CC BY
17DOI: 10.6060/ivkkt.20236606.6744 УДК: 544.723.212
АКТИВАЦИЯ АДСОРБЦИИ АНИОННОГО КРАСИТЕЛЯ ПОСЛЕ УФ ОБЛУЧЕНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ И БИНАРНЫХ КСЕРОГЕЛЕЙ ОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ И ЦИРКОНИЯ
Н.Е. Вахрушев, И.И. Михаленко, Л.И. Подзорова
Николай Евгеньевич Вахрушев (ORCID 0009-0000-2143-3831)*
Лаборатория физикохимии баротермических процессов, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Ленинский пр., 49, Москва, Российская Федерация, 119334
Кафедра физической и коллоидной химии, Российский университет дружбы народов, ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Российская Федерация, 117198 E-mail: [email protected]*
Людмила Ивановна Подзорова
Лаборатория физикохимии баротермических процессов, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Ленинский пр., 49, Москва, Российская Федерация, 119334
Ирина Ивановна Михаленко (ORCID 0000-0002-5406-1015)
Кафедра физической и коллоидной химии, Российский университет дружбы народов, ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Российская Федерация, 117198 E-mail: [email protected]
Мезопористые ксерогели в виде гидратированных индивидуальных и бинарных оксидов алюминия (A) и циркония (Z) были получены гидролизным золь-гель методом после высушивания при 180 °C гидрогеля, синтезированного из нитрата алюминия и оксихло-рида циркония в присутствии поливинилпирролидона. Образцы были исследованы методами ИК-спектроскопии, РЭМ, РФА, БЭТ/БДХ. Установлено, что ксерогели рентгено-аморфные с частицами иерархической структуры, удельная поверхность в ряду (№ образца, мольн.%) составов A (1) < 65AZ (2) < 35AZ (3) < Z (4) возрастает экспоненциально от 21 до 298 м2/г, диаметр пор составляет 4-6 нм, фотоактивный оксогидроксид алюминия (Saiooh = 1070 см1) регистрируется только в образцах 1 и 2. Адсорбцию из водного раствора анионного красителя метилоранжа определяли спектрофотометрическим методом в режиме длительной (24 ч) и динамической (10 мин) адсорбции. В обоих случаях адсорбции Гиббса rm (мкмоль/г) увеличивается в ряду образцов 1 < 2 < 3 < 4. Значение rS (мкмоль/м2) в том же ряду резко снижается, следовательно, центры адсорбции At3 и Zrv4 имеют разную активность. Установлено, что только для AZ образцов имеется эффект роста адсорбции после облучения ксерогелей ртутной лампой в течение 10 мин. Кинетические кривые адсорбции на образцах без и с УФ обработкой соответствуют уравнению псевдо-второго порядка двухточечной формы адсорбции для модели адсорбции Ленгмюра. Параметры уравнения rmax (емкость монослоя) и W0 (начальная скорость адсорбции) возрастают в ряду необлученных образцов 1-2-3-4. Эффект УФ активации, как отношение параметров rmax и W0 после и до облучения, увеличивается в последовательности Z < A < < 35AZ < 65AZ (для образца 65AZ рост rmax и W0 в 2,4 и 1,8 раза, тогда как константа скорости адсорбции k2 снижается в десятки раз). Сравнение адсорбции через 24 ч с rmax показало линейное уменьшение отношения r2/rmax в ряду необлученных сорбентов A (2,9) > > 65AZ (2,2) > 35AZ (1,6) > Z (1,0). Этот результат объяснен индуцированной адсорбцией деформацией каркаса ксерогеля, которая наибольшая у AI2O3 и отсутствует у ZrO2.
Ключевые слова: ксерогели, оксид алюминия, оксид циркония, поливинилпирролидон, адсорбция, краситель метилоранж, УФ активация, деформация сорбента
Для цитирования:
Вахрушев Н.Е., Михаленко И.И., Подзорова Л.И. Активация адсорбции анионного красителя после УФ облучения индивидуальных и бинарных ксерогелей оксидов алюминия и циркония. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 6. С. 61-68. DOI: 10.6060/ivkkt.20236606.6744.
Н.Е. Вахрушев, И.И. Михаленко, Л.И. Подзорова For citation:
Vakhrushev N.E., MIkhalenko I.I., Podzorova L.I. The activation of anionic dye adsorption after UV irradiation of individual and binary xerogels of aluminum and zirconium oxides. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 6. P. 61-68. DOI: 10.6060/ivkkt.20236606.6744.
