Хитозан Церия(IV)

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13049 (2023) Цитировать эту статью

368 Доступов

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Избыточное присутствие ионов фосфата(V) в биосфере является одной из наиболее серьезных проблем, негативно влияющих на водный биоценоз. Таким образом, разделение фосфатов (V) считается важным для устойчивого развития. В представленной работе методом химического соосаждения был разработан оригинальный гидрогель на основе хитозана, модифицированный церием(IV) (Ce-CTS), который затем использовался в качестве адсорбента для эффективного удаления ионов фосфата(V) из их водных растворов. . С научной точки зрения она представляет собой совершенно новую физико-химическую систему. Установлено, что адсорбционное удаление анионов фосфата(V) адсорбентом Ce-CTS превысило 98%, что составляет ок. В 4 раза выше по сравнению с гидрогелем на основе хитозана без какой-либо модификации (несшитый ХТЗ). Наилучший результат адсорбционной емкости фосфатов(V) на адсорбенте Ce-CTS, равный 71,6 мг/г, получен при адсорбции из раствора с исходной концентрацией фосфата(V) 9,76 мг/дм3 и pH 7. доза адсорбента 1 г/дм3, температура 20 °С. Данные о равновесном межфазном распределении адсорбента Ce-CTS и водного раствора фосфатов(V) согласуются с теоретическими моделями изотерм адсорбции Редлиха-Петерсона и Хилла. С кинетической точки зрения модель псевдовторого порядка лучше всего объясняет скорость адсорбции фосфатов(V) на адсорбенте Ce-CTS. Специфическое влияние пористой структуры адсорбента на сопротивление диффузионного массообмена выявлено с использованием кинетической модели Вебера-Морриса. Термодинамическое исследование показало, что процесс экзотермический и адсорбция протекает самопроизвольно. Модификация ХТС церием(IV) привела к значительному улучшению свойств хитозана как в сторону физической адсорбции (повышение точки нулевого заряда адсорбента), так и химической адсорбции (за счет присутствия Ce(IV), проявляющего химическую адсорбцию). сродство к анионам фосфата(V). Разработанный и экспериментально проверенный высокоэффективный адсорбент может быть успешно применен для поглощения фосфатов(V) из водных систем. Адсорбент Ce-CTS стабилен в условиях процесса адсорбции, изменений структуры адсорбента и выщелачивания неорганического наполнителя не наблюдалось.

Фосфор – элемент огромного биологического и промышленного значения. Это один из элементов, необходимых для правильного роста и развития растений и животных. Кроме того, его также широко используют в производстве минеральных удобрений и кормов. Хотя это элемент, необходимый для жизни и правильного функционирования организмов, его избыток может неблагоприятно способствовать значительному ухудшению природной среды. Сброс промышленных отходов и сточных вод, а также элюатов с сельскохозяйственных угодий в поверхностные и подземные воды вызывает множество экологических проблем, вызывающих локальные избытки азота и фосфора в биосфере. Характерным и наиболее заметным последствием чрезмерной местной концентрации питательных веществ в поверхностных водах является явление эвтрофикации, т.е. процесс чрезмерного и слишком быстрого развития водных растений, нарушающий естественный биобаланс в водной среде, приводящий тем самым к его систематическому ухудшению. Из-за относительно низкой растворимости встречающихся в природе твердых соединений фосфора его биогеохимический цикл отличается от типичных циклов других элементов. Фосфор циркулирует в природной среде преимущественно между гидросферой и геосферой, где участвует в ряде химических и фазовых превращений, связанных с растворением и осаждением1,2.

Вода, в которой концентрация фосфора превышает 0,1 мг/дм3, классифицируется как чувствительная к эвтрофикации3. Однако концентрация фосфора в водоемах, расположенных в урбанизированных районах, значительно превышает 0,2 мг/дм34. Это тесно связано со средней концентрацией общего фосфора в городских сточных водах — 6,0 мг/дм3. общая концентрация фосфора представлена суммой содержаний этих трех форм фосфора. Самая большая группа представлена фосфатами (ортофосфатами). Их можно идентифицировать главным образом как различные ионные формы, в зависимости от pH среды. При pH ниже 6 преобладают ионы H2PO4-, при pH выше 6 в основном присутствуют ионы HPO42-, а при pH выше 9 преобладают ионы PO43-. Наиболее распространенными полифосфатами в воде и сточных водах являются пирофосфаты, триполифосфаты и метафосфаты, тогда как наиболее распространенными органическими фосфатами являются фосфолипиды, фосфорамиды, нуклеотиды и фосфаты сахаров6.

1 indicate unfavourable conditions for the potential adsorption process. In the discussed case, the calculated value of the RL parameter = 0.0259 < 1 (for the highest experimentally tested initial concentration of adsorbate in the solution—500 mg/dm3), which can be interpreted as theoretically confirmed and observed, practically favourable conditions for adsorption phenomena in the analysed system. It can be assumed, that the presence of cerium dioxide has a certain effect on the formation of the structure of the chitosan network and its intrinsic morphology, influencing the formation of the beneficial structure of the adsorption surface. Neither clusters nor agglomerates of cerium(IV) or phosphate(V) compounds present on the postprocessed adsorbent were observed in the SEM images. However, this indicates that these are uniformly distributed throughout the hydrogel volume, affecting this way the homogeneity of the structure of the adsorption surface (Fig. 3A–C). The RL value, which is relatively close to zero, also indicates a process-favourable irreversibility of adsorption phenomena under the analysed process conditions./p> 1, and the irreversibility of the process in the case of 1/n = 1. The obtained value 1/n = 0.261 confirms the technologically favourable tested system with regard to the new adsorbent structure and the aqueous solution of phosphates(V). In particular, a more accurate analysis taking directly into account the value of n indicates, that for n = 2–10 good adsorption conditions are observed, for n = 1–2 moderately difficult, while n below 1 indicates low adsorption possibilities. For the analysed case the value of n = 3.826 confirms good physicochemical conditions in the system for the course of the adsorption process. Favourable physicochemical conditions are especially related to the amorphous structure of the hydrogel mentioned above, confirmed by XRD analysis results (Fig. S2) and the incorporation of the CeO2 phase into this amorphous structure, which is characterized by a very well-developed specific surface and active centres focused on anions adsorption, due to positive charge of the surface in the expected pH range. Thus, a technologically convenient composite system was obtained, represented by the support (hydrogel), which enables the beneficial and stable development of the active surface represented by the adsorption-active CeO2 crystalline phase, actively counteracting the potential adverse phenomena of its aggregation or agglomeration–which could lead to an unfavourable decrease in the area of interfacial contact with the purified aqueous solution of phosphates(V)./p> 1. The following values of the isotherm model (Eq. (12)) parameters were calculated for the analysed system using non-linear regression: qH = 52.666 (mg/g)(dm3/mg)nH, nH = 0.511, KH = 6.783 (mg/dm3)nH (R2 = 0.981). The value of nH = 0.511 < 1, corresponding to the analysed equilibrium experimental data, indicates thus that adsorption in the studied case is a non-cooperative process./p>

Блог