Sorption Purification of Solutions from Heavy Metal Ions Using Zeolite Modified by Carbon Nanotubes
DOI:
https://doi.org/10.14529/chem190202Keywords:
modification, multi-walled carbon nanotubes, zeolite, sorption, heavy metalsAbstract
The processes of heavy metal ions sorption – copper and zinc, with the use of natural zeolite modified by multi-walled carbon nanotubes (MWСNT) with functionalized surface of polar groups (carboxyl, carbonyl, hydroxyl) by ultrasonic action have been investigated. The most effective is the functionalization of the carbon nanotube surface by carbonyl groups (MWСNT–СООН) in the treatment of native MWСNT with a compound of concentrated sulfuric and nitric acids. Carbonyl and hydroxyl groups are also fixated on the surface of nanotubes. The processes of adsorption of zinc and copper ions from solutions on the original and modified zeolite have been studied. For the intensification of sorption processes the application of ultrasonic treatment is the most effective. In this case, the diffusion restrictions in the adsorption layer are removed, the concentration is equalized by mixing the liquid. The dependence of the degree of extraction of ions of zinc and copper from the content of MWCNT–COOH in the zeolite has been studied. At the optimum concentration of 0.1 wt. % MWCNT–COOH, the degree of extraction for zinc is 97.8 %, for copper it is 96.4 %. A further increase in the concentration of nanotubes in zeolite insignificantly increases the degree of extraction. The optimal duration of ultrasonic treatment is 100 s. Under these conditions with the use of unmodified zeolite, the degree of extraction of zinc and copper ions amounts to 72.4 and 68.3 per cent, respectively. Without the influence of ultrasound the results that are close in degree of extraction can be obtained by zeolite treatment of solutions of zinc and copper salts for 2–4 h. The adsorption isotherms at various concentrations of the zinc and copper cations in a solution have been represented, and the basic parameters of the processes have been determined. Modification of zeolite by carbon nanotubes increases the degree of extraction by 20–25 %, the sorption capacity for zinc by 3 times, for copper it increases by 3.5 times. In the case of modification with the use of ultrasonic influence the specific surface of the sorbent increases by 2.3 times. The spent zeolite can be regenerated by treatment with acids for not less than 6 cycles with reduction of extraction degree to 25 %. The scheme of obtaining and sorption purification with the use of modified zeolite by nanotubes has been suggested.References
Булыжев, Е.М. Ресурсосберегающее применение смазочно–охлаждающих жидкостей при металлообработке / Е.М. Булыжев, Л.В. Худобин. – М.: Машиностроение, 2004. – 352 с.
Булыжев, Е.М. Новое поколение силовых очистителей водных технологических жидкостей / Е.М. Булыжев, А.Ю. Богданов, Е.Н. Меньшов. – Ульяновск: УлГТУ, 2010. – 420 с.
Климов, Е.С. Природные сорбенты и комплексоны в очистке сточных вод / Е.С. Климов, М.В. Бузаева. – Ульяновск: УлГТУ, 2011. – 201 с.
Iijima, S. Helical microtubules of graphitic carbon / S. Iijima // Nature. – 1991. – V. 354, № 7. – P. 56–58. DOI: 10.1038/354056a0
Раков, Э.Г. Нанотрубки и фуллерены / Э.Г. Раков. – М.: Университетская книга: Логос, 2006. – 376 с.
Sanchez, F. Nanotechnology in Concrete – a review / F. Sanchez, K. Sobolev // Construction and Building Materials. – 2010. – № 24 (11). – Р. 2060–2071.
Лукашин, А.В. Функциональные наноматериалы / А.В. Лукашин, А.А. Елисеев, Ю.Д. Третьякова. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 456 с.
Ткачев, А.Г. Углеродный наноматериал «Таунит» – структура, свойства, производство и применения / А.Г. Ткачев // Перспективные материалы. – 2007. – Т. 177, № 3. – С. 5–9.
Модифицирование многостенных углеродных нанотрубок карбоксильными группами и определение степени функционализации / М.Н. Кирикова, А.С. Иванов, С.В. Савилов, В.В. Лунин // Известия АН. Сер. химическая. – 2008. – № 2. – С. 291–295.