THE ACTIVATION OF ANIONIC DYE ADSORPTION AFTER UV IRRADIATION OF INDIVIDUAL AND BINARY XEROGELS OF ALUMINUM AND ZIRCONIUM OXIDES
N.E. Vakhrushev, I.I. MIkhalenko, L.I. Podzorova
Nikolai E. Vakhrushev (ORCID 0009-0000-2143-3831)*
Laboratory for the Physical Chemistry of Barothermal Processes, Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the RAS, Leninsky ave., 49, Moscow, 119334, Russia
Department of Physical and Colloidal Chemistry, Peoples Friendship University of Russia, Miklukho-Maklay st., 6, Moscow, 117198, Russia E-mail: [email protected]*
Ludmila I. Podzorova
Laboratory for the Physical Chemistry of Barothermal Processes, Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the RAS, Leninsky ave., 49, Moscow, 119334, Russia
Irina I. Mikhalenko (ORCID 0000-0002-5406-1015)
Department of Physical and Colloidal Chemistry, Peoples Friendship University of Russia, Miklukho-Maklay st., 6, Moscow, 117198, Russia E-mail: [email protected]
Mesoporous xerogels of hydrated individual and binary oxides of aluminum (A) and zirconium (Z) were obtained by hydrolysis sol-gel method after drying at 180 °C of a hydrogel synthesized from aluminum nitrate and zirconium oxychloride in the presence of polyvinylpyrrolidone. The samples were examined by IR spectroscopy, SEM, XRD, BET/BJH. It was found that the xerogels are X-ray amorphous. The particles have a hierarchical structure, the specific surface in a series (number and mol. %) of samples A (1) < 65AZ (2) < 35AZ (3) < Z (4) increases exponentially from 21 to 298 m2/g. The pore diameter is 4-6 nm. Photoactive aluminum oxohydroxide (Saiooh = = 1070 cm1) is registered only in samples 1 and 2. Adsorption from an aqueous solution using the example of anionic dye methyl orange was determined by spectrophotometer for long-time (24 h) and dynamic (10 min) regime. In both cases, Gibbs adsorption of Tm (pmol/g) increases in a number of samples 1 < 2 < 3 < 4. The value of Ts (pmol/m2) in the same series decreases sharply. Therefore, the adsorption centers of Al+3 and Zr+4 have different activity. It is shown that only in the case of AZ samples a photo activated adsorption rise after UV irradiation of sorbents with a mercury lamp for 10 min of duration. Kinetic adsorption curves for samples without and with UV treatment correspond to the pseudo-second-order equation with Langmuir-type two-fold adsorption model. The parameters of this equation Tmax (monolayer capacity) and W0 (initial adsorption rate) increase in a series of non-irradiated samples 1 < 2 < 3 < 4. The effect of UV activation, as the ratio of Tmax and W0 after and before irradiation, augments in the sequence Z < A < 35AZ < 65AZ (for 65AZ sample the growth of Tmax and W0 is 2. 4 and 1.8 times, while the adsorption rate constant k2 decreases tenfold). Comparison of adsorption after 24 h with Tmax showed a linear decrease in the ratio T24/Tmax for unirradiated sorbents A (2.9) > 65AZ (2.2) > 35AZ (1.6) > I(1.0). This result is explained by adsorption-induced deformation of the xerogel framework, which is greatest in AhO3 and absent in Zro2.
Key words: xerogels, alumina, zirconia, polyvinylpyrrolidone, adsorption, methyl orange dye, UV activation, sorbent deformation
ВВЕДЕНИЕ
Современный уровень организации производства не обеспечивает полной защиты окружающей среды от различных загрязняющих веществ
[1]. Многие отрасли промышленности используют красители для окрашивания своей продукции, а вопрос их удаления из сточных вод остается открытым [2]. Самой большой проблемой, связанной с
попадающими в воду красителями помимо ее эстетического вида, является поглощение и отражение попадающего в воду солнечного света, что препятствует росту бактерий, ограничивая его до уровней, недостаточных для биологического разложения примесей в водоемах [3]. При удалении красителей из сточных вод используются различные методы, такие как адсорбция, коагуляция, предварительное окисление, фотокатализ и мембранное разделение [4].
Адсорбционный способ извлечения из воды вредных органических веществ хорошо зарекомендовал себя, но он ориентирован на широкое использование дешевых углеродных сорбентов [5]. Загрязнители, имеющие заряд, например, анионы красителей и фенолов (фенолят-ионы) могут хорошо удерживаться положительно заряженными центрами поверхности оксидных сорбентов. Среди них можно выделить гидроксиды и оксиды циркония (IV) и алюминия (III), которые являются промежуточными продуктами получения алюмоцир-кониевой (AZ) керамики.
Золь-гель процесс считается одним из наиболее перспективных методов синтеза оксидов из-за легкодоступных и воспроизводимых характеристик c широкими возможностями регулирования свойств дисперсий путем варьирования условий синтеза [6].
В золь-гель синтезе систем AhO3 и ZrO2 сначала образуются первичные частицы Zr(OH)8nx(OH)2x-«H2O, AbO4(OHMH2O)127+ или AbO2(OH)14(H2O)103+, которые стремятся коагулировать c уменьшением их избыточной энергии при образовании вторичных частиц [7, 8]. Для снижения коагуляции используют ПАВ-полимеры [9]. Введение полимеров с атомом азота позволяет не только получать высокодисперсные порошки, но и улучшить кислотные свойства поверхности сорбента [10].
Керогели и порошки ZrO2 (Z) и AhO3-ZrO2 (AZ), приготовленные золь-гель методом, эффективны в извлечении как положительно, так и отрицательно заряженных органических и неорганических молекул [11-13], а также в катализе, в том числе и как носители [12, 14-16].
