Исследование распределения наночастиц FE3O4 на кокосовом волокне для адсорбции ионов Ni (II) и Cr (VI) в водной среде



Введение

Загрязнение окружающей среды, особенно водных ресурсов, становится все более актуальной в мировом масштабе проблемой. Во Вьетнаме широкий общественный резонанс получили случаи массовой гибели рыбы из-за загрязнения водоемов. Подобные экологические катастрофы вызывают опасения у населения. Загрязненная вода оказывает долгосрочное негативное воздействие как на экосистему, так и на здоровье человека. Накапливаясь в организме человека, токсичные вещества вызывают сердечно-сосудистые заболевания, болезни печени и почек, а также нервной системы.

Одной из причин загрязнения водоемов является сброс в них промышленных и токсичных сточных вод совсем без очистки либо с неудовлетворительной очисткой.

Чтобы исключить загрязнение воды, необходимо усилить меры по очистке промышленных сточных вод. В частности, наиболее важной экологической задачей, которую предстоит решить в ближайшее время, является удаление ионов тяжелых металлов из источников сточных вод до их сброса в окружающую среду. Метод адсорбции, состоящий в использовании полученных из сельскохозяйственных отходов и побочных продуктов (чайный и соевый остатки, кокосовое волокно) адсорбентов для отделения тяжелых металлов от водной среды, является интересным направлением исследования по причине его высокой экологичности [1].

Цель настоящей работы — синтез наночастиц Fe₃O₄ и распределение их на кокосовом волокне для адсорбции ионов Ni (II) и Cr (VI) в водной среде.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Модифицирование кокосового волокна лимонной кислотой

Кокосовые волокна после расщепления были промыты, замочены в растворе NaOH 0,1 М в течение 48 ч, затем повторно промыты дистиллированной водой и замочены в лимонной кислоте 55 % в течение 48 ч (при изготовлении материалов для адсорбции Cr (VI) пропускали стадию погружения в лимонную кислоту). Затем кокосовое волокно фильтровали через воронку, вакуумировали и сушили при 80 °С в течение 12 ч и денатурировали при 120 °С в течение 3 ч. Модифицированный материал замачивали в дистиллированной воде в течение 4 ч для удаления избытка лимонной кислоты. Затем его вновь сушили при 60 °С в течение 6 ч и хранили в эксикаторе.

Синтез наночастиц Fe₃O₄: Наночастицы Fe₃O₄ синтезировали методом соосаждения из растворов FeCl₂ и FeCl₃ с молярным соотношением 1:2 путем медленного добавления раствора NH₃ 25 % с использованием магнитной мешалки. После реакции частицы оксида, отдающие темно-коричневым цветом, несколько раз фильтровали дистиллированной водой, чтобы обеспечить очистку от таких примесей, как NH₄Cl, NH₄OH, Fe(OH)₃... Наконец, наночастицы высушили в печи при 40 °C в течение 12 ч.

Распределения наночастиц Fe₃O₄ на кокосовом волокне: Добавили 1,72 г FeCl₂.4H₂O и 2,8 г FeCl₃ в 160 мл дистиллированной воды при температуре 80 °C в течение 15 мин с использованием магнитной мешалки. Медленно добавили в полученный оранжево-желтый раствор 25 мл раствора NH₃ 25 % со скоростью 1 капля в секунду. После добавления 10 г модифицированного кокосового волокна и перемешивания в течение 30 мин при 80 °C смесь была охлаждена до комнатной температуры и несколько раз промыта дистиллированной водой для получения черного твердого вещества. Высушили твердое вещество при 40 °С в течение 20 ч, получили материал кокосового волокна с нанопокрытием Fe₃O₄.

Адсорбция Ni (II), Cr (VI): добавили 0,15 г адсорбента в треугольник с 25 мл раствора Ni (II) или Cr (VI) с концентрацией 100 мг/л. Перемешали смесь магнитной мешалкой при комнатной температуре в течение 120 мин со скоростью 200 об/мин. После сорбции отфильтровали раствор и измерили полученную концентрацию Ni (II) и Cr (VI) в растворе с помощью атомно-адсорбционной спектроскопии (AAS). Эффективность адсорбции Н (%) и адсорбционную нагрузку q (мг/г) рассчитывали по формуле:

и

где C₀, C_t — начальная и полученная концентрация ионов Ni (II) и Cr (VI) после адсорбции (мг/л); V — объем раствора (л); m — масса адсорбента (г).

Результаты и обсуждение

1. Анализ морфологии поверхности материала

На дифрактограмме порошков Fe₃O₄ (рис. 1) установлена только одна фаза, соответствующая Fe₃O₄. Основные пики (200), (311), (511) и (440) для структуры шпинели Fe₃O₄.

На рис. 2а представлены изображения ТЕМ синтезирующихся наночастиц Fe₃O₄. Видно, что они имеют сферическую форму размером 10–20 нм, но слипаются в кластеры.

