Adsorption of Sr(II) cations onto titanium dioxide, doped with Boron atoms

Іван Миронюк; Ганна Васильєва; Ірина Прокіпчук; Ігор Микитин

doi:10.15330/pcss.24.1.114-125

Автор(и)

Іван Миронюк Кафедра хімії, Прикарпатський національний університет ім. В.Стефаника, вул. Шевченка, 57, 76018 Івано-Франківськ, Україна
Ганна Васильєва Кафедра теоретичної фізики, Ужгородський національний університет, вул. Університетська, 88000, Ужгород, Україна
Ірина Прокіпчук Кафедра хімії, Прикарпатський національний університет ім. В.Стефаника, вул. Шевченка, 57, 76018 Івано-Франківськ, Україна
Ігор Микитин Кафедра хімії, Прикарпатський національний університет ім. В.Стефаника, вул. Шевченка, 57, 76018 Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.24.1.114-125

Ключові слова:

Діоксид титану, Бор, Адсорбція, Стронцій

Анотація

Досліджувалась адсорбція катіонів Sr(II) борвмісними зразками TiO₂, одержаними рідкофазним золь-гель методом з використанням аквакомплексного прекурсора [Ті(ОН₂)₆]³⁺‧3Cl^- і модифікуючого реагента боратної кислоти Н₃ВО₃. З’ясовано, що за відповідних співвідношень компонентів утворюється однофазний рутильний діоксид титану або двохфазний анатаз-рутильний оксидний матеріал. В рутильному дослідному зразку 0.5В-ТіО₂ атоми Бору поєднуються з атомами Оксигену в трикутні структурні мотиви ВО₃ і локалізуються у поверхневому шарі наночастинкового матеріалу як групування = О₂ВОН. Інкорпорація атомів Бору у структуру рутильного адсорбенту спричинює зростання його адсорбційної спроможності щодо зв’язування катіонів Sr(II) у водному середовищі. Максимальна адсорбція катіонів Sr(II) в нейтральному середовищі рутильного адсорбенту сягає 102.3 мг‧г^-1, у той час, як для немодифікованого анатазного а-ТіО₂ вона рівна 68.8 мг‧г^-1. Чисельність кислотних адсорбційних центрів ≡ТіОН^δ+ на поверхні рутильного адсорбента 0.5В-ТіО₂ становить ~ 50 одиниць на ділянці поверхні площею 10 нм², що в два рази перевищує чисельність центрів на поверхні базового анатазного адсорбента а-ТіО₂.

Анатаз-рутильні адсорбенти 1.0В-ТіО₂ та 1.5В-ТіО₂ містять відповідно 70 та 57 мас.% анатазної фази. Вони суттєво поступаються за адсорбційною спроможністю зв’язувати катіони Sr(II) рутильному адсорбенту 0.5В-ТіО₂. Це зумовлено тим, що атоми Бору в основному локалізуються в анатазній фазі і з атомами Оксигену утворюють тетраедричні групування ВО₄^-. Тетраедрична координація атомів Бору по відношенню до атомів Оксигену в структурі анатазу знижує індукційний вплив атомів Бору на перерозподіл електронної густини в містках В-О-Ті і не приводить до утворення додаткових кислотних адсорбційних центрів на поверхні анатазу.

Посилання

K. Kołacińska, Z. Samczyński, J. Dudek, A. Bojanowska-Czajka, M. Trojanowicz, A comparison study on the use of Dowex 1 and TEVA-resin in determination of 99Tc in environmental and nuclear coolant samples in a SIA system with ICP-MS detection, Talanta, 184, 527 (2018); https://www.doi.org/10.1016/j.talanta.2018.03.034.

H. Tazoe, H. Obata, et al., Determination of strontium-90 from the direct separation of yttrium-90 by solid-phase extraction using DGA Resin for seawater monitoring, Talanta, 152, 219 (2016); https://www.doi.org/10.1016/j.talanta.2016.01.065.

H.V. Vasylyeva, et al., Radiochemical studies of lanthanum micro-amounts in water solution, Journal of Molecular Liquids, 1 (3), 41 (2005); https://www.doi.org/10.1016/j.molliq.2004.07.008.

H. Vasylyeva, I. Mironyuk, M. Strilchuk, et al., Adsorption of zirconium ions by X-type zeolite, Biointerface Research in Applied Chemistry, 11 (5), 13421, (2021); http://dx.doi.org/10.33263/BRIAC115.1342113431.

T. Tatarchuk, Mu. Naushad, J. Tomaszewska, P. Kosobucki, et al., Adsorption of Sr (II) ions, and salicylic acid onto magnetic magnesium-zinc ferrites: isotherms and kinetic studies, Environ Sci Pollut Res Int., 27 (21), 26681 (2020), https://www.doi.org/10.1007/s11356-020-09043-1.

I. Mironyuk, T. Tatarchuk, H. Vasylyeva, V. Gun’ko, I. Mykytyn, Effects of chemosorbed arsenate groups on the mesoporous titania morphology and enhanced adsorption properties towards Sr (II) cations, Journal of Molecular Liquids, 282, 587 (2019); https://www.doi.org/10.1016/J.MOLLIQ.2019.03.026.