Классическими фотоактивными материалами являются полупроводники TiO2, ZnO и CdS, имеющие значения ширины запрещенной зоны в видимом диапазоне электромагнитного излучения [17]. Исследование фотоактивации Z и AZ ксероге-лей в адсорбционной очистке воды изучено мало, однако ее использование может быть эффективно
по следующим причинам. Оксид алюминия является диэлектриком, но его гидратированная форма - оксогидроксид алюминия (AlOOH) с внут-риструктурными гидроксильными группами рассматривается как широкополостный полупроводниковый материал с шириной запрещенной зоны в диапазоне 2,4-3,4 эВ в зависимости от модификации [18]. Размер частиц y-AlOOH (бемит) влияет на ширину запрещенной зоны [19]. Молекулы воды в гидратированных ксерогелях оксидов и их бинарных систем при УФ активации способны образовывать радикалы O2-, H, OH, которые играют важную роль в процессе разложения органических молекул красителя [17]. Авторы работы [20] исследовали фотостимулированную деградацию красителя в присутствии наночастиц ZrO2, синтезированных золь-гель методом. В отличие от диоксида титана, диоксид циркония способен ингибировать кристаллизацию второго компонента, а двойные ксерогели имеют меньший размер частиц и большую гидратированность по сравнению с монокомпонентными порошками [21]. Значение ширины запрещенной зоны системы AhO3-ZrO2 значительно меньше, чем у AhO3 (6 эВ) и ZrO2 (5 эВ), а для негидратированных (прокаленных при 550 °C) AZ порошков данный показатель составляет 4,2 эВ [22]. Введение в решетку диоксида циркония стабилизирующих фазу t-ZrO2 малых количеств ионов редкоземельных металлов Y+3, Yb+3, Ce+4 повышает фотоактивность ZrO2, включая видимый диапазон света, за счет фотогенерации носителей заряда, что установлено методом ЭПР и подтверждено теоретически для Ce+4-ZrO2 [23]. Эти системы рассматриваются как третье поколение фотоактивных материалов.
Цель работы - определить влияние УФ облучения гидратированных оксидов AhO3, AhO3-ZrO2, ZrO2 на активность в адсорбции из водной среды модельного анионного красителя метилового оранжевого.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Золь-гель синтез с реакциями гидролиз-конденсации проводился при температуре 25 °C, постоянном рН 9,7 ± 0,1 в варианте обратного осаждения. К водному раствору гидроксида аммония, содержащего 0,1% поливинилпирролидона, добавляли раствор солей алюминия и циркония (исходные вещества Al(NO3)3-9H2O и ZrOCh-8H2O марки ч.д.а.) при перемешивании с постоянной скоростью верхнеприводной мешалкой до окончания синтеза длительностью 1ч. Гидрогель подвергли
вакуумной фильтрации с промыванием дистиллированной водой, в конце этиловым спиртом, затем высушивали в сушильном шкафу при 180 °C в течение 2 ч. Навески солей соответствовали указанным в мольных процентах составам AI2O3 (образец 1), 65%AhO3-35%ZrO2 (образец 2), 35%АЬОз-65%ZrO2 (образец 3) и ZrO2 (образец 4), обозначенных A, 65AZ, 35AZ и Z.
Порошки ксерогелей исследовались методами ИК- спектроскопии (таблетки с KBr, спектрометр ФСМ 1202 ООО "Инфраспек", отнесение полос по данным [24, 25]), растровой электронной микроскопии (SUPRA 40-30-87), ренгенофазового анализа (дифрактометр Ultima IV) и БЭТ/БДХ (ад-сорбционно-структурный анализатор TriStar-3000, N2, 77 K).
Адсорбцию красителя определяли методом фотометрии (спектрофотометры Эковью УФ1200 и III1-5300ВИ) по снижению оптического поглощения раствора до (A0) и после (А) адсорбции с расчетом величины адсорбции Гиббса Г = = (A0-A)-V^(Emx)-1 (1). Масса сорбента m и объем раствора V составляли 20 мг и 5 мл, аналитическая полоса поглощения X max = 462 нм, экстинция E = 18800 см-1 •М-1, начальная концентрация метилоранжа (МО) в растворе С0 = 0,075 мМ, длительность адсорбции 24 ч, температура адсорбции 25 °С. Определялись также характеристики динамической адсорбции in situ по зависимостям Г от времени в контакте раствора с адсорбентом до 10 мин. Перед опытом проводилось облучение ксерогелей ртутно-кварцевой лампой высокого давления ПРК-2 широкого УФ диапазона с экспозицией 10 мин, находящейся на расстоянии 10 см от порошков. Температура в зоне облучения не поднималась выше 35 °С.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По данным РФА все образцы были рентге-ноаморфные. В ИК спектрах всех образцов (Рис. 1а) присутствуют колебания voн- = 3452 см-1, 5н2о = 1637 см-1, что подтверждает гидратирован-
ность ксерогелей. Области колебаний гидроксиль-ного покрова (3600-4000 см-1) одинаковые для всех образцов. В спектре ZrO2 регистрируются колебания 5Zr-O-Zr = 1050 см-1, vci = 1405 см-1 и отсутствуют колебания vnh4+ = 3150 см-1, в отличие от спектров остальных ксерогелей. Для AI2O3 характерны колебания saiooh = 1070 см-1с k4ai = 6, vai-o (886 см-1, 832 см-1, 619 см-1, 475 см-1), vno3 = = 1384 см-1. В спектре образца 35 AZ есть полосы VZr-o-Zr = 1050 см-1 и vai-o = 832 см-1. Спектр образца 65AZ совпадает со спектром AI2O3, а полоса
5люои = 1070 см-1 накладывается на полосу 5zr-o-zr = = 1050 см-1. Итак, по данным ИК- спектроскопии только в ксерогелях АЬОз и 65Al2Oз-35%ZrO2 присутствует оксогидроксид алюминия А1ООН, как возможная фотоактивная фаза.