Preparation and modification of carbon nanotubes / D. Zhang, L. Shi, J. Fang et al. // Mater. Lett. – 2005. – V. 59. – P. 4044–4047. DOI: 10.1016/j.matlet.2005.07.081
Li, Z. Nitrogen adsorption characterization of aligned multiwalled carbon nanotubes and their acid modification / Z. Li, Z. Pan, S. Dai // J. Colloid Interface Sci. – 2004. – V. 277, № 1. – Р. 35–42. DOI: 10.1016/j.jcis.2004.05.024
Sensitivity of single wall carbon nanotubes to oxidative processing: structural modification, intercalation and functionalisation / M.T. Martínez, M.A. Callejas, A.M. Benito et al. // Carbon. – 2003. – V. 41, № 12. – P. 2247–2256. DOI: 10.1016/s0008-6223(03)00250-1
Елецкий, А.В. Сорбционные свойства углеродных наноструктур / А.В. Елецкий // Успехи физических наук. – 2004. – Т. 174, № 11. – С. 1191–1231. DOI: 10.3367/UFNr.0174.200411c.1191
Hydrogen adsorption/desorption behavior of multi-walled carbon nanotubes with different di-ameters / P.-X. Hou, S.-T. Xu, Z. Ying et al. // Carbon – 2003. – V. 41, № 5. – P. 2471–2476. DOI: 10.1016/s0008-6223(03)00271-9
Структурно-адсорбционные свойства углеродных нанотрубок, модифицированных кислородом / Л.Ю. Котел, С.Я. Бричка, А.В. Бричка, П.П. Горбик // Химия, физика и технология поверхности. – 2007. – № 13. – С. 217–223.
Строение поверхности и адсорбционные свойства многослойных углеродных нанотрубок / С.Я. Бричка, Л.А. Белякова, Г.П. Приходько, Н.В. Роик // Известия АН. Серия химическая. –2006. – № 10. – С. 1712–1715.
Adsorption of nicotine and tar from the mainstream smoke of cigarettes by oxidized carbon nanotubes / Z. Chen, L. Zhang, Y. Tang, Z. Jia // Appl. Surf. Sci. – 2006. – V. 252, № 8. – P. 2933– 2937. DOI: 10.1016/j.apsusc.2005.04.044
Study of nitrogen adsorbed on single–walled carbon nanotube bundles / D.-H. Yoo, G.-H. Rue, Y.-H. Hwang, H.-K. Kim // J. Phys. Chem. B. – 2002. – V. 106, № 13. – P. 3371–3374. DOI: 10.1021/jp013004e
Capillary condensation of N2 on multiwall carbon nanotubes / S. Inoue, N. Ichikuni, T. Suzuki et al. // J. Phys. Chem. B. – 1998. – V. 102, № 24. – P. 4689–4692. DOI: 10.1021/jp973319n
Фильтровальные материалы на основе многостенных углеродных нанотрубок для очистки жидкостей / Т.Ю. Дьячкова, А.В. Исаев, И.А. Макарова и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Химия». – 2017. – Т. 9. – № 3. – С. 5–11. DOI: 10.14529/chem170301
Lu, Ch. Removal of nickel (II) from aqueous solution by carbon nanotubes / Ch. Lu, Ch. Liu // J. Chem. Technol. Biotechnol. – 2006. – V. 81, № 12. – P. 1932–1940. DOI: 10.1002/jctb.1626
Roy, A. Removal of Cu(II), Zn(II) and Pb (II) from water using microwave-assisted synthesized maghemite nanotubes / A.Roy, J. Bhattacharya // Chem. Eng. J. – 2012. – V. 211–212. – P. 493–500. DOI: 10.1016/j.cej.2012.09.097
Alaa, M. Efficient removal of La (III) and Nd (III) from aqueous solutions using carbon nanoparticles / M. Alaa, A. Kolesnikov, A. Desyatov // American Journal of Analytical Chemistry. – 2014. – V. 5, № 17. – P. 1273–1284.
Afkhami, A. Adsorptive removal of Congo red, a carcinogenictextile dye, from aqueous solutions by maghemite nanoparticles / A. Afkhami, R. Moosavi // J. Hazard. Mater. – 2010. – V. 174. – P. 398–403. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2009.09.066
Милютина, А.Д. Адсорбция ионов меди из водного раствора с использованием углеродных наноматериалов / А.Д. Милютина, В.А. Колесников // Успехи в химии и химической технологии. – 2015. – Т. 29, № 1. – С. 43–45.
Модифицирование природного цеолита углеродными нанотрубками для улучшения сорбционных свойств / Т.Ю. Дьячкова, Е.С. Климов, О.А. Давыдова
и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Химия». – 2018. – Т. 10, № 3. – С. 5–15. DOI: 10.14529/chem180301
Некоторые аспекты синтеза многостенных углеродных нанотрубок химическим осаждением из паровой фазы и характеристики полученного материала / Е.С. Климов, М.В. Бузаева, О.А. Давыдова и др. // Журнал прикладной химии. – 2014. – Т. 87, № 8. – С. 1128–1132.
Изменение поверхности и свойств многостенных углеродных нанотрубок при физико-химическом модифицировании / Е.С. Климов, М.В. Бузаева, О.А. Давыдова и др. // Журнал прикладной химии. – 2015. – Т. 88, № 8. – С. 1105–1110.
