Хімія, фізика та технологія поверхні, 2018, 9 (4), 383-392.

Вивчення фізико-хімічних та сорбційних властивостей SnO2, отриманих шляхом механохімічної та мікрохвильової обробок



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp09.04.383

M. M. Samsonenko, O. I. Zakutevskyy, S. V. Khalameida, J. Skubiszewska-Zięba, M. F. Kovtun

Анотація


Існує багато методів синтезу діоксиду олова SnO2, зокрема золь-гель та осадження. Проте ці методи не дозволяють регулювати фізико-хімічні властивості в широких межах на етапі синтезу. Як правило, отримані зразки є переважно мікропористими. З іншого боку, для ефективного використання діоксиду олова в сорбційних процесах потрібна мезо-макропорувата структура. Механохімічна і мікрохвильова обробки можуть бути використані для усунення зазначених вище недоліків. Тому метою цієї роботи було вивчення впливу механохімічної і мікрохвильової обробок на фізико-хімічні та сорбційні властивості SnO2, отриманого шляхом гетерогенного осадження.

SnO2 гелі та ксерогелі були отримані шляхом гетерогенного осадження з використанням розчину аміаку. Механохімічну обробку сухого ксерогелю, а також вологого гелю проводили на повітрі (суха МХО) та у воді при 300 об/хв протягом 0.5 год з використанням планетарного кулькового млина Pulverisette-7. Вихідний вологий гель був підданий мікрохвильовій обробці протягом 1 год за допомогою реактора високого тиску «NANO 2000». Для характеристики вихідних та модифікованих зразків використовували рентгенофазовий аналіз, диференційно-термічний аналіз, ІЧ-спектроскопію з Фур’є перетворенням, адсорбцію-десорбцію азоту. Сорбційні властивості досліджувалися в процесі сорбції іонів U(VI), Cs(I) та Sr(II).

Вихідний зразок відповідає складу оксогідроксиду олова з брутто формулою Sn3O4(OH)4. При модифікуванні відбувається часткове видалення структурних -ОН груп. Вихідний зразок характеризується високими значеннями питомої поверхні та високим вмістом мікропор. Значення питомої поверхні, загальний об'єм пор та розміри мезопор збільшуються в результаті механохімічної і мікрохвильової обробок. Особливістю механохімічної обробки сухого ксерогелю у воді є утворення вторинної поруватості, що представлена мезо- та макропорами.

Сорбційна ємність у найбільш оптимальних умовах для сорбції іонів U(VI) (рН = 5–6, без фону, катіонні форми іонів урану) для вихідного зразка становила 0.82 мг-екв/г UO22+. Механохімічна та мікрохвильова обробки приводять до різкого збільшення сорбційної ємності оксигідроксиду олова по відношенню до іонів U(VI). Найбільший ефект спостерігався при механохімічній оборобці вологого гелю, сорбційна ємність (А) цього зразка збільшилася майже в три рази, тоді як коефіцієнт розподілу Kd збільшився майже в 70 разів. У разі сорбції на фоні 0.1М NaHCO3 (рН = 8, модель «блочних» вод Чорнобильської АЕС) сорбційна ємність (А) зразка після механохімічної обробки вологого гелю збільшилася на 43 %, у порівнянні з вихідним зразком, від 0.31 до 0.43 мг-екв/г UO22+.

Таким чином, модифіковані зразки можуть видаляти з розчинів як катіонні, так і аніонні форми U(VI). У той же час, було виявлено, що механохімічна і мікрохвильова обробки негативно впливають на сорбцію іонів Cs(I) та Sr(II), у порівнянні з вихідним зразком.

Ключові слова


SnO2; механохімічна та мікрохвильова обробки; порувата структура; сорбція; уран; цезій; стронцій

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Amphlett C.B. Inorganic Ion Exchangers. (Moscow: Mir, 1966). [in Russian].

