Хімія, фізика та технологія поверхні, 2021, 12 (1), 18-31.

Сорбція сполук U(VI) неорганічними композитами, що містять частково розкриті вуглецеві нанотрубки



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp12.01.018

O. V. Perlova, I. S. Ivanova, Yu. S. Dzyazko, M. O. Danilov, I. A. Rusetskii, G Ya. Kolbasov

Анотація


На відміну від іонообмінних смол, неорганічні сорбенти мають високу селективність відносно іонів важких металів та стійкість до іонізуючих випромінювань. Однак сорбція на цих матеріалах досить повільна. Крім того, їхня сорбційна ємність суттєво залежить від рН розчинів. З метою покращення сорбційних властивостей неорганічних сорбентів одержують композити, що містять вуглецеві матеріали. Встановлено закономірності сорбції сполук урану(VI) з низькоконцентрованих водних розчинів                    (до 0.1 ммоль дм–3 урану) на гідратованому діоксиді цирконію і гідрофосфаті цирконію, а також на даних сорбентах, модифікованих частково розкритими вуглецевими нанотрубками. Отримано і проаналізовано ізотерми сорбції. Встановлено, що вони описуються моделлю Дубініна-Радушкевича. Запропоновано механізм сорбції (іонний обмін) із зазначенням сорбційних центрів, розмір яких є порівняним з розмірами іонів, що сорбуються. Показано, що при pH розчинів 3–4 добавки вуглецю збільшують сорбційну здатність гідратованого діоксиду цирконію, а при рН 5–7 – гідрофосфату цирконію. За цих умов уранвмісні катіони практично повністю виділяються з однокомпонентних розчинів. Під час вилучення урану з таких розчинів швидкість сорбції підпорядковується кінетичній моделі псевдодругого порядку, причому частково розкриті вуглецеві нанотрубки уповільнюють сорбцію на діоксиді цирконію і прискорюють її на гідрофосфаті цирконію. Проаналізовано залежність констант кінетичного рівняння псевдодругого порядку від рН урановмісних розчинів. Сорбція урану з розчинів, що містять також іони Ca2+ і Mg2+, описується кінетичним рівнянням першого порядку. Регенерація проводилася з використанням розчинів HNO3 і NaHCO3. Встановлено, що швидкість десорбції урану з поверхні досліджених сорбентів лімітується швидкістю внутрішньої дифузії. Показано, що однокомпонентний гідрофосфат цирконію практично повністю регенерується розчином NaHCO3. Найкращим реагентом для десорбції U(VI) з композиту на основі гідрофосфату цирконію є 1 M розчин HNO3.


Ключові слова


сорбція; сполуки урану(VI); гідратований діоксид цирконію; гідрофосфат цирконію; частково розкриті вуглецеві нанотрубки

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Hoover J., Gonzales M., Shuey C., Barney Y., Lewis J. Elevated arsenic and uranium concentrations in unregulated water sources on the navajo nation, USA. Exposure Health. 2017. 9(2): 113. https://doi.org/10.1007/s12403-016-0226-6

2. Bjørklund G., Semenova Yu., Pivina L., Dadar M., Rahman M., Aaseth J., Chirumbolo S. Uranium in drinking water: a public health threat. Arch. Toxicol. 2020. 94(5): 1551. https://doi.org/10.1007/s00204-020-02676-8

3. Hakonson-Hayes A.C., Fresquez P., Whicker F. Assessing potential risks from exposure to natural uranium in well water. J. Environ. Radioact. 2002. 59(1): 29. https://doi.org/10.1016/S0265-931X(01)00034-0

4. Bhalara P.D., Punetha D., Balasubramanian K. A review of potential remediation techniques for uranium(VI) ion retrieval from contaminated aqueous environment. J. Environ. Chem. Eng. 2014. 2(3): 1621. https://doi.org/10.1016/j.jece.2014.06.007

5. Basu H., Pimple M.V., Saha S., Patel A., Dansena C., Singhal R.K. TiO2 microsphere impregnated alginate: a novel hybrid sorbent for uranium removal from aquatic bodies. New J. Chem. 2020. 44(10): 3950. https://doi.org/10.1039/C9NJ06006E

6. Saha S., Basu H., Rout S., Pimple M.V., Signal R.K. Nano-hydroxyapatite coated activated carbon impregnated alginate: A new hybrid sorbent for uranium removal from potable water. J. Environ. Chem. Eng. 2020. 8(4): 103999. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.103999

