Removal of Cr (III) and Cr (VI) ions by adsorbent based on Titanium Dioxide

І. Миронюк; Г. Васильєва; І. Микитин; А. Завілопуло; О. Васильєв

doi:10.15330/pcss.25.3.441-452

Автор(и)

І. Миронюк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Г. Васильєва Ужгородський національний університет, Ужгород, Україна
І. Микитин Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
А. Завілопуло Інститут електронної фізики НАН України, Ужгород, Україна
О. Васильєв Інститут електронної фізики НАН України, Ужгород, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.25.3.441-452

Ключові слова:

йони Cr (III) та Cr (VI), Раманівська спектроскопія, XRF-аналіз, адсорбція

Анотація

У роботі проведено дослідження адсорбції катіонів тривалентного хрому зразком натрованого ТіО₂. Проведено XRF-аналіз поверхні ТіО₂. Досліджено залежність величини адсорбції від тривалості взаємодії системи адсорбент – розчин хрому. Також визначено вплив кислотності розчину та рівноважної концентрації йонів хрому на величину адсорбції. Показано, що кінетика адсорбції йонів тривалентного хрому найкраще описується рівнянням псевдо-другого порядку та дифузійною кінетичною моделлю. Рівноважну адсорбцію найкраще описує теорія Френдліха. Методом мас-спектрометрії доведено підсилену адсорбцію йонів тривалентного хрому із суміші із шестивалентним хромом. Дане твердження було доведено Раманівською спектроскопією поверхні Na-TiO₂. Максимальна адсорбція йонів тривалентного хрому складає 62 мг/г. Фактор сепарації хрому тривалентного і хрому шестивалентного 7.279

Посилання

Md. Aminul Islam, Michael J. Angove, David W. Morton. Recent innovative research on chromium (VI) adsorption mechanism, Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management, 12, 100267 (2019); https://doi.org/10.1016/j.enmm.2019.100267.

Yang Mei, Ren-Ming Peng, Wen-Chen Zheng, Cheng-Fu Wei, Unified calculation of optical and EPR spectral data for Cr3+-doped KAl (MoO4)2 crystal, Optical Materials, 39, 232 (2015); https://doi.org/10.1016/j.optmat.2014.11.032.

G.L. Gutsev, P. Jena. Hua-Jin Zhai, Lai-Sheng Wang. Electronic structure of chromium oxides, CrOn - and CrOn (n=1-5) from photoelectron spectroscopy and density functional theory calculations, Chem. Phys. 115, 7935 (2001); https://doi.org/10.1063/1.1405438.

J. Dai, F. Ren, C. Tao. Adsorption of Cr (VI) and speciation of Cr (VI) and Cr (III) in aqueous solutions using chemically modified chitosan. Int J Environ Res Public Health. 9(5), 1757 (2012); https://doi.org/10.3390/ijerph9051757.

R. El K. Billah, A. Shekhawat, S. Mansouri, H. Majdoubi, M. Agunaou, A. Soufiane, R. Jugade. Adsorptive removal of Cr(VI) by Chitosan-SiO2-TiO2 nanocomposite. Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management, 18, 100695 (2022); https://doi.org/10.1016/j.enmm.2022.100695.

S. Intachai, M. Na Nakorn, A. Kaewnok, P. Pankam, P. Sumanatrakul, N. Khaorapapong. Versatile inorganic adsorbent for efficient and practical removal of hexavalent chromium in water. Materials Chemistry and Physics, 288, 126388 (2022); https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.126388.

E.-H. Jang, S. P. Pack, I. Kim, S. Chung. A systematic study of hexavalent chromium adsorption and removal from aqueous environments using chemically functionalized amorphous and mesoporous silica nanoparticles. Sci. Rep., 10, 5558 (2020); https://doi.org/10.1038/s41598-020-61505-1.

R. Sharma, D. Kumar. Adsorption of Cr (III) and Cu (II) on hydrothermally synthesized graphene oxide-calcium-zinc nanocomposite, J. Chem. Eng. Data, 63(12), 4560 (2018); https://doi.org/10.1021/acs.jced.8b00637.

T. Tatarchuk, I. Mironyuk, V. Kotsyubynsky, A. Shyichuk, M. Myslin, V. Boychuk. Structure, morphology and adsorption properties of titania shell immobilized onto cobalt ferrite nanoparticle core. Journal of Molecular Liquids, 297, 111757 (2020); https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111757.

E. Ben Khalifa, B. Rzig, R. Chakroun, H. Nouagui, B. Hamrouni. Application of response surface methodology for chromium removal by adsorption on low-cost biosorbent. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 189, 18 (2019); https://doi.org/10.1016/j.chemolab.2019.03.014.

S. Yao, A. Zhang, Zh. Liu, Y. Li, Y. Fu, W. Chi. Biomass-assisted synthesis of long-rod TiO2 with oxygen vacancies active sites and biomass carbon for efficient photocatalytic reduction of Cr(VI) under visible light, Surfaces, and Interfaces, 46, 104110 (2024); https://doi.org/10.1016/j.surfin.2024.104110.

X. Chen, X. Dai, R. Xie, J. Li, A. Khayambashi, L. Xu, C. Yang, N. Shen, Y. Wang, L. He, Y. Zhang,

Ch. Xiao, Zh. Chai, Sh. Wang. Chromate separation by selective crystallization. Chinese Chemical Letters, 31(7) 1974 (2020); https://doi.org/10.1016/j.cclet.2019.11.034.