I. Mironyuk, T. Tatarchuk, H. Vasylyeva, Mu. Naushad, I. Mykytyn, Adsorption of Sr (II) cations onto phosphate mesoporous titanium dioxide: mechanism, isotherm, and kinetics studies, Journal of Environmental Chemical Engineering 7 (6), 103430 (2019); https://www.doi.org/10.1016/j.jece.2019.103430.

I. Mironyuk, T. Tatarchuk, Mu. Naushad, H. Vasylyeva, I. Mykytyn, Highly Efficient Adsorption Of Strontium Ions By Carbonated Mesoporous TiO2. Journal of Molecular Liquids, 285, 742 (2019); https://www.doi.org/10.1016/j.molliq.2019.04.111.

I. Mironyuk, I. Mykytyn, H. Vasylyeva, Kh. Savka, Sodium-modified mesoporous TiO2: sol-gel synthesis, characterization, and adsorption activity toward heavy metal cations, Journal of Molecular Liquids, 316 (10), 113840 (2020); https://www.doi.org/10.1016/j.molliq.2020.113840.

I. Mironyuk, I. Mykytyn, H. Vasylyeva, Structural and morphological properties of titanium dioxide nanoparticles doped by Boron atoms, PCSS, 2022 (in production).

G.M. Sheldrick, SHELXL-9, Program for the refinement of crystal structures, Göttingen: Univ. Göttingen, Germany (1997).

Rodriguez-Carvajal. FULLPROF: A program for Rietveld refinement and pattern matching analysis, Abstracts of the satellite meeting on powder diffraction of the XV Congress of the IUCr, Toulouse, France. 127 (1990).

A.W. Adamson, Physical chemistry of surfaces, 3rd edition, Wiley‐Interscience, New York, 698 (1976); https://www.doi.org/10.1002/pol.1977.130151014

W. Plazinski, W. Rudzinski, A. Plazinska, Theoretical models of sorption kinetics including a surface reaction mechanism: a review, Advances in Colloid and Interface Science, 152 (1-2), 2 (2009); https://www.doi.org/10.1016/j.cis.2009.07.009.

F.-Ch. Wu, R.-L. Tseng, R.-Sh. Juang, Characteristics of the Elovich equation used for the analysis of adsorption kinetics in dye-chitosan systems, Chemical Engineering Journal, 150 (2-3), 366 (2009); https://www.doi.org/10.1016/j.cej.2009.01.014.

H.N. Tran, S-J. You, A. Hosseini-Bandegharaei, H-P. Chao, et al., Mistakes and inconsistencies regarding adsorption of contaminants from aqueous solutions: a critical review, Water Res. 120, 88 (2017); https://www.doi.org/10.1016/j.watres.2017.04.014.

D. Hestenes; J. Holt, The Crystallographic Space Groups in Geometric Algebra, Journal of Mathematical Physics,48 (2), 023514. (January 2007); https://www.doi.org/10.1063/1.2426416.

Niu Pingping, Wu Guanghui, Chen Pinghua, et al., Optimization of Boron Doped TiO2 as an Efficient Visible Light-Driven Photocatalyst for Organic Dye Degradation With High Reusability, Frontiers in Chemistry, 8 (2020); https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fchem.2020.00172.

Esra Bilgin Simsek, Solvothermal synthesized boron-doped TiO2 catalysts: Photocatalytic degradation of endocrine-disrupting compounds and pharmaceuticals under visible light irradiation, Applied Catalysis B: Environmental, 200, 309 (2017); https://www.doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.07.016.

M. Bettinelli, V. Dallacasa, D. Falcomer, P. Fornasiero, V. Gombac, T. Montini, L. Romanò, A. Speghini, Photocatalytic activity of TiO2 doped with boron and vanadium, Journal of Hazardous Materials, 146 (3), 529 (2007); https://www.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.04.053.

N. Henry, N.M. Senozan. Henderson–Hasselbalch Equation: Its History and Limitation, J. Chem. Educ, 78 (11), 1499 (2001), https://www.doi.org/10.1021/ed078p1499.

T. Posch, F. Kerschbaum, D. Fabian, et al, Infrared properties of solid titanium oxides: exploring potential primary dust condensates, Astrophys. J. Suppl. Ser., 149, 437 (2003).

M. Ocaña, V. Fornés, J.V. García Ramos, C.J. Serna, Factors affecting the infrared and Raman spectra of rutile powders, Journal of Solid State Chemistry, 75 (2), 364 (1988).

G.-W. Peng, S.-K. Chen, H.-S. Liu, Infrared Absorption Spectra and Their Correlation with the Ti-O Bond Length Variations for TiO2(Rutile), Na-Titanates, and Na-Titanosilicate (Natisite, Na2TiOSiO4), Appl. Spectrosc., 49, 1646 (1995).

L.I. Myronyuk, I.F. Myronyuk, V.L. Chelyadyn, V.M. Sachko, M.A. Nazarkovsky, R. Leboda, J. Skubiszewska-Zie, V.M. Gun’ko, Structural and morphological features of crystalline nano titania synthesized in different aqueous media, Chemical Physics Letters 583, 103, (2013).

S. Hamzah, S. Z. Ramli, N.A. Mohammad, et al., Acid - treated activated carbon for phenolic compound removal in acid pretreatment of lignocellulosic biomass for biogas production, Biointerface Research in Applied Chemistry, 10, 5466 (2020), https://www.doi.org/10.33263/briac103.466471.