7. Galhoum A.A., Eisa W.H., IbrahimEl-Tantawy El-Sayed I.E.T., Tolba A.A., Shalaby Z.M., Mohamady S.A., Muhammad S.S., Hussien S.S., Akashi T., Guiba E. A new route for manufacturing poly(aminophosphonic)-functionalized poly(glycidyl methacrylate)-magnetic nanocomposite - Application to uranium sorption from ore leachate. Environ. Pollut. 2020. 264: 114797. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.114797

8. Youssef W.M., Sheikh A.S.E., Ahmed S.H., Morsy A. Polyacrylic acid/polyaniline composite as efficient adsorbent for uranium extraction from nuclear industrial effluent. J. Radioanal. Nucl. Chem. 2020. 324: 87. https://doi.org/10.1007/s10967-020-07060-5

9. Shelar-Lohar G., Joshi S. Comparative study of uranium and thorium metal ion adsorption by gum ghatti grafted poly(acrylamide) copolymer composites. RSC Adv. 2019. 9(70): 41326. https://doi.org/10.1039/C9RA08212C

10. Moghaddam R.H., Dadfarnia S., Shabani A.M.H., Tavakol M. Synthesis of composite hydrogel of glutamic acid, gum tragacanth, and anionic polyacrylamide by electron beam irradiation for uranium(VI) removal from aqueous samples: Equilibrium, kinetics, and thermodynamic studies. Carbohydr. Polym. 2019. 206: 352. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.10.030

11. Liu J., Zhao C., Yuan G., Dong Y., Yang J., Li F., Liao J., Yang Y., Liu N. Adsorption of U(VI) on a chitosan/polyaniline composite in the presence of Ca/Mg-U(VI)-CO3 complexes. Hydrometallurgy. 2018. 175: 300. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2017.12.013

12. Pan D., Fan Q., Fan F., Tang Y., Zhang Y., Wu W. Removal of uranium contaminant from aqueous solution by chitosan@attapulgite composite. Sep. Purif. Technol. 2017. 177: 86. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2016.12.026

13. Haggag E.S.A., Abdelsamad A.A., Masoud A.M. Potentiality of uranium extraction from acidic leach liquor by polyacrylamide-acrylic acid titanium silicate composite adsorbent. Int. J. Environ. Anal. Chem. 2020. 100(2): 204. https://doi.org/10.1080/03067319.2019.1636037

14. Dzyazko Yu.S., Perlova O.V., Perlova N.A., Volfkovich Yu.M., Sosenkin V.E., Trachevskii V.V., Sazonova V.F., Palchik A.V. Composite cation-exchange resins containing zirconium hydrophosphate for purification of water from U(VI) cations. Desalin. Water Treat. 2017. 69: 142. https://doi.org/10.5004/dwt.2017.0686

15. Perlova N., Dzyazko Y., Perlova O., Palchik A., Sazonova V. Formation of Zirconium Hydrophosphate Nanoparticles and Their Effect on Sorption of Uranyl Cations. Nanoscale Res. Lett. 2017. 12: 209. https://doi.org/10.1186/s11671-017-1987-y

16. Perlova O., Dzyazko Yu., Halutska I., Perlova N., Palchik A. Anion exchange resin modified with nanoparticles of hydrated zirconium dioxide for sorption of soluble U(VI) compounds. Springer Proc. Phys. 2018. 210: 3. https://doi.org/10.1007/978-3-319-91083-3_1

17. Li Z., Chen F., Yuan L., Liu Y., Zhao Y., Chai Z., Shi W. Uranium(VI) adsorption on graphene oxide nanosheets from aqueous solutions. Chem. Eng. J. 2012. 210: 539. https://doi.org/10.1016/j.cej.2012.09.030

18. Wang C.L., Li Y., Liu C.L. Sorption of uranium from aqueous solutions with graphene oxide. J. Radioanal. Nucl. Chem. 2015. 304(3): 1017. https://doi.org/10.1007/s10967-014-3855-x

19. Zhao G.X., Wen T., Yang X., Yang S.B., Liao J.L., Hu J., Shao D.D., Wang X.K. Preconcentration of U(VI) ions on few-layered graphene oxide nanosheets from aqueous solutions. Dalton Trans. 2012. 41(20): 6182. https://doi.org/10.1039/C2DT00054G

20. Sun Y., Yang S., Sheng G., Guo Z., Wang X. The removal of U(VI) from aqueous solution by oxidized multiwalled carbon nanotubes. J. Environ. Radioact. 2012. 105: 40. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2011.10.009

21. Wang Y., Wang Z., Gu Z., Yang J., Liao J., Yang Y., Liu N. Tang J. Uranium(VI) sorption on graphene oxide nanoribbons derived from unzipping of multiwalled carbon nanotubes. J. Radioanal. Nucl. Chem. 2015. 304: 1329. https://doi.org/10.1007/s10967-015-3981-0

