ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Нанорозмірне нуль-валентне залізо широко використовується для очищення ґрунтових вод, рекультивації ґрунтів та вирішення інших екологічних проблем. Однак, наночастинки Fe⁰ мають тенденцію до агрегації і легко окиснюються. Ці фактори зменшують активність і ефективність нанорозмірного нуль-валентного заліза. Метою роботи був синтез стабілізованого Fe⁰ на поверхні палигорськіту і його органомодифікованої форми та дослідження особливостей процесів сорбції цими матеріалами таких небезпечних токсикантів як сполуки U(VI) та Со(ІІ). У роботі вивчено структуру синтезованих сорбентів за допомогою РФА, ІЧ спектроскопії та мікроскопічних досліджень. Встановлено, що отримані частинки Fe⁰ мають структуру «ядро-оболонка». Показано, що на ефективність видалення іонів металів значно впливає рН водного середовища, вміст ПАР та кількість іммобілізованого нанорозмірного Fe⁰ на поверхні палигорськіту. Встановлено, що композиційні сорбенти мають кращі сорбційні властивості по відношенню як до урану, так і до кобальту, у порівнянні з нанорозмірним нуль-валентним залізом, що пов’язано із підвищенням дисперсності частинок Fe⁰. При цьому органомодифікування поверхні палигорськіту з використанням катіонної поверхнево-активної речовини гексадецилтриметиламоній броміду (ГДТМА) дає змогу одержати матеріал з кращими сорбційними властивостями у порівнянні з сорбентами на основі палигорськіту. Обґрунтовано механізм сорбційного вилучення Со(ІІ) та сорбційно-відновлювального вилучення іонів U(VI) із водних середовищ при застосуванні органомодифікованих силікатних матеріалів на основі аналізу фізико-хімічних процесів, які відбуваються на поверхні контакту нанорозмірного Fe⁰ з водою. Встановлено, що оптимальний вміст Fe⁰ у композиті для вилучення іонів Co(II) та U(VI) з водних розчинів становить ~10% маси сорбента. Доведено, що використання природного та органомодифікованого палигорськіту як підкладки для іммобілізації наночастинок заліза дає можливість стабілізувати його та забезпечити високу реакційну здатність сорбентів. Встановлено перспективність використання залізовмісних сорбентів на основі палигорськіту та органопалигорськіту для ефективного видалення іонів важких металів та радіонуклідів із водних середовищ.

1. Fu F., Dionysiou D.D., Liu H. The use of zero-valent iron for groundwater remediation and wastewater treatment: A review. J. Hazard. Mater. 2014. 267: 194. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2013.12.062

2. Chekli L., Bayecarmadi B., Sekine R., Sarkar B., Shen A., Scheckel K., Skinner W., Naidu R., Shon H., Lombi E., Donner E. Analytical characterization on nanoscale zero-valent iron: a methodological review. Anal. Chim. Acta. 2016. 903: 13. https://doi.org/10.1016/j.aca.2015.10.040

3. Tosco T., Papini M., Viggi C. Nanoscale zero-valent iron particles for groundwater remediation: a review. J. Cleaner. Prod. 2014. 77: 10. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2013.12.026

4. Zou Y., Wang X., Khan A., Wang P., Liu Y., Alsaedi A., Hayat T., Wang X. Environmental remediation and application of nanoscale zero-valent iron and its composites for the removal of Heavy Metal Ions:A Review. Environ. Sci. Technol. 2016. 50(14): 7290. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b01897

5. Trujillo-Reyes J., Peralta-Videa J.R., Gardea-Torresdey J.L. Supported and unsupported nanomaterials for water and soil remediation: Are they a useful solution for worldwide pollution? J. Hazard. Mater. 2014. 280: 487. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2014.08.029

6. Zhao X., Liu W., Cai Z., Han B., Qian T., Zhao D. An overview of preparation and applications of stabilized zero-valent iron nanoparticles for soil and groundwater remediation. Water Res. 2016. 100: 245. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.05.019

7. Petala E., Dimos K., Douvalis A., Bakas T, Tucek J, Zbořil R, Karakassides M. Nanoscale zero-valent iron supported on mesoporous silica: characterization and reactivity particles for Cr(VI) removal from aqueous solution. J. Hazard. Mater. 2013. 261: 295. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2013.07.046

