Написати автору Вилучення іонів цезію та стронцію з водних розчинів з використанням геополімерних матеріалів на основі метакаоліну
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp15.01.102
Анотація
Метою представленої роботи був синтез геополімерних матеріалів на основі метакаоліну та визначення їхньої адсорбційної здатності у процесах вилучення іонів цезію та стронцію з водних розчинів. Запропоновано нові підходи для одержання двох зразків геополімерів у технологічно придатних формах. Морфологію матеріалів досліджували за допомогою рентгенофлуоресцентного аналізу (РФС), методу низькотемпературної адсорбції/десорбції азоту, скануючої електронної мікроскопії (СЕМ). Як випливає з даних РФС, основними компонентами в усіх досліджуваних зразках виявилися оксиди SiO2 та Al2O3 (~ 54–84 мас. %). Як було встановлено дослідженнями СЕМ, геополімери складаються з нанорозмірних частинок, аморфного геополімерного зв’язуючого і каоліну, що не прореагував. Було встановлено, що всі зразки мають мезопори розміром 1–40 нм. Найбільша питома поверхня, розрахована методом Брунауера-Еммета-Теллера (БЕТ), була виявлена для зразка, отриманого у формі сферичних стрижнів (SBЕТ = 88 м2/г), що приблизно в 10 разів більше, ніж для вихідного каоліну, взятого для синтезу. Визначено іонообмінну здатність матеріалів у процесі видалення іонів Cu2+, Cs+ та Sr2+ з водних розчинів та встановлено, що ці властивості залежать від способу отримання матеріалів. Дані показали, що геополімери більш ефективні для видалення обраних іонів, ніж вихідний каолін. Найбільша адсорбційна ємність щодо іонів цезію була отримана на зразках у формі пірамід, і досягала 1.75 ммоль/г. Для обробки експериментальних даних була використана теоретична модель Ленгмюра та розраховані основні константи Ленгмюра. Аналізуючи дані досліджень із порівнянням з літературними даними, відзначено, що отримані геополімери можуть бути використані в адсорбційній технології для очищення води від радіонуклідів як технологічно придатні сорбенти.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
1. Alby D., Charnay C., 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
2. Chen Sh., Jiayin Hu J., Han S., Guo Y., Belzile N., Deng T. A review on emerging composite materials for cesium adsorption and environmental remediation on the latest decade. Sep. Purif. Technol. 2020. 251: 117340. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.117340
3. Abdollahi T., Towfighi J., Rezaei-Vahidian H. Sorption of cesium and strontium ions by natural zeolite and management of produced secondary waste. Environ. Technol. Innovation. 2020. 17: 100592. https://doi.org/10.1016/j.eti.2019.100592
4. Zabulonov Y., Kadoshnikov V., Zadvernyuk H., Melnychenko T., Molochko V. Effect of the surface hydration of clay minerals on the adsorption of cesium and strontium from dilute solutions. Adsorption. 2021. 27: 41. https://doi.org/10.1007/s10450-020-00263-y
5. Galambos M., Kufcakova J., Rosskopfova O., Rajec P. Adsorption of cesium and strontium on natrified bentonites. J. Radioanal. Nucl. Chem. 2010. 283: 803. https://doi.org/10.1007/s10967-009-0424-9
6. Prajitno M.Y., Harbottle D., Hondow N., Zhang H., Hunter T.N. The effect of pre-activation and milling on improving natural clinoptilolite for ion exchange of cesium and strontium. J. Environ. Chem. Eng. 2020. 8(1): 10299. https://doi.org/10.1016/j.jece.2019.102991
7. Parka S.M., Alessi D.S., Baek K. Selective adsorption and irreversible fixation behavior of cesium onto 2:1 layered clay mineral: a mini review. J. Hazard. Mater. 2019. 369: 569. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.02.061
8. Abdollahi T., Towfighi J., Rezaei-Vahidian H. Sorption of cesium and strontium ions by natural zeolite and management of produced secondary waste. Environ. Technol. Innovation. 2020. 17: 100592. https://doi.org/10.1016/j.eti.2019.100592