22. Gu Z., Wang Y., Tang J., Yang J., Liao J., Yang Y., Liu N. The removal of uranium(VI) from aqueous solution by graphene oxide-carbon nanotubes hybrid aerogels. J. Radioanal. Nucl. Chem. 2015. 303: 1835. https://doi.org/10.1007/s10967-014-3795-5

23. Li S., Yang P., Liu X., Zhang J., Xie W., Wang C. Graphene oxide based dopamine mussel-like cross-linked polyethylene imine nanocomposite coating with enhanced hexavalent uranium adsorption. J. Mater. Chem. A. 2019. 7(28): 16902. https://doi.org/10.1039/C9TA04562G

24. Song S., Wang K., Zhang Y., Wang Y., Zhang C., Wang X., Zhang R., Chen J., Wen T., Wang X. Self-assembly of graphene oxide/PEDOT:PSS nanocomposite as a novel adsorbent for uranium immobilization from wastewater. Environ. Pollut. 2019. 250: 196. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.04.020

25. Liu H., Zhou Y., Yang Y., Zou K., Wu R., Xia K., Xie S. Synthesis of polyethylenimine/graphene oxide for the adsorption of U(VI) from aqueous solution. Appl. Surf. Sci. 2019. 471: 88. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.11.231

26. Peng W., Huang G., Yang S., Guo C., Shi J. Performance of biopolymer/graphene oxide gels for the effective adsorption of U (VI) from aqueous solution. J. Radioanal. Nucl. Chem. 2019. 322: 861. https://doi.org/10.1007/s10967-019-06727-y

27. Radhakrishnan A., Nahi J., Beena B. Synthesis and characterization of multi-carboxyl functionalized nanocellulose/graphene oxide-zinc oxide composite for the adsorption of uranium(VI) from aqueous. Mater. Today: Proc. 2020.  https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.05.249

28. Hu X., Wang Y., Yang J.Q., Li Y., Wu P., Zhang H., Yuan D., Liu Y., Wu Z., Liu Z. Synthesis of graphene oxide nanoribbons/chitosan composite membranes for the removal of uranium from aqueous solutions. Front. Chem. Sci. Eng. 2020. 14: 1029. https://doi.org/10.1007/s11705-019-1898-9

29. Perlova O.V., Dzyazko Yu.S., Palchik A.V., Ivanova I.S., Perlova N.O., Danilov M.O., Rusetskii I.A., Kolbasov G.Ya., Dzyazko A.G. Composites based on zirconium dioxide and zirconium hydrophosphate containing graphene-like additions for removal of U(VI) compounds from water. Appl. Nanosci. 2020. 10: 4591. https://doi.org/10.1007/s13204-020-01313-1

30. Yang A., Zhu Y., Huang C.P. Facile preparation and adsorption performance of graphene oxide-manganese oxide composite for uranium. Sci. Rep. 2018. 8: 9058. https://doi.org/10.1038/s41598-018-27111-y

31. Ali A.H. Potentiality of zirconium phosphate synthesized from zircon mineral for uptaking uranium. Sep. Sci. Technol. 2018. 53(14): 2284. https://doi.org/10.1080/01496395.2018.1445115

32. Tatarchuk T., Shyichuk A., Mironyuk I., Naushad M. A review on removal of uranium(VI) ions using titanium dioxide based sorbents. J. Molec. Liq. 2019. 293: 111563. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111563

33. Kapnisti M., Noli F., Misaelides P., Vourlias G., Karfaridis D., Hatzidimitriou A. Enhanced sorption capacities for lead and uranium using titanium phosphates; sorption, kinetics, equilibrium studies and mechanism implication. Chem. Eng. J. 2018. 342: 184. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.02.066

34. Wang Y., Zeng D., Dai Y., Fang C., Han X., Zhang Z., Cao X., Liu Y. The Adsorptive Ability of 3D Flower-Like Titanium Phosphate for U(VI) in Aqueous Solution. Water, Air, Soil Pollut. 2020. 231: 464. https://doi.org/10.1007/s11270-020-04817-2

35. Mu W., Yu Q., Zhang R., Li X., Hu R., He Y., Wei H., Jian Y., Yang Y. Controlled fabrication of flower-like α-zirconium phosphate for the efficient removal of radioactive strontium from acidic nuclear wastewater. J. Mater. Chem. A. 2017. 5(46): 24388. https://doi.org/10.1039/C7TA07803J

36. Dzyazko Yu.S., Ogenko V.M., Shteinberg L.Ya., Bildyukevich A.V., Yatsenko T.V. Composite adsorbents including oxidized graphene: effect of composition on mechanical durability and adsorption of pesticides. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2019. 10(4): 432. https://doi.org/10.15407/hftp10.04.432