SZr-O-Zr 35AZ
^\/4<Ajo 5AZ
Vnh4 Vn03aiooh A
2500 500
Волновое число, см-1
б
Рис. 1. ИК спектры моно- и бикомпонентных ксерогелей оксидов алюминия и циркония (а) и морфология частиц образца 35AZ (б)
Fig. 1. IR spectra of mono- and bicomponent xerogels of aluminum and zirconium oxides (a) and morphology of the particles for 35AZ sample (б)
Структура ксерогелей представлена иерархией агломератов: на поверхности пластинчатых крупных агрегатов расположены субмикронные сферические агломераты, образованные индивидуальными наноразмерными частицами (рис. 16). Значения удельной поверхности и объема пор, представленные в табл. 1, возрастают с повышением содержания ZrO2. Видно, что удельная поверхность ксерогеля ZrO2 в 15 раз больше Sуд АЬОз,
Z
а
однако рост адсорбции красителя (Гт, мкмоль/г) всего лишь в 1,5 раза. По диаметру пор образцы также отличаются мало. Адсорбция, отнесенная к единице поверхности мкмоль/м2), резко снижается для образцов 2, 3, 4.
Из кинетических кривых адсорбции МО, показанных на рис. 2, видно, что с повышением содержания 2г02 адсорбция увеличивается в ряду ксерогелей 1-2-3-4. Для анализа полученных результатов использовалась модель псевдо-второго порядка Хо-Макея [26] - двухточечная форма адсорбции красителя в рамках модели Ленгмюра. Получаемое в рамках данной модели кинетическое уравнение адсорбции (2) и его линейная форма (3)
позволяют определить константу скорости второго порядка к2, связанную с начальной скоростью адсорбции и предельную адсорбцию Гтах
к2Гтах £
Г =
к7ГП
Г t + 1
W0 = к7Г2 ' 1
21 max и Г = W+ Гг
(2), (3).
Модель псевдо-второго порядка часто используется при анализе кинетики сорбции анионов и катионов и оказывается лучше модели псевдопервого порядка, например, для системы метиле-новый голубой (МГ) и осажденный на уголь золь-гель 8Ю2 [27]. В нашем случае адсорбции катион-ного красителя МГ не наблюдалсь.
Таблица 1
Результаты низкотемпературной адсорбции азота (T =77 K) и адсорбции красителя метилоранжа (25 °С, 24 ч)
на ксерогелях гидратированных оксидов алюминия и циркония Table 1. Results of low-temperature adsorption of nitrogen (T =77 K) and adsorption of methyl orange dye (25 °C,
№ %Al2O3 8уд, м2/г ^ор, см3/г dпор, нм ГМО мкмоль/г Гмо нмоль/м2
1 100 21,2 ± 0,1 0,034 ± 0,001 4,1 ± 0,2 4,1 ± 0,2 19,3 ± 1,4
2 65 33,5 ± 0,2 0,050 ± 0,001 4,9 ± 0,2 4,9 ± 0,2 14,6 ± 1,1
3 35 171,9 ± 0,4 0,246 ± 0,003 4,4 ± 0,2 5,4 ± 0,3 3,2 ± 0,3
4 0 298,2 ± 1,5 0,483 ± 0,007 5,8 ± 0,2 5,8 ± 0,3 1,9 ± 0,2
Г, мкмоль/г
5
10
t, мин
t-Г
A
65AZ 35AZ Z
7
t, мин
10
i
13
6 Г, мкмоль/г
5
t, мин
7
t, мин б
Z
65AZ 35AZ
10
A^
35AZ 65AZ Z
6 3 0 -3
10
13
Рис. 2. Кинетические кривые адсорбции метилоранжа и их спрямление в рамках модели псевдо-второго порядка на AZ ксерогелях до (а) и после (б) УФ обработки Fig. 2. Kinetic curves of methyl orange adsorption on AZ xerogels before (a) and after UV treatment (б) and their straightening within
the pseudo-second order model
t
6
4
4
2
2
0
0
0
0
3
8
2
4
1
0
0
1
4
1
4
a
Таблица 2
Кинетические характеристики двухточечной адсорбции красителя метилоранжа без и c УФ облучением ксерогелей: емкость монослоя (Гтах, мкмоль-г-1), константа скорости (кг, г-мкмоль"1 •мин-1) и начальная
скорость адсорбции (W0, мкмоль- г-1-мин-1) Table 2. Kinetic characteristics of the two-point adsorption of dye methyl orange with out and with UV xerogels' irradiation: the capacity of the monolayer (Tmax, цто!^-1), the rate constant (кг, g- цто!-тт-1) and initial adsorp-
tion rate (W0, ^molg-'min-1)
№ %АЬОз без УФ с УФ
Гтах k2-103 W0 Гтах k2-103 W0
1 100 1,4±0,1 988±60 1,8±0,1 1,7 ± 0,1 33 ± 2 1,1 ± 0,1
2 65 2,2 ± 0,1 680 ± 40 3,4 ± 0,3 5,3 ± 0,3 5,5 ± 0,3 6,2 ± 0,4
3 35 3,4 ± 0,2 400 ± 30 4,5 ± 0,3 5,1 ± 0,3 9,9 ± 0,5 3,8 ± 0,2
4 0 5,9 ± 0,3 170 ± 10 5,9 ± 0,4 5,9 ± 0,3 5,7 ± 0,3 5,1 ± 0,3