2. Petro N.Sh., El-Naggar I.M., Shabana E.I., Misak N.Z. On the behaviour of hydrous tin oxide as an ion exchanger: structural features, porous texture, capacity and apparent pK values. Colloids Surf. 1990. 49: 219. https://doi.org/10.1016/0166-6622(90)80104-C

3. Nilchi A., Dehaghan T.Sh. Kinetics, isotherm and thermodynamics for uranium and thorium ions adsorption from aqueous solutions by crystalline tin oxide nanoparticles. Desalination. 2013. 321: 67. https://doi.org/10.1016/j.desal.2012.06.022

4. White D.A., Rautiu R. The sorption of anionic species on hydrous tin dioxide. Chem. Eng. J. 1997. 66(2): 85. https://doi.org/10.1016/S1385-8947(96)03163-4

5. Naushad Mu. Inorganic and composite ion exchange materials and their applications (Review). Ion Exchange Letters. 2009. 2: 1.

6. Coker E.N. Inorganic ion exchangers. Encyclopedia of separation science. (Cambridge:Academic Press, 2000).

7. Clearfield A. Inorganic ion-exchangers, past, present and future. Solvent Extr. Ion Exch. 2000. 18(4): 655. https://doi.org/10.1080/07366290008934702

8. Zhang G., Liu M. Preparation of nanostructured tin oxide using a sol-gel process based on tin tetrachloride and ethylene glycol. J. Mater. Sci. 1999. 34(13): 3213. https://doi.org/10.1023/A:1004685907751

9. Gavrilov V. Adsorption research of microporous structure of tin dioxide. Kinet. Catal. 2000. 41(2): 304. [in Russian]. https://doi.org/10.1007/BF02771430

10. Buyanov R.A., Molchanov V.V., Boldyrev V.V. Mechanochemical activation as a tool of increasing catalytic activity. Catal. Today. 2009. 144(3–4): 212. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2009.02.042

11. Kersen U. The gas-sensing potential of nanocrystalline SnO2 produced by a mechanochemical milling via centrifugal action. Appl. Phys. A. 2002. 75(5): 559. https://doi.org/10.1007/s003390101020

12. Sepelak V., Begin-Colin S., Caer G.L. Transformations in oxides induced by high-energy ballmilling. Dalton Transactions. 2012. 41: 11927. https://doi.org/10.1039/c2dt30349c

13. Tompsett G.A., Conner W.C., Engvesson K.S. Microwave synthesis of nanoporous materials. Chem. Phys. Chem. 2006. 7(2): 296. https://doi.org/10.1002/cphc.200500449

14. Khalameida S.V., Samsonenko M.M., Skubiszewska-Zięba J., Zakutevskyy O.I., Kuznetsova L.S. Effect of mechanochemical modification on properties of powder tin (IV) oxide and oxohydroxide. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2017. 8(3): 271. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp08.03.271

15. Upor E., Mohaya M., Novak D. Photometric methods for determining the traces of inorganic substances. (Moscow: Mir, 1985). [in Russian].

16. Sokovykh E.V., Oleksenko L.P., Maksymovych N.P., Matushko I.P. Influence of temperature conditions of forming nanosized SnO2-based materials on hydrogen sensor properties. J. Therm. Anal. Calorim. 2015. 121(3): 1159. https://doi.org/10.1007/s10973-015-4560-x

17. Ivanov VV, Sidorak I.A., Shubin AA, Denisova L.T. Preparation of SnO2 powders by decomposition of thermally unstable compounds. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2010. 2(3): 189.

18. Krynitsyn A.P., Simanovskaya I.Ya., Strykhar O.L. Investigation of the interaction of water with structural and fuel-containing materials in the premises of the «Ukrytie» facility. Radiochemistry. 1998. 40(3): 279. [in Russian].