37. Dzyazko Yu.S., Ogenko V.M., Volfkovich Yu.M., Sosenkin V.E., Maltseva T.V., Yatsenko T.V., Kudelko K.O. Composite consisting of hydrated zirconium dioxide and graphene oxide for removal of organic and inorganic components from water. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2018. 9(4): 417. https://doi.org/10.15407/hftp09.04.417

38. Danilov M.O., Rusetskii I.A., Slobodyanyuk I.A., Dovbeshko G.I., Kolbasov G.Y., Strubov Y.Y. Synthesis, properties, and application of graphene-based materials obtained from carbon nanotubes and acetylene black. Ukr. J. Phys. 2016. 7(1): 3.

39. Dzyazko Y.S., Volfkovich Y.M., Sosenkin V.E., Nikolskaya N.F., Gomza Yu.P. Composite inorganic membranes containing nanoparticles of hydrated zirconium dioxide for electrodialytic separation. Nanoscale Res. Lett. 2014. 9(1): 271. https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-271

40. Kadam B.V., Maiti B., Sathe R.M. Selective spectrophotometric method for the determination of uranium(VI). Analyst. 1981. 106(1263): 724. https://doi.org/10.1039/an9810600724

41. Szabo T., Tombacz E., Illes E., Dekany I. Enhanced acidity and pH-dependent surface charge characterization of successively oxidized graphite oxides. Carbon. 2006. 44(3): 537. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2005.08.005

42. Myronchuk V., Zmievskii Y., Dzyazko Y., Rozhdestveska L., Zakharov V., Bildyukevich A. Electrodialytic whey demineralization involving polymer-inorganic membranes, anion exchange resin and graphene-containing composite. Acta Periodica Technologica. 2019. 50: 163. https://doi.org/10.2298/APT1950163M

43. Nazarenko V.A., Antonovich V.P., Nevskaya E.M. Hydrolysis of metal ions in diluted solutions. (Moscow: Atomizdat, 1964). [in Russian].

44. Gapel G., Cormelis R., Caruso J.A., Crews H., Heumann K.G. Handbook of elemental speciation II. Species in the environment, food, medicine and occupational health. (Chichester, UK: Wiley, 2005). https://doi.org/10.1002/0470856009

45. Rieman W., Walton H. Ion Exchange in Analytical Chemistry. (Oxford, New York, Toronto, Sydney, Braunschweig: Pergamon Press, 1970).

46. 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

47. Maya L. Sorbed uranium(VI) species on hydrous titania, zirconia, and silica gel. Radiochim. Acta. 1981. 31(3-4): 147. https://doi.org/10.1524/ract.1982.31.34.147

48. Almazan-Torres M.G., Drot R., Mercier-Bion F., Catalette H. Den Auwer C., Simoni E. Surface complexation modeling of uranium(VI) sorbed onto zirconium oxophosphate versus temperature: Thermodynamic and structural approaches. J. Colloid Interface Sci. 2008. 323(1): 42. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2008.03.041

49. Zakutevskyy O.I., Psareva T.S., Strelko V.V. Sorption of U(VI) ions on sol-gel-synthesized amorphous spherically granulated titanium phosphates, Russ. J. Appl. Chem. 2012. 85(9): 1366. https://doi.org/10.1134/S107042721209011X

50. Volfkovich Y.M. Influence of the electric double layer on the internal interface in an ion exchanger on its electrochemical and sorption properties. Soviet Electrochem. 1984. 20(5): 621.

51. Kinoshita K. Carbon: Electrochemical and Physicochemical Properties. (New York: Wiley, 1988).

52. Ho Y.S., McKay G. Pseudo-second order model for sorption processes. Process Biochem. 1999. 34(5): 451. https://doi.org/10.1016/S0032-9592(98)00112-5

53. Rai G. Chemical kinetics. (New Delhi: Goel Publishing House, 2010).

54. Helfferich F. Ion Exchange. (New York: Dover, 1995).

55. Sazonova V.F., Perlova O.V., Perlova N.A., Polikarpov A.P. Colloid J. 2017. 79(2): 270. https://doi.org/10.1134/S1061933X17020132

56. Perlova O.V., Sazonova V.F., Perlova N.A., Polikarpov A.P. Sorption of uranium(VI) compounds by fibrous cation exchanger FIBAN K-1 from acidic media. Water: Chemistry and Ecology. 2016. 3: 53. [in Russian].




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp12.01.018

Copyright (©) 2021 O. V. Perlova, I. S. Ivanova, Yu. S. Dzyazko, M. O. Danilov, I. A. Rusetskii, G Ya. Kolbasov

 CC By Creative Commons "Attribution" 4.0