Из данных табл. 2 видно, что значения начальной скорости адсорбции метилоранжа увеличиваются, а константы скорости псевдо-вто-рого порядка (к2) уменьшаются с повышением содержания 2г02. Значение Гтах - аппроксимированное значение максимальной ёмкости адслоя при условии однородного монослойного заполнения. Данный показатель имеет ту же корреляцию относительно содержания 2г02, что и значения начальной скорости адсорбции Из рис. 3 следует, что облучение УФ светом мало влияет на адсорбционную активность монооксидных ксерогелей, однако у бинарных систем есть ее рост. Наибольший эффект от УФ обработки сорбента - повышение Гтах и был получен для бинарного образца 65Л2. Это связано как с высоким содержанием воды в его каркасе (брутто-формула ксерогеля по данным термогравиметрии [65%ЛЬ0з-35%2г02]-2,6 Н2О), так и наличием фазы Л1ООН, которая не регистрируется в ИК спектрах образца 35 Л2.
Рис. 3. Влияние УФ облучения ксерогелей на начальную скорость W0 и предельную адсорбцию Г max метилоранжа Fig. 3. Effect of UV irradiation of xerogels on the initial adsorption velocity and the maximum adsorption of methyl orange
Интересным наблюдением является то, что практически для всех исходных (необлученных)
систем значения Fmax занижены по сравнению с адсорбцией, определенной опытным путем через 24 ч (Г24). При длительном выдерживании сорбента структура ксерогеля деформируется, появляются новые центры адсорбции. В кинетической модели предполагается только один тип центров, и изменение структуры сорбирующего материала не учитывается. Сравнение величин Г max и Г24 показало линейное снижение отношения r24/rmax в ряду образцов A (2,9) > 65AZ (2,2) > 35AZ (1,6) > Z (1,0). Чем больше это отношение, тем больше вызванная адсорбцией деформация сорбента, т.е. меньше прочность каркаса ксерогеля. У гидратированного оксида циркония деформации нет, а у гидратирован-ного оксида алюминия она наибольшая.
ВЫВОДЫ
Результаты работы показали возможность применения фотоактивации облучением ультрафиолетовым светом аморфных моно- и бинарных оксидных ксерогелей-сорбентов АЬОз (1), AhO3-ZrO2 (2,3), ZrO2 (4), полученных гидролизным золь-гель методом, для стимуляции адсорбции анионного красителя. Лучшие адсорбционные характеристики быстрой (10 мин контакта) и длительной (24 ч) адсорбции были у ZrO2, имеющего самые высокие значениями удельной поверхности (298 м2/г) и объема пор (0,483 см3/г) в линейке образцов 1-4. Наибольший эффект фотоактивации адсорбции по кинетическим данным, соответствующим псевдовторому порядку адсорбции, показал образец 2 (AZ с 65 мол.% AhO3) с высокой степенью гидратиро-ванности по данным термогравиметрии и содержащий фотоактивную фазу AlOOH по данным ИКС. Эффект проявляется в увеличении после облучения сорбента начальной скорости адсорбции и предельной адсорбции Tmax (емкости монослоя). У необлученных ксерогелей 1, 2, 3 выявлена способность к адсорбционной деформации каркаса, оцененная по косвенным данным сравнения Tmax с
опытным значением адсорбции за 24 ч. Индуцированная адсорбцией красителя деформация сорбента (отношение T24/Tmax) линейно снижается в ряду образцов А(1) - 65AZ(2) - 35AZ(3) - Z(4) от 2,9 до 1. Алюмоциркониевый ксерогель 65%Al2O3-35ZrO2 с деформируемым при длительной сорбции каркасом показывает значительный рост адсорбции метилоранжа после УФ обработки, что может быть использовано в адсорбционном удалении из водной среды красителей анионного типа.
Работа выполнена в соответствии с планом НИОКР секции «Адсорбционные явления»
ЛИТЕРАТУРА
1. Soylak M., Unsal Y.E., Tuzen M. Spectrophotometry determination of tracelevels of allura red in water samples after separation and preconcentration. Food Chem. Toxicol. 2011. V. 49. P. 1183-1187. DOI: 10.1016/j.fct.2011.02.013.
2. Salleh M.A.M., Mahmoud D.K., Karim W.A.W.A., Idris A. Cationic and anionic dye adsorption by agricultural solid wastes: A comprehensive review. Desalination. 2011. V. 280. P. 1-13. DOI: 10.1016/j.desal.2011.07.019.
