Сорбенти на основі біополімерів різної природи, що містять магнетит, для видалення нафтопродуктів та токсичних іонів з води
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp14.01.121
Анотація
Нафта і нафтопродукти потрапляють до поверхневих вод внаслідок техногенних катастроф, спричинених, зокрема, військовими діями. Для запобігання негативних екологічних наслідків вуглеводні мають бути видалені з водних поверхонь. У статті представлено результати розробки матеріалів для вилучення неполярних рідин із водних середовищ. Запропоновано магнітні сорбенти на основі некарбонізованих біополімерів (рослинної целюлози і кератину). Для виготовлення композитів використовували біополімерні матриці різної морфології на рівні пучків волокон. Залежно від походження матриці, пучки волокон є прямими (целюлоза, отримана з деревини та кукурудзяних качанів), спіралеподібними (целюлоза чайного листя) або лускатими (кератин вовни тварин). Частинки магнетиту вводили до біополімерних матриць після видалення з них нецелюлозних і некератинових включень. Зразки досліджували методами СЕМ та Фур’є ІЧ спектроскопії, магнетит ідентифікували за допомогою рентгенофазового аналізу. Найбільш однорідний розподіл магнітних частинок, розмір яких менший за 1 мкм, виявлено для матриці, отриманої з качанів кукурудзи. Цей композит містив найменшу кількість заліза (0.24 мас. %): саме цей зразок демонструє найкращу плавучість. Сорбент на основі целюлози з листя чаю містив 71% заліза: частинки тонули у воді майже повністю. Його ємність за неполярними рідинами становила (г г-1): 1.6–8.6 (рослинна олія), 10.5–16.4 (нафта), 9.8–14.5 (гас). Після видалення з поверхні води сирої нафти, плівка цієї рідини візуально не спостерігалася. Для очищеної води хімічне споживання кисню становило » 0.2 мгО2·дм-3, це менше норми для питної води. Крім того, сорбент можна легко видалити з водної поверхні за допомогою магніту. Встановлено, що сорбенти також можна використовувати для видалення з води іонів токсичних металів. Як виявлено, магнітні частинки покращують сорбцію іонів Pb2+, але зменшують сорбцію Cd2+. Таким чином, сорбенти з невеликим вмістом неорганічного модифікатора можуть бути використані для видалення нафти і нафтопродуктів з водних поверхонь. Для вилучення неорганічних іонів можна використовувати сорбенти, які тонуть у воді. Перевага сорбентів на основі біополімерів перед відомими матеріалами полягає у нескладному способі синтезу, який передбачає використання дешевої та доступної сировини. Крім того, сорбенти можна легко відокремити від води за допомогою магнітного поля.
Ключові слова
Посилання
Li X., Zhu Y., Abbassi R., Chen G. A probabilistic framework for risk management and emergency decision-making of marine oil spill accidents. Process Safety and Environmental Protection. 2022. 162: 932. https://doi.org/10.1016/j.psep.2022.04.048
Romo-Curiel A.E., Ramírez-Mendoza Z., Fajardo-Yamamoto A., Ramírez-León M.R., García-Aguilar M.C., Herzka S.Z., Pérez-Brunius P., Saldaña-Ruiz L.E., Sheinbaum J., Kotzakoulakisb K., Rodríguez-Outerelo J., Medrano F., Sosa-Nishizaki O. Assessing the exposure risk of large pelagic fish to oil spills scenarios in the deep waters of the Gulf of Mexico. Mar. Pollut. Bull. 2022. 176: 113434. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2022.113434
Jasperse L., Levin M., Rogers K., Perkins C., Bosker T., Griffitt R.J., Sepúlveda M., Guise. S.D. Hypoxia and reduced salinity exacerbate the effects of oil exposure on sheepshead minnow (Cyprinodon variegatus) reproduction. Aquat Toxicol. 2019. 212: 175. https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2019.05.002
Wang F., Lei S., Xue M., Ou J., Li W. In Situ Separation and Collection of Oil from Water Surface via a Novel Superoleophilic and Superhydrophobic Oil Containment Boom. Langmuir. 2014. 30(5): 1281. https://doi.org/10.1021/la403778e
Lee C.H., Tiwari B., Zhanga D., Yap Y.K. Water purification: oil-water separation by nanotechnology and environmental concerns. Environ. Sci.: Nano. 2017. 4(3): 514. https://doi.org/10.1039/C6EN00505E
Patalano A., Villalobos F., Pena P., Jauregui E., Ozkan C., Ozkan M. Scaling sorbent materials for real oil-sorbing applications and environmental disasters. MRS Energy & Sustainability. 2019. 6: 3. https://doi.org/10.1557/mre.2019.3
Toyoda M., Aizawa J., Inagaki M. Sorption and recovery of heavy oil by using exfoliated graphite. Desalin. 1998. 115(2): 199. https://doi.org/10.1016/S0011-9164(98)00038-1
Sykam N., Kar K.K. Rapid synthesis of exfoliated graphite by microwave irradiation and oil sorption studies. Mater. Lett. 2014. 117: 150. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2013.12.003
Dzyazko Y.S., Ogenko V.M. Polysaccharides: An Efficient Tool for Fabrication of Carbon Nanomaterials. In: Polysaccharides: Properties and Applications. (Hoboken: Wiley-Scrivener, 2021). https://doi.org/10.1002/9781119711414.ch16