8. Liu Z., Zhang F., Hoekman S.K., Liu T., Gai C., Peng N. Homogeneously dispersed zerovalent iron nanoparticles supported on hydrochar-derived porous carbon: simple, in situ synthesis and use for dechlorination of PSBs. ACS Sustainable Chem. Eng. 2016. 4(6): 3261. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b00306

9. Lv X., Hu Y., Tang J., Sheng T., Jiang G., Xu X. Effect of co-existing ions and natural organic matter on removal of chromium (VI) from aqueous solution by nanoscale zero-valent iron (nZVI)-Fe3O4 nanocomposites. Chem. Eng. J. 2013. 218: 55. https://doi.org/10.1016/j.cej.2012.12.026

10. Li Z.J., Wang L., Yuan L.Y., Xiao C.L., Mei L., Zheng L.R., Zhang J., Yang J.H., Zhao Yu.L., Chai Z.F., Shi W.Q. Efficient removal of uranium from aqueous solution by zero-valent iron nanoparticle and its graphene composite. J. Hazard. Mater. 2015. 290: 26. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2015.02.028

11. Lv X., Xue X., Jiang G., Wu D., Sheng T., Zhou H., Xu X. Nanoscale zero-valent iron (nZVI) assembled on magnetic Fe3O4/graphene for chromium (VI) removal from aqueous solution. J. Colloid Interface Sci. 2014. 417: 51. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2013.11.044

12. Ezzatahmadi N., Ayoko G.A., Millar G.J., Speight R., Yan C., Li J., Li S., Zhu J., Xi Yu. Clay-supported nanoscale zero-valent iron composite materials for the remediation of contaminated aqueous solutions: a review. Chem. Eng. J. 2017. 312: 336. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.11.154

13. Bergaya F., Theng B.K.G., Lagaly G. Developments in Clay Science. Handbook of Clay Science. V. 1. (Oxford: Elsevier, 2006).

14. Üzüm C., Shahwan T., Eroglu A., Hallam K.R., Scott T.B., Lieberwirth I. Synthesis and characterization of kaolinite-supported zero-valent iron nanoparticles and their application for the removal of aqueous Cu2+ and Co2+ ions. Appl. Clay Sci. 2009. 43(2): 172. https://doi.org/10.1016/j.clay.2008.07.030

15. Zhang X., Lin S., Lu X.-Q., Chen Z. Removal of Pb(II) from water using synthesized kaolin supported nanoscale zero-valent iron. Chem. Eng. J. 2010. 163(3): 243. https://doi.org/10.1016/j.cej.2010.07.056

16. Gu C., Jia H., Li H., Teppen B.J., Boyd S.A. Synthesis of highly reactive subnano-sized zero-valent iron using smectite clay templates. Environ. Sci. Technol. 2010.44(11): 4258.

17. Bhowmick S., Chakraborty S., Mondal P., Van Renterghem W., Van den Berghe S., Roman-Ross G., Chatterjee D., Iglesias M. Montmorillonite-supported nanoscale zero-valent iron for removal of arsenic from aqueous solution: Kinetics and mechanism. Chem. Eng. J. 2014. 243: 14. https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.12.049

18. Shahwan T., Uzum C., Eroğlu A.E., Lieberwirth I. Synthesis and characterization of bentonite/iron nanoparticles and their application as adsorbent of cobalt ions. Appl. Clay Sci. 2010. 47(3–4): 257. https://doi.org/10.1016/j.clay.2009.10.019

19. Chen Z., Jin X., Chen Z, Megharaj M., Naidu R. Removal of methyl orange from aqueous solution using bentonite-supported nanoscale zero-valent iron. J. Colloid Interface Sci. 2011. 363(2): 601. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2011.07.057

20. Sheng G., Shao X., Li Y., Li J., Dong H., Cheng W., Gao X., Huang Y. Enhanced removal of uranium(VI) by nanoscale zerovalent iron supported on Na-bentonite and an investigation of mechanism. J. Phys. Chem. A. 2014. 118(16): 2952. https://doi.org/10.1021/jp412404w

21. Li X., Zhao Y., Xi B., Meng X., Gong B., Li R., Peng X., Liu H. Decolorization of methyl orange by a new clay-supported nanoscale zero-valent iron: synergetic effect, efficiency optimization and mechanism. J. Environ. Sci. 2017. 52: 8. https://doi.org/10.1016/j.jes.2016.03.022