19. Kobets S.A., Pshinko G.N., Puzyrnaya L.N. Uranium (VI) in Natural Waters: Study of Occurrence Forms. J. Water Chem. Technol. 2012. 34(6): 277. https://doi.org/10.3103/S1063455X12060057

20. Özero˘glu C., Keçeli G. Kinetic and thermodynamic studies on the adsorption of U(VI) ions on densely crosslinked poly(methacrylic acid) from aqueous solutions. Radiochim. Acta. 2009. 97(12): 709.

21. Persson I. Hydrated metal ions in aqueous solution: How regular are their structures? Pure Appl. Chem. 2010. 82(10): 1901. https://doi.org/10.1351/PAC-CON-09-10-22

22. Marcus Y. Ionic radii in aqueous solutions. Chem. Rev. 1988. 88(8): 1475. https://doi.org/10.1021/cr00090a003

23. Ismail A.F., Khulbe K.C., Matsuura T. Gas Separation Membranes: Polymeric and Inorganic. (Cham: Springer, 2015). https://doi.org/10.1007/978-3-319-01095-3

24. Yang J., Zhao Q., Xu H., Li L., Dong J., Li J. Adsorption of CO2, CH4, and N2 on gas diameter grade ion-exchange small pore zeolites. J. Chem. Eng. Data. 2012. 57(12): 3701. https://doi.org/10.1021/je300940m

25. Zeng Y., Fan C., Do D.D., Nicholson D. Evaporation from an Ink-Bottle Pore: Mechanisms of adsorption and desorption. Ind. Eng. Chem. Res. 2014. 53(40): 15467. https://doi.org/10.1021/ie500215x

26. Boichinova E.S., Bondarenko T.S., Abovskaya N.V., Kolosova M.M. Sorption of anions and some organic peroxides by hydrated dioxides of zirconium, titanium and tin. Sorption and chromatographic processes. 2010. 10(2): 314. [in Russian].

27. Kostrikin A.V., Kosenkova O.V., Gorichev I.G., Spiridonov F.M., Komissarova L.N., Linko I.V., Pankratov D.V., Kostrikina L.P., Kuznetsova R.V., Zaitsev B.E. Surface complexes on the border of hydrated dioxides/water solutions with different pH levels. Vestnik TSTU. 2012. 18(1): 149. [in Russian].

28. Laskorin B.N., Karaseva T.A., Strelko V.V., Denisov V.I. About the reason for the selective sorption of heavy alkaline cations by ion exchangers such as zirconium phosphate. Reports of the Academy of Sciences of the USSR. 1976. 229(4): 910. [in Russian].

29. Behrens E.A., Clearfield A. Titanium silicates, M3HTi4O4(SiO4)3•4H2O (M=Na+, K+),with three-dimensional tunnel structures for the selective removal of strontium and cesium from wastewater solutions. Microporous Mater. 1997. 11(1–2): 65. https://doi.org/10.1016/S0927-6513(97)00022-9

30. Oleksiienko O., Levchuk I., Sitarz M., Meleshevych S., Strelko V., Sillanpää M. Adsorption of caesium (Cs+) from aqueous solution by porous titanosilicate xerogels. Desalin. Water Treat. 2015. 57(12): 1.

31. Alby D., Charnay Cl., Heran M., Prelot B., Zajac J. Recent developments in nanostructured inorganic materials for sorption of cesium and strontium: synthesis and shaping, sorption capacity, mechanisms, and selectivity – a review. J. Hazard. Mater. 2018. 344: 511. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2017.10.047

32. Al–Attar L., Dyer A., Blackburn R. Uptake of uranium on ETS–10 microporous titanosilicate. J. Radioanal. Nucl. Cnem. 2000. 246(2): 451. https://doi.org/10.1023/A:1006700808768




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp09.04.383

Copyright (©) 2018 M. M. Samsonenko, O. I. Zakutevskyy, S. V. Khalameida, J. Skubiszewska-Zięba, M. F. Kovtun