H. Vasylyeva, I. Mironyuk, M. Strilchuk, K. Mayer, L. Dallas, V. Tryshyn, I. Maliuk, M. Hryhorenko,

O. Zhukov, Kh. Savka. Age dating of liquid 90Sr–90Y sources. Applied Radiation and Isotopes, 200, 110906 (2023); https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2023.110906.

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, H. Vasylyeva, I. Mykytyn, Kh. Savka, A. Gomonai, A. Zavilopulo, O. Vasyliev. Adsorption of yttrium by the sodium-modified titanium dioxide: kinetic, equilibrium studies and investigation of Na-TiO2 radiation resistance. Inorganic Chemistry Communications, 156, 111289 (2023), https://www.doi.org/10.1016/j.inoche.2023.111289.

G. Schwarzenbach H.A. Flaschka, Complexometric titrations. (Translated [from German] and rev. in collaboration with the authors by H.M.N.H. Irving, (London, Methuen, 1969). P. 490. ISBN: 0416192904 9780416192902.

A. Zavilopulo, O. Shpenik, A. Agafonova. Electron impact ionization of gas-phase guanine near the threshold. J. Phys. B., 42, 1 (2009); http://www.doi.org/10.1088/0953-4075/42/2/025101.

X. Feng, Y. Lin, L. Gan, et al. Enhancement of Mass Transfer Process for Photocatalytic Reduction in Cr(VI) by Electric Field Assistance. Int. J. Mol. Sci., 25, 2832 (2024); https://doi.org/10.3390/ijms25052832.

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.

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://doi.org/10.1016/j.cis.2009.07.009.

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://doi.org/10.1016/j.watres.2017.04.014.

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://doi.org/10.1016/j.cej.2009.01.014.

Kh. H. Chu. Revisiting the Temkin Isotherm: Dimensional Inconsistency and Approximate Forms. Ind. Eng. Chem. Res., 60(35), 13140 (2021); https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c01788.

H. Kołoczek, J. Chwastowski, W. Żukowski. Peat and coconut fiber as biofilters for chromium adsorption from contaminated wastewater. Environ Sci Pollut Res., 23, 527 (2016); https://www.doi.org/10.1007/s11356-015-5285-x.

S. Kazim, M. Alì, S. Palleschi, G. D’Olimpio, D. Mastrippolito, A. Politano, R. Gunnella, A. Di Cicco,

M. Renzelli, G. Moccia, O.A. Cacioppo, R. Alfonsetti, J. Strychalska-Nowak, T. Klimczuk,

R. Cava. Mechanical exfoliation and layer number identification of single crystal monoclinic CrCl3. Nanotechnology, 31(39), 395706 (2020); doi:10.1088/1361-6528/ab7de6.

By Smokefoot - Own work, CC BY-SA4.0. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=45104808.

Atlas of Eh-pH diagrams. Intercomparison of thermodynamic databases Geological Survey of Japan Open-File Report, 419, (2005).

IAEA Database. https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html.

National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Summary for CID 104957, Chromium (III) chloride hexahydrate, (2024); https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Chromium_III_-chloride-hexahydrate.

L. Scrimieri, L. Velardi, A. Serra, D. Manno, F. Ferrari, M. Cantarella, L. Calcagnile. Enhanced adsorption capacity of porous titanium dioxide nanoparticles synthesized in alkaline sol. Applied Physics A, 126, 926 (2020); https://doi.org/10.1007/s00339-020-04103-2.

G. Serghiou, C. Guillaume. Stability of K2CrO4 to 50 GPa using Raman spectroscopy measurements. Journal of Solid State Chemistry, 177, 4672 (2004); https://www.doi.org/10.1016/j.jssc.2004.07.021.

X. Qi, H. Cai, X. Zhang, J. Ouyang, D. Lu, X. Guo, Sh. Jia. CdS quantum dots/nano-TiO2 incorporated wood as a long-term stable and easily separable photocatalytic adsorbent for efficient Cr(VI) removal. Chemical Engineering Journalk 475, 146320 (2023); https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146320.

J. Zhao, R. Boada, G. Cibin, C. Palet. Enhancement of selective adsorption of Cr species via modification of pine biomass. Science of The Total Environment, 756, 143816 (2021); https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.143816.

O. Abuzalat, D. Wong, M.A. Elsayed. Nano-porous composites of activated carbon-metal organic frameworks (Fe-BDC@AC) for rapid removal of Cr (VI): Synthesis, adsorption, mechanism, and kinetics studies. J. Inorg. Organomet. Polym. Mater., 32, 1924 (2022).

D. Zhou, J. Wang, H. Chen, X. Ge, X. Wang. Enhanced Cr (VI) removal by hierarchical CoFe2O4@SiO2 -NH2 via reduction and adsorption processes. New J. Chem. 46, 13686 (2022).

X. Wang, J. Lu, B. Cao, X. Liu, Zh. Lin, C. Yang, R. Wu, X. Su, X. Wang. Facile synthesis of recycling Fe3O4/graphene adsorbents with potassium humate for Cr(VI) removal. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 560, 384 (2019); https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.10.036.

Dezhi Qi (Chapter 3 - Theory of Countercurrent Extraction, Editor(s): Dezhi Qi, Hydrometallurgy of Rare Earths, Elsevier, 2018, 391-532, ISBN 9780128139202; https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813920-2.00003-9).