3. Allen S.J., Mckay G., Porter J.F. Adsorption isotherm models for basic dye adsorption by peat in single and binary component systems. J. Colloid Interface Sci. 2004. V. 280. N 2. P. 322-333. DOI: 10.1016/j.jcis.2004.08.078.
4. Gupta V.K., Suhas. Application of low-cost adsorbents for dye removal - A review. J. Environ. Manag. 2009. V. 90. N 8. P. 2313-2342. DOI: 10.1016/j.jenvman.2008.11.017.
5. Yagub M.T., Sen T.K., Afroze S., Ang H.M. Dye and its removal from aqueous solution by adsorption: A review. Adv. Colloid Interface Sci. 2014. V. 209. P. 172-184. DOI: 10.1016/j.cis.2014.04.002.
6. Dehghanghadikolaei A., Ansary J., Ghoreishi R. Sol-gel process applications: A mini-review. Proc. Nat. Res. Soc. 2018. V. 2. A. 02008. DOI: 10.11605/j.pnrs.201802008.
7. Takasaki F., Fujiwara K., Nakajima Y., Nishikawa T., Ogawa N. Nanometer-sized Polynuclear Cluster and Oxide Nanocrystal Formation via Aging-condition-dependent Hydrolysis of Zirconium Oxychloride. Chem. Lett. 2014. V. 43. P. 196-198. DOI: 10.1246/cl.130892.
8. Тагандурдыева Н., Нараев В.Н., Постнов А.Ю., Мальцева Н.В. Получение гидроксида алюминия - байерита методом осаждения. Изв. СПбГТИ(ТУ). 2020. № 53(79). С. 17-22. DOI: 10.36807/1998-9849-2020-53-79- 17-22.
9. Ordonez F., Chejne F., Pabon E., Cacua K Synthesis of ZrO2 nanoparticles and effect of surfactant on dispersion and stability. Ceram. Int. 2020. V. 46. N 8. P. 11970-11977. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.01.23.
10. Li S., Jin C., Feng N., Li S., Deng F., Xiao L., Fan J. Regulation of acidic properties of WO3-ZrO2 for Friedel-Crafts reaction with surfactant. Catal. Commun. 2019. V. 123. P. 54-58. DOI: 10.1016/J.CATCOM.2019.01.026.
11. Dwivedi R., Maurya A., Verma A., Prasad R., Bartwal K.S. Microwave assisted sol-gel synthesis of tetragonal zirconia na-noparticles. J. Alloys Comp. 2011.V. 509. N 24. P. 6848-6851. DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.03.138.
12. Май До Тхюи, Михаленко И.И. Влияние введения полимера в состав гелей ZrO2 на структуру, адсорбционную способность и каталитическую активность. Усп. в химии и хим. технологии. 2014. T. 28. № 9. C. 58-60.
Научного совета РАН по физической химии на 2022 г., номер темы 22-03-460-11.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.
The work was carried out in accordance with the plan of the section "Adsorption Phenomena" of the Scientific Council of the Russian Academy of Sciences on Physical Chemistry for 2022, topic number 22-03460-11.
The authors declare the absence a conflict of interest warranting disclosure in this article.
REFERENCES
1. Soylak M., Unsal Y.E., Tuzen M. Spectrophotometric determination of tracelevels of allura red in water samples after separation and preconcentration. Food Chem. Toxicol. 2011. V. 49. P. 1183-1187. DOI: 10.1016/j.fct.2011.02.013.
2. Salleh M.A.M., Mahmoud D.K., Karim W.A.W.A., Idris A. Cationic and anionic dye adsorption by agricultural solid wastes: A comprehensive review. Desalination. 2011. V. 280. P. 1-13. DOI: 10.1016/j.desal.2011.07.019.
3. Allen S.J., Mckay G., Porter J.F. Adsorption isotherm models for basic dye adsorption by peat in single and binary component systems. J. Colloid Interface Sci. 2004. V. 280. N 2. P. 322-333. DOI: 10.1016/j.jcis.2004.08.078.
4. Gupta V.K., Suhas. Application of low-cost adsorbents for dye removal - A review. J. Environ. Manag. 2009. V. 90. N 8. P. 2313-2342. DOI: 10.1016/j.jenvman.2008.11.017.
5. Yagub M.T., Sen T.K., Afroze S., Ang H.M. Dye and its removal from aqueous solution by adsorption: A review. Adv. Colloid Interface Sci. 2014. V. 209. P. 172-184. DOI: 10.1016/j.cis.2014.04.002.
6. Dehghanghadikolaei A., Ansary J., Ghoreishi R. Sol-gel process applications: A mini-review. Proc. Nat. Res. Soc. 2018. V. 2. A. 02008. DOI: 10.11605/j.pnrs.201802008.
7. Takasaki F., Fujiwara K., Nakajima Y., Nishikawa T., Ogawa N. Nanometer-sized Polynuclear Cluster and Oxide Nanocrystal Formation via Aging-condition-dependent Hydrolysis of Zirconium Oxychloride. Chem. Lett. 2014. V. 43. P. 196-198. DOI: 10.1246/cl.130892.
8. Tagandurdyyeva N., Narayev V.N., Postnov A. Yu., Maltseva N.V. Preparation of aluminum hydroxide - bayer-ite by precipitation method. Izv. SPbGTI(TU). 2020. N 53(79). P. 17-22 (in Russian). DOI: 10.36807/1998-9849-2020-5379-17-22.