Riaz M.A., Hadi P., Abidi I.H., Tyagi A., Oua X., Luo Z. Recyclable 3D graphene aerogel with bimodal pore structure for ultrafast and selective oil sorption from water. RSC Adv. 2017. 7(47): 29722. https://doi.org/10.1039/C7RA02886E
Iqbal M.Z., Abdala A.A. Oil spill cleanup using graphene. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2013. 20(5): 3271. https://doi.org/10.1007/s11356-012-1257-6
Paulauskienė T., Jucikė I. Aquatic oil spill cleanup using natural sorbents. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2015. 22(19): 14874. https://doi.org/10.1007/s11356-015-4725-y
Paulauskienė T., Jucikė I., Juščenko N., Baziukė D. The Use of Natural Sorbents for Spilled Crude Oil and Diesel Cleanup from the Water Surface. Water, Air, and Soil Pollution. 2014. 225(6): 1959. https://doi.org/10.1007/s11270-014-1959-0
Li D., Zhu F.Z., Li J.Y., Na P., Wang N. Preparation and Characterization of Cellulose Fibers from Corn Straw as Natural Oil Sorbents. Ind. Eng. Chem. Res. 2013. 52(1): 516. https://doi.org/10.1021/ie302288k
Dong T., Xu G., Wang F. Oil spill cleanup by structured natural sorbents made from cattail fibers. Ind. Crops Prod. 2015. 76: 25. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2015.06.034
Xu B., Long J., Xu G., Yang J., Liang Y., Hu J. Facile fabrication of superhydrophobic and superoleophilic glass-fiber fabric for water-in-oil emulsion separation. Text. Res. J. 2018. 89(13): 2674. https://doi.org/10.1177/0040517518801189
Bai X., Shen Y., Tian H., Yang Y., Feng H., Li J. Facile fabrication of superhydrophobic wood slice for effective water-in-oil emulsion separation. Sep. Pur. Tech. 2019. 210: 402. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.08.010
Dashairya L., Barik D.D., Saha P. Methyltrichlorosilane functionalized silica nanoparticles-treated superhydrophobic cotton for oil-water separation. J. Coat. Techol. Res. 2019. 16(4): 1021. https://doi.org/10.1007/s11998-018-00177-z
Tan X., Wang D., Zang D., Wu L., Liu F., Cao G., Xu Y., Ho S. Superhydrophobic/superoleophilic corn straw as an eco-friendly oil sorbent for the removal of spilled oil. Clean Technol. Environ. Policy. 2020. 23: 145. https://doi.org/10.1007/s10098-019-01808-8
Lv N., Wang X., Peng S., Zhang H., Luo L. Study of the Kinetics and Equilibrium of the Adsorption of Oils onto Hydrophobic Jute Fiber Modified via the Sol-Gel Method. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2018. 15(5): 969. https://doi.org/10.3390/ijerph15050969
Lee J., Kima D., Han S., Bo RaKim B., Park E., Jeong M., Kim J., Kim Y. Fabrication of superhydrophobic fibre and its application to selective oil spill removal. Chem. Eng. J. 2016. 289: 1. https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.12.026
Zhu T., Zhu T., Li S., Huang J., Mihailiasa M., Lai Y. Rational design of multi-layered superhydrophobic coating on cotton fabrics for UV shielding, self-cleaning and oil-water separation. Mater. Des. 2017. 134: 342. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.08.071
Lee J., Kim D., Kim Y. High-performance, recyclable and superhydrophobic oil absorbents consisting of cotton with a polydimethylsiloxane shell. J. Ind. Eng. Chem. 2016. 35: 140. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2015.12.025
Sun H., Zhu Z., Liang W., Yang B., Qin X., Zhao X. Reduced graphene oxide-coated cottons for selective absorption of organic solvents and oils from water. RSC Adv. 2014. 4(58): 30587. https://doi.org/10.1039/C4RA03208J
Ge B., Zhanga Z., Zhua X., Mena X., Zhouab X., Xue Q. A graphene coated cotton for oil/water separation. Compos. Sci. Technol. 2014. 102: 100. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2014.07.020
Hoai N.T., Sang N.N., Hoang T.D. Thermal reduction of graphene-oxide-coated cotton for oil and organic solvent removal. Mater. Sci. Eng. 2017. 216: 10. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2016.06.007
Faraji M., Shirani M., Rashidi-Nodeh H. The recent advances in magnetic sorbents and their applications. TrAC, Trends Anal. Chem. 2021. 141: 116302. https://doi.org/10.1016/j.trac.2021.116302
Maksoud A., Fahim R., Bedir A., Osman A., Abouelela M., El-Sayyad G., Elkodous M., Mahmoud A., Rabee M., Al-Muhtaseb A., Rooney D. Engineered magnetic oxides nanoparticles as efficient sorbents for wastewater remediation: a review. Environ. Chem. Lett. 2022. 20: 519. https://doi.org/10.1007/s10311-021-01351-3
Giakisikli G., Anthemidis A. Magnetic materials as sorbents for metal/metalloid preconcentration and/or separation. A review. Anal. Chim. Acta. 2013. 789: 1. https://doi.org/10.1016/j.aca.2013.04.021
Wang H., Xu X., Rena Z., Gaoa B. Removal of phosphate and chromium(VI) from liquids by an amine-crosslinked nano-Fe3O4 biosorbent derived from corn straw. RSC Adv. 2016. 6(53): 47237. https://doi.org/10.1039/C6RA06801D
Quek S., Wase D., Forster C. The use of sago waste for the sorption of lead and copper. Water S.A. 1998. 24(3): 251.