9. Ge Y., Yuan Y., Wang K., He Y., Cui X. Preparation of geopolymer-based inorganic membrane for removing Ni2+ from wastewater. J. Hazard. Mater. 2015. 299: 711. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2015.08.006
10. Rozek P., Krol M., Mozgawa W. Geopolymer-zeolite composites: A review. J. Cleaner. Prod. 2019. 230: 557. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.05.152
11. Abbas R., Khereby M.A., Ghorab H.Y., Elkhoshkhany N. Preparation of geopolymer concrete using Egyptian kaolin clay and the study of its environmental effects and economic cost. Clean Technol. Environ. Policy. 2020. 22: 669. https://doi.org/10.1007/s10098-020-01811-4
12. Novais R.M., Pullar R.C., Labrincha J.A. Geopolymer foams: An overview of recent advancements. Prog. Mater. Sci. 109: 100621. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2019.100621
13. Zhang X., Bai Ch., Qiao Y., Wang X., Jia D., Li H., Colombo P. Porous geopolymer composites: A review. Composites, Part A. 2021. 150: 106629. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106629
14. Foo K.Y., Hameed B.H. Insights into the modeling of adsorption isotherm systems. Chem. Eng. J. 2010. 156(1): 2. https://doi.org/10.1016/j.cej.2009.09.013
15. Cheng T.W., Lee M.L., Ko M.S., Ueng T.H., Yang S.F. The heavy metal adsorption characteristics on metakaolin-based geopolymer. Appl. Clay Sci. 2012. 56: 90. https://doi.org/10.1016/j.clay.2011.11.027
16. El-Eswed B.I., Yousef R.I., Alshaaer M., Hamadneh I., Al-Gharabli S.I., Khalili F. Stabilization/solidification of heavy metals in kaolin/zeolite based geopolymers. Int. J. Miner. Process. 2015. 137: 34. https://doi.org/10.1016/j.minpro.2015.03.002
17. Panda L., Lena S.K., Rath S.S., Misra P.K. Heavy metal removal from water by adsorption using a low-cost geopolymer. Environ. Sci. Pollut. Res. 2020. 27(9): 24284. https://doi.org/10.1007/s11356-020-08482-0
18. Romanova I.V., Kirillov S.A. Preparation of Cu, Ni and Co oxides by a citric acid-aided route. J. Therm. Anal. Calorim. 2018. 132(3): 503. https://doi.org/10.1007/s10973-017-6880-5
19. Tarnovsky D.V., Tsyba M.M., Kuznetsova L.S., Khodakovska T.A., Romanova I.V. Physico-chemical properties of cerium and ferric doped titanium hydroxides synthesized by two methods. J. Chem. Technol. 2021. 29: 192.
20. Kravchenko M.V., Khodakovska T.A., Kovtun M.F., Romanova I.V. Inorganic sorbents based on magnesium silicates obtained by two synthetic routes. Environ. Earth. Sci. 2022. 81(24): 549. https://doi.org/10.1007/s12665-022-10664-7
21. Rasaki S.A., Bingxue Zh., Guarecuco R., Thomas T., Minghui Y. Geopolymer for use in heavy metals adsorption, and advanced oxidative processes: a critical review. J. Cleaner. Prod. 2018. 12: 145. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.12.145
22. Awwad A.M., Amer M.W., Al-aqarbeh M.M. TiO2-kaolinite nanocomposite prepared from the Jordanian Kaolin clay: Adsorption and thermodynamics of Pb(II) and Cd(II) ions in aqueous solution. Chem. Int. 2020. 4(4): 168.
23. Jang J.G., Park S.M., Lee H.K. Cesium and strontium retentions governed by aluminosilicate gel in alkali-activated cements. Materials. 2017. 10(4): 447. https://doi.org/10.3390/ma10040447
24. Vandevenne N., Iacobescu R.I., Carleer R., Samyn P., D'Haen J., Pontikes Y., Schreurs S., Schroeyers W. Alkali-activated materials for radionuclide immobilisation and the effect of precursor composition on Cs/Sr retention. J. Nucl. Mater. 2018. 510: 525. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.08.045
25. Tian Q., Sasaki K. Application of fly ash-based materials for stabilization/solidification of cesium and strontium. Environ. Sci. Pollut. Res. 2019. 26(23): 23542. https://doi.org/10.1007/s11356-019-05612-1
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp15.01.102
Copyright (©) 2024 D. V. Tarnovsky, O. S. Fedoryshyn, O. A. Vyshnevskyi, I. V. Romanova
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.