9. Ordonez F., Chejne F., Pabon E., Cacua K. Synthesis of ZrO2 nanoparticles and effect of surfactant on dispersion and stability. Ceram. Int. 2020. V. 46. N 8. P. 11970-11977. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.01.23.
10. Li S., Jin C., Feng N., Li S., Deng F., Xiao L., Fan J. Regulation of acidic properties of WO3-Z1O2 for Friedel-Crafts reaction with surfactant. Catal. Commun. 2019. V. 123. P. 54-58. DOI: 10.1016/J.CATCOM.2019.01.026.
11. Dwivedi R., Maurya A., Verma A., Prasad R., Bartwal K.S. Microwave assisted sol-gel synthesis of tetragonal zirconia nanoparticles. J. Alloys Comp. 2011.V. 509. N 24. P. 6848-6851. DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.03.138.
12. Do Th. M., Mikhalenko I.I. The effect of polymers introducing in zro 2 gels on its structure adsorptive capacity and catalytic activity. Usp. Khim. Khim. Tekhnol. 2014. V. 28. N 9. P. 58-60 (in Russian).
13. Пищулина А.Е., Вахрушев Н.Е., Михаленко И.И., Ильичёва А.А., Подзорова Л.И., Коновалов А.А., Гор-диенко А.М. Влияние структурированности ксерогелей [ZrYb]Ü2 - AI2O3 на адсорбционную активность. Учен. зап. физ. фак-та Моск. ун-та. 2022. № 4. С. 2240901.
14. Hou J. Novel Ni-ZrO2 catalyst doped with Yb2O3 for eth-anol steam reforming. J. of Hydrogen En. 2014. V. 39. N 3. P. 1315-1324. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.10.169.
15. Al-Fatesh A.S. Effect of pre-treatment and calcination temperature on Al2O3-ZrO2 supported Ni-Co catalysts for dry reforming of methane. Int. J. Hydrogen En. 2019. V. 44. P. 21546 - 21558. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.06.085.
16. Zhukova A.L, Chuklina S.G., Maslenkova S.A Study of Cu modified Zr and Al mixed oxides in ethanol conversion: The structure-catalytic activity relationship. Catal. Today. 2021. V. 379. P. 159-165. DOI: 10.1016/j.cattod.2021.02.015.
17. Fox M.A., Dulay M.T. Heterogeneous photocatalysis. Chem. Rev. 1993. V. 93. N 1. P. 341-357. DOI: 10.1021/cr00017a016.
18. Munusamy G., Varadharajan K., Narasimhan S., Gan-gavalli Thangapandiyan U. Investigation of y-AlOOH and NiWO4-coated boehmite micro/nanostructure under UV/vis-ible light photocatalysis. Res. Chem. Intermed. 2018. V. 44. P. 7815-7834. DOI: 10.1007/s11164-018-3588-5.
19. Alemi A., Hosseinpour Z., Dolatyari M., Bakhtiari A. Boehmite (y-AlOOH) nanoparticles: Hydrothermal synthesis, characterization, pH-controlled morphologies, optical properties, and DFT calculations. Physica Status Solidi (b). 2012. V. 249. N 6. P. 1264-1270. DOI: 10.1002/pssb.201147484.
20. Sreethawong T., Ngamsinlapasathian S., Yoshikawa S. Synthesis of crystalline mesoporous-assembled ZrO2 nano-particles via a facile surfactant-aided sol-gel process and their photocatalytic dye degradation activity. Chem. Eng. J. 2013. V. 228. P. 256-262. DOI: 10.1016/j.cej.2013.04.111.
21. Upadhyaya D., Gonal, M., Prasad R. Studies on crystallization behaviour of 3Y-TZP/AhO3 composite powders. Mater. Sci. Eng. 1999. 270(2). P. 133-136. DOI: 10.1016/s0921-5093(99)00193-8.
22. Yaghoubi A., Ramazani A., Taghavi Fardood S. Synthesis of Al2O3/ZrO2. Nanocomposite and the Study of Its effects on Photocatalytic Degradation of Reactive Blue 222 and Reactive Yellow 145 Dyes. Chem. Select. 2020. V. 5. N 32. P. 9966-9973. DOI: 10.1002/slct.202002578.
23. Gionco C., Paganini M.C., Giamello E., Burgess R., Di Valentin C., Pacchioni G. Cerium-Doped Zirconium Dioxide, a Visible-Light-Sensitive Photoactive Material of Third Generation. J. Phys. Chem. Lett. 2014. 5(3). P. 447-451. DOI: 10.1021/jz402731s.
24. Вольхин В.В., Жарныльская А.Л., Леонтьева Г.В. Физико-химическое исследование композиционного геля в системе AkO3-ZrO2. Журн. неорг. химии. 2010. T. 55. № 5. C. 723-728. DOI: 10.1134/S0036023610050049.
25. Helena dos Santos K., Adriana Ferreira J., Osiro D., Aparecida de Carvalho R., Alberto Colnago L., Alves Júnior C., Maria de Jesus Agnolon Pallone E. Influence of the cold plasma treatment on the AhO3/ZrO2 nanocomposites surfaces. Appl. Surf. Sci. 2020. V. 531. A. 147206. DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.147206.