22. Xu S., Boyd S.A. Cationic surfactant adsorption by swelling and nonswelling layer silicates. Langmuir. 1995. 11(7): 2508. https://doi.org/10.1021/la00007a033

23. Pang Z., Yan M., Jia X., Wang Z., Chen J. Debromination of decabromodiphenyl ether by organo-montmorillonite supported nanoscale zero-valent iron: Preparation, characterization and influence factors. J. Environ. Sci. 2014. 26: 483. https://doi.org/10.1016/S1001-0742(13)60419-2

24. Li S., Wu P.; Li H., Wu Z.; Li P., Wu J., Wang X., Dang Z. Synthesis and characterization of organo-montmorillonite supported iron nanoparticles. Appl. Clay Sci. 2010. 50(3): 330. https://doi.org/10.1016/j.clay.2010.08.021

25. Wu P., Li S., Ju L., Zhua N., Wu J, Li P., Danga Z. Mechanism of the reduction of hexavalent chromium by organo-montmorillonite supported iron nanoparticles. J. Hazard. Mater. 2012. 219-220: 283. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.04.008

26. Zhdanyuk N.V., Kovalchuk I.A., Kornilovych B.Yu. Sorption of uranium(VI) ions by iron-containing nanocomposites based on montmorillonite. Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine. 2018. 4: 88. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/dopovidi2018.04.088

27. Fu R., Yang Y., Xu Z., Zhang X., Guo X., Bi D. The removal of chromium(VI) and lead(II) from groundwater using sepiolite-supported nanoscale zero valent iron (S-ZVI). Chemosphere. 2015. 138: 726. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2015.07.051

28. Frost R., Xi Y., He H. Synthesis, characterization of palygorskite supported zerovalent iron and its application for methylene blue adsorption. J. Colloid Interface Sci. 2010. 341: 153. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2009.09.027

29. Ovcharenko F.D. Fizychna khimija dyspersnykh mineraliv. (Kyiv: Naukova dumka, 1997). [in Ukrainian].

30. Galan E., Singer A. Developments in palygorskite-sepiolite research. A new outlook on these nanomaterials. (Oxford: Elsevier, 2011).

31. Zhao X., Liu W., Cai Z., Han B., Qian T., Zhao D. An overview of preparation and applications of stabilized zero-valent iron nanoparticles for soil and groundwater remediation. Water Res. 2016. 100: 245. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.05.019

32. Zhuang G., Wu H., Zhang H., Zhang Z., Zhang X., Liao L. Rheological properties of organo-palygorskite in oil-based drilling fluids aged at different temperatures. Appl. Clay Sci. 2017. 137: 50. https://doi.org/10.1016/j.clay.2016.12.015

33. Zhdanyuk N., Kovalchuk I., Kornilovyich B. Obtaining stabilized nanodispersed iron based on organofilized montmorillonite. Eastern European Journal of Enterprise Technologies. 2016. 5/6: 23. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.79452

34. Brindley G., Brown G. Crystal structures of clay minerals and their X-ray indentification. (London: Miner, 1980).

35. Suarez M., Garcia-Romero E. FTIR spectroscopic study of palygorskite: Influence of the composition of the octahedral sheet. Appl. Clay Sci. 2006. 31: 154. https://doi.org/10.1016/j.clay.2005.10.005

36. Guo H., Jing X., Zhang L., Wang J. Preparation of inorganic–organic pillared montmorillonite using ultrasonic treatment. J. Mater. Sci. 2007. 42: 6951. https://doi.org/10.1007/s10853-006-1329-4

37. Stumm W. Chemistry of the solid-water interface. (New York/Chishester/Brisbane/Toronto/Singapore: Wiley – Interscience, 1992).

38. Kornilovych B.Yu., Sorokin O.G., Pavlenko V.M., Koshyk Yu.I. Pryrodooxoronni texnologiyi v uranovydobuvnij ta pererobnij promyslovosti. (Kyiv: Norma, 2011). [in Ukrainian].

40. Sheng G., Shao X., Li Y., Li J., Dong H., Cheng W., Gao X., Huang Y. Enhanced removal of uranium(VI) by nanoscale zerovalent iron supported on Na-bentonite and an investigation of mechanism. J. Phys. Chem. A. 2014. 118: 2952. https://doi.org/10.1021/jp412404w