Эффективное извлечение ионов La(III) и Nd(III) из водных растворов с использованием углеродных наночастиц Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 1_

УДК 546.654, 546.657

А. Д. Милютина*, А. В. Колесников

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

ЭФФЕКТИВНОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ ИОНОВ La(III) и Nd(III) ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УГЛЕРОДНЫХ НАНОЧАСТИЦ

Аннотация

Исследовано влияние различных условий (рН раствора, количество адсорбента, время контакта и начальная концентрация исследованных редкоземельных металлов) на адсорбцию La(III) и Nd(III) на углеродных наночастицах (УНЧ). Установлено, что оптимальная адсорбция для удаления исследованных редкоземельных элементов (РЗЭ) из загрязненной воды составляет 0,02 г/25 мл УНЧ при рН 7,0 после 40 мин адсорбции. Углеродные наночастицы можно рассматривать как потенциальные адсорбенты для ионов металлов из сточных вод.

Ключевые слова: адсорбция, редкоземельные элементы,

Одной из главных экологических проблем в мире является утилизация больших объемов сточных вод, содержащих тяжелые металлы. Основными источниками этих металлов являются металлургическая, химическая и горнодобывающая промышленности. Среди различных технологий удаления тяжелых металлов из водного раствора метод адсорбции считается простой, экономной и эффективной операцией, поскольку не дает вредные побочные продукты. Кроме того, как адсорбент, так и загрязнители могут быть восстановлены, что дает преимущества и делают его перспективной альтернативой дорогостоящим методам разделения и удаления тяжелых металлов из загрязненной воды, таким, например, как мембранная фильтрация, коагуляция и др. [1,2].

Цель данного исследования заключается в определении адсорбционной возможности углеродных наночастиц для удаления РЗЭ (лантана и неодима) из эталонного раствора сточных вод. Такие параметры адсорбции, как рН раствора, количество УНЧ, время контакта и исходная концентрация РЗЭ были оптимизированы для улучшения процесса адсорбции и достижения максимальной результативности удаления РЗЭ из сточных вод.

В данной работе были исследованы эффекты варьируемых параметров (рН раствора, количество адсорбента, время контакта и начальная концентрация РЗЭ), которые влияют на извлечение/процесс адсорбции. Серия

адсорбционных опытов проводилась путем замачивания 25 мг УНЧ в 25 мл сточных вод, содержащих лантан и неодим, при постоянном перемешивании. После достижения равновесия, суспензии фильтровали через 0.1 мкм мембраны, и затем начальную и конечную концентрацию металла определяли, используя ICP-MS (XSeriesII Thermo Scientific Inc., USA).

лантан, неодим, углеродные наночастицы.

Были рассчитаны такие характеристики, как адсорбционная способность (1) и процент эффективного извлечения (2). В уравнениях (1) и (2) qt - количество ионов металлов, адсорбированных на УНЧ(мг/г), а - процент эффективности извлечения ионов металла, %, С0 и О - начальная и равновесная концентрации ионов металла в растворе, V и m -объем раствора и масса адсорбента, соответственно.

а

х 100

(1)

(2)

Все серии экспериментов были проведены трижды. Одновременно для определения потери ионов металла при адсорбции за счет стеклянной посуды или других экспериментов проводился контрольный эксперимент (без адсорбента).

Собственная структура поверхности адсорбента (рис. 1) была определена с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ, EPMA JEOL 1610ГУ; SSD, X-Max, JEOL, Япония).

Структура исследованных образцов углеродных наночастиц достаточно неоднородна и состоит из гранулярных частиц, а удельная поверхность превышает 1800 м2/г. Структурной однородности не хватает и различие в размерах использованных гранул отражаются на процессе синтеза УНЧ.

Детали о микроструктуре частиц и поверхностной структуре УНМ выявлены на изображениях сканирующего электронного микроскопа (СЭM) с высоким разрешением, как показано на рис. 2. Очевидно, что частицы этих УНМ имеют структуру графита, а аморфный углерод в УНМ не присутствует.