26. Ho Y.S., McKay G. Pseudo-second order model for sorption processes. Process Biochem. 1999. V. 34. N 3. P. 451-465. DOI: 10.1016/S0032-9592(98)00112-5.
27. Смирнова Д.Н., Гришин И.С., Смирнов Н.Н. Сравнение сорбционных свойств кремнийоксиуглеродных адсорбентов, синтезированных различными способами. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 12. С. 44-52. DOI: 10.6060/ivkkt.20226512.6694.
13. Pishchulina A.E., Vakhrushev N.E., Mikhalenko I.I., Il'icheva A.A., Podzorova L.I., Konovalov A.A., Gor-dienko A.M. Influence of structurization of [ZrYb]O2-Al2O3 xerogels on the adsorption activity. Uchen. Zap. Fiz. Fak-ta Mosk. Un-ta. 2022. N 4. A. 2240901 (in Russian).
14. Hou J. Novel Ni-ZrO2 catalyst doped with Yb2O3 for ethanol steam reforming. J. Hydrogen En. 2014. V. 39. N 3. P. 1315-1324. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.10.169.
15. Al-Fatesh AS. Effect of pre-treatment and calcination temperature on Al2O3-ZrO2 supported Ni-Co catalysts for dry reforming of methane. Int. J. Hydrogen En. 2019. V. 44. P. 21546 - 21558. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.06.085.
16. Zhukova AL, Chuklina S.G., Maslenkova S.A. Study of Cu modified Zr and Al mixed oxides in ethanol conversion: The structure-catalytic activity relationship. Catal. Today. 2021. V. 379. P. 159-165. DOI: 10.1016/j.cattod.2021.02.015.
17. Fox M.A., Dulay M.T. Heterogeneous photocatalysis. Chem. Rev. 1993. V. 93. N 1. P. 341-357. DOI: 10.1021/cr00017a016.
18. Munusamy G., Varadharajan K., Narasimhan S., Gan-gavalli Thangapandiyan U. Investigation of y-AlOOH and NiWO4-coated boehmite micro/nanostructure under UV/vis-ible light photocatalysis. Res. Chem. Intermed. 2018. V. 44. P. 7815-7834. DOI: 10.1007/s11164-018-3588-5.
19. Alemi A., Hosseinpour Z., Dolatyari M., Bakhtiari A. Boehmite (y-AlOOH) nanoparticles: Hydrothermal synthesis, characterization, pH-controlled morphologies, optical properties, and DFT calculations. Physica Status Solidi (b). 2012. V. 249. N 6. P. 1264-1270. DOI: 10.1002/pssb.201147484.
20. Sreethawong T., Ngamsinlapasathian S., Yoshikawa S. Synthesis of crystalline mesoporous-assembled ZrO2 nano-particles via a facile surfactant-aided sol-gel process and their photocatalytic dye degradation activity. Chem. Eng. J. 2013. V. 228. P. 256-262. DOI: 10.1016/j.cej.2013.04.111.
21. Upadhyaya D., Gonal, M., Prasad R. Studies on crystallization behaviour of 3Y-TZP/AhO3 composite powders. Mater. Sci. Eng. 1999. 270(2). P. 133-136. DOI: 10.1016/s0921-5093(99)00193-8.
22. Yaghoubi A., Ramazani A., Taghavi Fardood S. Synthesis of Al2O3/ZrO2. Nanocomposite and the Study of Its effects on Photocatalytic Degradation of Reactive Blue 222 and Reactive Yellow 145 Dyes. Chem. Select. 2020. V. 5. N 32. P. 9966-9973. DOI: 10.1002/slct.202002578.
23. Gionco C., Paganini M.C., Giamello E., Burgess R., Di Valentin C., Pacchioni G. Cerium-Doped Zirconium Dioxide, a Visible-Light-Sensitive Photoactive Material of Third Generation. J. Phys. Chem. Lett. 2014. 5(3). P. 447-451. DOI: 10.1021/jz402731s.
24. Vol'khin V.V., Zharnyl'skaya A.L., Leont'eva G.V. Phys-icochemical study of composite gel in the AhO3 - ZrO2 system. Russ. J. Inorg. Chem. 2010. V. 55. N 5. P. 670-675. DOI: 10.1134/S0036023610050049.
25. Helena dos Santos K., Adriana Ferreira J., Osiro D., Aparecida de Carvalho R., Alberto Colnago L., Alves Júnior C., Maria de Jesus Agnolon Pallone E. Influence of the cold plasma treatment on the Al2O3/ZrO2 nanocomposites surfaces. Appl. Surf Sci. 2020. V. 531. A. 147206. DOI: 10.1016/j. apsusc .2020.147206.
26. Ho Y.S., McKay G. Pseudo-second order model for sorption processes. Process Biochem. 1999. V. 34. N 3. P. 451-465. DOI: 10.1016/S0032-9592(98)00112-5.
27. Smirnova D.N., Grishin I.S., Smirnov N.N. Comparison of sorption properties of silicon-carbon adsorbents synthesized by various methods. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 12. P. 45-52 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20226512.6694.
Поступила в редакцию (Received) 17.10.2022 Принята к опубликованию (Accepted) 28.02.2023