Рис. 1. Диаграмма XRD наночастиц Fe₃O₄

(а)(b)

(c)(d)

Рис. 2. Изображения TEM (а) и SEM наночастиц Fe₃O₄ (b); SEM кокосового волокна (c) и Fe₃O₄ на кокосовом волокне (d)

Экспериментальные анализы показали, что поверхность кокосового волокна имеет губчатую, многорезонаторную форму (рис. 2b), а наночастицы Fe₃O₄ состоят из множества мелких пористых кристаллов (рис. 2с). После распределения Fe₃O₄ на кокосовом волокне поверхность материала становится более шероховатой, поэтому мелкие кристаллы цепляются за нее (рис. 2d).

Спектр ИК-поглощения кокосового волокна и кокосового волокна с Fe₃O₄ показан на рис. 3.

Рис. 3. ИК-спектры кокосового волокна (a) и кокосового волокна с Fe₃O₄ (b)

Из рис. 3а следует, что широкая полоса в диапазоне 3400–3500 см^-1 соответствует валентным колебаниям связи группы -ОН. Пик около 2972 см^-1 отвечает колебаниям связи группы C-H, а пик поглощения при 1716 см^-1 характеризует колебание группы С = O. Полоса поглощения при 1617 см^-1 соответствует колебаниям расширенной группы C = O, связанной с группой NH₂. Пики поглощения при 1513 см^-1; 1377 см^-1; 1046 см^-1 соответственно характеризуют колебания вторичной аминогруппы, симметричных групп СН₃ и группы С — О.

Спектры ИК-полощения кокосового волокна до и после распределения частиц Fe₃O₄ имеют схожую форму (рис. 3). Однако положение основных пиков было смещено, некоторые пики спектра исчезли, а другие появились. Это доказывает, что наночастицы Fe₃O₄ не просто покрывают поверхность кокосового волокна, что, по-видимому, связано с функциональными группами кокосового волокна.

2. Изоэлектрическая точка материала

Результаты определения изоэлектрической точки материала представлены на рис. 4.

Рис. 4. Зависимости ΔрН от рН растворов, содержащих материалы

Из зависимости ΔpH от pH раствора, на пересечении графика с горизонтальной осью, определяли значение изоэлектрической точки материала. Экспериментальные результаты показывают, что изоэлектрическая точка кокосового волокна, Fe₃O₄, кокосового волокна с Fe₃O₄ соответственно равна 4,5; 6,8; 3,4. Так, процесс распределения Fe₃O₄ на кокосовом волокне подталкивает изоэлектрическую точку материала к кислотной области. Это подтверждает, что между Fe₃O₄ и кокосовым волокном не только нормальная физическая дисперсия, но также образовались химические связи.

3. Испытание адсорбционной способности Ni (II), Cr (VI) в водной среде

Экспериментальные результаты были представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Результаты адсорбции Cr (VI) và Ni (II)

Материал	C (мг/л)	H %	C (мг/л)	H %
	Cr (VI)		Ni (II)
Кокосовое волокно	38,57	61,43	45,18	54,82
Fe3O4	27,83	72,17	32,34	67,66
Кокосовое волокно с Fe3O4	10,32	89,68	15,57	84,43

Экспериментальные данные показали, что все 3 типа материалов: кокосовое волокно, Fe₃O₄ и кокосовое волокно с Fe₃O₄ — обладают хорошей адсорбционной способностью как для катионов Ni²⁺, так и для анионов Cr₂О₇^2-. Эффективность адсорбции возрастает по порядку: кокосовое волокно; Fe₃O₄ и кокосовое волокно с Fe₃O₄. Это можно объяснить анализом поверхностных свойств материала (рис. 2). Кристаллы Fe₃O₄ при диспергировании в полостях кокосового волокна не только увеличивают площадь поверхности материала, но и сами действуют как центры адсорбции, тем самым повышая адсорбционную способность кокосового волокна.

Заключение

Исследования физико-химических характеристик материалов (SEM, TEM, XRD и ИК) показали, что распределение Fe₃O₄ на кокосовом волокне приводит к заметному изменению морфологии поверхности материала. Наличие Fe₃O₄ на кокосовом волокне подталкивает изоэлектрическую точку материала к кислотной области.

Установлено, что между Fe₃O₄ и кокосовым волокном не только происходит нормальная физическая дисперсия, но и образуются химические связи.

Показано, что материалы, полученные распределением наночастиц Fe₃O₄ на кокосовом волокне, способны хорошо адсорбировать Ni (II) и Cr (VI) в водной среде.

Литература:

1. Trinh Ngoc Chau, Trieu Thi Nguyet, Vu Dang Do. Исследование возможности использования некоторых сельскохозяйственных побочных продуктов для адсорбции некоторых ионов тяжелых металлов в сточных водах // Сборник научных трудов II конференции по химии. — Ханой, 2000. — № 11. — С. 22–27.
2. Vu Thi Duyen, Dinh Van Tac. Исследование модифицированиня волокна люфы лимонной кислотой для адсорбции тяжелых металлов в воде // Научно-технический журнал, Данагский университет. — 2015. — № 11. — С. 96–100.
3. Nguyen Huu Dinh, Tran Thị Da, Применение некоторых универсальных методов исследования молекулярной структуры. — Ханой, 1999.