Рис. 1. Изображения УНЧ, используемые для адсорбции Ьа (III) и М (III) из водного раствора, полученные

сканирующим электронным микроскопом

Процент адсорбции Ьа и Ш на УНЧ сильно зависит от рН раствора. Эффективность извлечения Ьа (III) и № (III) демонстрирует постепенное увеличение при возрастании рН 2 до рН 7, а затем адсорбция остается постоянной вплоть до рН 10. Низкая сорбция в кислой области может быть частично обусловлена преобладанием положительно заряженных частиц. Эти частицы повышают электростатическое отталкивание, существующее между поверхностью сорбента и металлов [3]. Таким образом, 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 над ионами металлов в одних и тех же областях. Эти изменения можно объяснить с учетом поверхностного заряда УНЧ, степени ионизации и видов металлов в водном растворе [4]. Следовательно, адсорбенты имеют плохую адсорбционную способность при низких значениях рН. Аналогичная тенденция была обнаружена в эффекте контактного времени, который заметно увеличивался вначале эксперимента, а затем достигал равновесия по достижению 40 мин.

Экспериментальные результаты показали, что эффективность удаления ионов металлов увеличивается с увеличением массы сорбента. Оптимальное количество адсорбента для достижения максимальной сорбционной емкости оказалось

равным 0,02 г/25 мл, а процент адсорбции немного увеличивался для обоих элементов с уменьшением концентрации металлов, что может быть связано с насыщением доступных активных адсорбционных УНЧ.

Рис. 2 СЭМ-изображение углеродных наночастиц

Равновесное сорбционное поглощение (адсорбционная емкость) является одним из наиболее важных факторов, поскольку оно определяет, какая часть примеси может быть удалена из очищенного раствора на единицу массы адсорбента.

23456789 10 pH

Рис. 3. Сорбционная способность La (III) и Nd (III) на УНЧ при экспериментальных условиях: Co = 12 мкг / л; количество сорбента 25 мг / 25 мл, время контакта 120 мин

На рис. 3 представлена зависимость сорбционной способности РЗЭ на сорбенте из УНЧ от рН раствора. Сорбционная способность представляет собой отношение количества сорбированного РЗЭ на единицу массы сорбента, состоящего из данных УНЧ, к равновесной концентрации

соответствующего иона в растворе в интервале рН от 2,0 до 10,0.

Как следует из представленных на рисунке данных, адсорбционная емкость La (III) и Nd (III) склонна расти с повышением рН.

«Исследования были проведены за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-2900194)» Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева.

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

Колесников Артём Владимирович к.х.н., с.н.с технопарка «Экохимбизнес» РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Литература

1. Sheng G.D., Shao D.D., Fan Q.H., Xu Di, Chen Y.X., Wang X.K. // Radiochim. Acta. - 2009. Vol. 97. № 11 - P.621-630.

2. Demirbas E., Dizge N., Sulak M.T., Kobya M. // Chem. Eng. J. - 2009. Vol. 148. №2. - P. 480-487.

3. 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.

4. Johnson S.B., Franks G.V., Scales P.J., Boger D.V., Healy T.W. // Int. J. Miner.Process. - 2000. Vol. 58. № 1. - P. 267-304.

Milutina Alyona Dmitrievna*, Kolesnikov Artem Vladimirovich

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

EFFICIENT REMOVAL OF La(III) AND Nd(III) FROM AQUEOUS SOLUTIONS USING CARBON NANOPARTICLES

Abstract

Effect of different conditions (pH of solution, amount of adsorbent, the contact time and the initial concentration of investigated rare earth metals) on the adsorption of La (III) and Nd (III) on the carbon nanoparticles (CNP) was investigated. It was found that the optimum adsorption for the removal studied metals from contaminated water were 0.02g/25ml of carbon nanoparticles at pH 7.0 after 40 min of adsorption. Carbon nanoparticles can be considered as potential adsorbents to target metal ions from wastewater.

Key words: adsorption, rare earth elements, Lanthanum, Neodymium, carbon nanoparticles.