Экспериментальные исследования показали, что эффективность удаления ионов меди незначительно увеличивается с повышением массы УНМ. Оптимальное количество адсорбента УНТ составило 0,2 г, а УНЧ - 0,1 г.

Адсорбционное поведение Си(11) для одинаковой начальной концентрации и для равновесного

г*юг,

моль/г

50 мг/л

5 мг/л

0,5 мг/л РН

Ъ 4 $ 6 7 К 9

—С=0,5мг/л —С=5 мг/л —•— С=50мг/л

Рис. 2. Зависимость адсорбции катионов Си2+ от рН раствора Си804, С=0,5; 5 и 50 мг/л, на УНМ №205 (УНТ)

Низкая сорбция ионов меди (II) в кислой области может быть частично обусловлена преобладанием в этой области положительно заряженных частиц. Это повышает электростатическое отталкивание, существующее между поверхностью сорбента и металлов [2]. Активные центры адсорбентов менее доступны для ионов металлов, потому что протонирование активных центров в области высокой концентрации и подвижность ионов гидроксония способствуют избирательной адсорбции ионов водорода, а не ионов металлов в одних и тех же областях. Эти изменения можно

времени процесса было изучено как функция от рН. Значение рН раствора выступает в качестве важного параметра, контролирующего адсорбционный процесс, который может повлиять на свойства поверхности адсорбента путем вовлечения его (УНМ) в сложные механизмы. Начальные значения рН растворов изменяли от 3 до 9, используя разбавленный раствор ИКОз и 0,1 М раствор КаОИ. Зависимость начального значения рН от количества адсорбированных ионов меди на УНТ и УНЧ показана на рис. 2 и рис. 3, соответственно.

Г* 10', моль/г

50 мг;

'л

5 мгЛ 1

0,5 мг/л „,,

„ *-*-*-* РН

3 4 5 6 7 8

—•— # (1=$ МГ/Я —Ш—С*Ь0ни/п

Рис. 3. Зависимость адсорбции катионов Си2+ от рН раствора Си804, С=0,5; 5 и 50 мг/л, на УНМ №202 (УНЧ)

объяснить с учетом поверхностного заряда УНМ, степени ионизации и видов металлов в водном растворе. Таким образом, при низких значениях рН адсорбенты имеют слабую поглощающую способность [3].

Высокие значения рН благоприятны для депротонирования гидроксильных групп на поверхности сорбента. Повышение эффекта депротонирования увеличивает количество отрицательно заряженных центров. Тогда связанный с адсорбентом ион Н+ высвобождается лучше и больше активных центров становится доступно для

связывания ионов металлов за счет уменьшения числа протонов в растворе. В связи с высвобождением ионов Н+ с поверхности УНМ эта поверхность заряжается отрицательно.

Отрицательный заряд усиливает электростатические силы притяжения между поверхностью сорбента и металлов. Тем не менее, ионы La (III) и Nd (III), которые положительно заряжены, могут легко связываться с отрицательно диссоциированными

формами активных групп и формами металлических комплексов с поверхностными группами. Это приводит к увеличению адсорбционной способности

[4, 5].

«Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-2900194)»; Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева.

Милютина Алёна Дмитриевна аспирант кафедры общей и неорганической химии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Колесников Владимир Александрович д.т.н., профессор кафедры технологии электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. Chungsying Lu, Chunti Liu. Removal of nickel(II) from aqueous solution by carbon nanotubes // J. Chem. Technol. Biotechnol. — 2006. № 81. — P. 1932-1940.

2. Roy A., Bhattacharya J. Removal of Cu(II), Zn(II) and Pb(II) from water using microwave-assisted synthesized maghemite nanotubes // Chem. Eng. J. - 2012. № 211-212. - P. 493-500.

3. Alaa M. Younis, Artem V. Kolesnikov, Andrei V. Desyatov. Efficient removal of La(III) and Nd(III) from aqueous solutions using carbon nanoparticles // American Journal of Analytical Chemistry. - 2014. Vol. 5. № 17. - P. 1273-1284.

4. Afkhami A., Moosavi R. Adsorptive removal of Congo red, a carcinogenictextile dye, from aqueous solutions by maghemite nanoparticles // J. Hazard. Mater. - 2010. Vol. 174. - P. 398-403.

5. Sari A., Tuzen M., Citak D., Soylak M. // J. Hazard. Mater. - 2007. № 148. - P. 387-394.

Milutina Alyona Dmitrievna*, Kolesnikov Vladimir Alexandrovich

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: alenchik-1991@mail.ru

ADSORPTION OF COPPER IONS FROM AQUEOUS SOLUTIONS USING CARBON NANOMATERIALS

Abstract

Carbon nanomaterials (CNM) have been investigated as potential adsorbents for extracting ions of Cu (II) from aqueous solution. The efficiencies of adsorbents was investigated by finding its adsorption capacity. The paper was also studied the effects of pH of solution, the adsorbent dose and the initial concentration of copper ion (II) were investigated to the adsorption process. It is found that the adsorption of Cu2+ ions on carbon nanomaterials was strongly dependent on pH value. The removal efficiency of ions Cu (II) increases with the pH of 3 to 7, and then the adsorption remains constant. The optimum absorbent dosage to achieve the maximum adsorption capacity is 0.2 mg / 40 ml for carbon nanotubes (CNTs) and 0.1 mg / 40 ml of carbon nanoflakes (CNFs).

Key words: carbon nanomaterials, adsorption, copper ions, nanotubes, nanoflakes.