Sanyahumbi D., Duncan J., Zhao M., Hille R. Removal of lead from solution by the non-viable biomass of the water fern Azolla filiculoides. Biotechnol. Lett. 1998. 20: 745.
Iqbal M., Saeed A., Zafar S. FTIR spectrophotometry, kinetics and adsorption isotherms modeling, ion exchange, and EDX analysis for understanding the mechanism of Cd2+ and Pb2+ removal by mango peel waste. J. Hazard. Mater. 2009. 164(1): 161. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.07.141
Dzyazko Y., Borysenko Y., Zmievskii Y., Zakharov V., Myronchuk V., Kolomiiets E. Organic-inorganic ion exchange materials for electromembrane processing of liquid wastes produced dairy industry. Materials Today: Proceedings. 2022. 50: 496. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.11.301
Dzyazko Y., Ponomarova L., Vol'fkovich Y., Sosenkin V., Belyakov V. Conducting properties of a gel ionite modified with zirconium hydrophosphate nanoparticles. Russ. J. Electrochem. 2013. 49(3): 209. https://doi.org/10.1134/S1023193513030075
Perlova N., Dzyazko A., Perlova Y., Palchik O., 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
Dzyazko Y., Trachevskii V., Rozhdestvenskaya L., Vasilyuk S., Belyakov V. Interaction of sorbed Ni(II) ions with amorphous zirconium hydrogen phosphate. Russ. J. Phys. Chem. 2013. 87: 840. https://doi.org/10.1134/S0036024413050063
Kudelko E., Mal'tseva T., Belyakov V. Sorption of Cr(VI) ions by oxyhydrates of M x Al1− x Oy·nH2O composition, where M is Zr(IV), Ti(IV), or Sn(IV). Colloid J. 2012. 74(3): 313. https://doi.org/10.1134/S1061933X12010073
Dzyaz'ko Y., Belyakov V., Stefanyak N., Vasilyuk S. Anion-exchange properties of composite ceramic membranes containing hydrated zirconium dioxide. Russ. J. Appl. Chem. 2006. 79: 769. https://doi.org/10.1134/S1070427206050132
Mal'tseva T., Pal'chik A., Kudelko E., Vasilyuk S., Kazdobin K. Impact of surface properties of hydrated compounds based on ZrO2 on the value of ionic conduction. J. Water Chem.Techol. 2015. 37(1): 18. https://doi.org/10.3103/S1063455X15010051
Ghandoor H., Zidan H., Mostafa Khalil M., Ismail M. Synthesis and Some Physical Properties of Magnetite (Fe3O4) Nanoparticles. Int. J. Electrochem. Sci. 2012. 7: 5734.
https://www.pharmaguideline.com/2013/06/COD-test-waste-water-organic-pollution-determination.html
Waldron R. Infrared Spectra of Ferrites. Phys. Rev. 1955. 99(6): 1727. https://doi.org/10.1103/PhysRev.99.1727
Nakanishi K., Solomon P.A. Infrared Absorption Spectroscopy. 2nd Edition. (San Francisco: Holden-Day, 1977).
Stewart D., Morrison I.M. Ft-ir spectroscopy as a tool for the study of biological and chemical treatments of barley straw. J. Sci. Food Agric. 1992. 60(4): 431. https://doi.org/10.1002/jsfa.2740600405
Dzyazko Y., Rozhdestvenskaya L., Kudelko K., Fedina I., Ponomaryova L., Nikovska G., Dzyazko O. Hydrated Iron Oxide Embedded to Natural Zeolite: Effect of Nanoparticles and Microparticles on Sorption Properties of Composites. Water, Air, and Soil Pollution. 2022. 233(6): 205. https://doi.org/10.1007/s11270-022-05681-y
Dzyazko Y., Kolomiiets Y. Sorbents based on non-carbonized vegetable raw materials. Ukr. Chem. J. 2022. 88(5): 37. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.33609/2708-129X.88.05.2022.37-68
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp14.01.121
Copyright (©) 2023 V. O. Kolomiiets, O. V. Palchik, Yu. S. Dzyazko, T. V. Yatsenko, L. M. Ponomaryova, V. M. Ogenko
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.