CC BY
27
УДК 541.138:541.183
DOI: 10.18698/1812-3368-2018-6-128-141
ГЕМАТИТ — СОРБЕНТ ИОНОВ КОБАЛЬТА (II)
Е.А. Елисеева1 Л.Е. Слынько1 Т.К. Атанасян2 И.Г. Горичев2 В.Н.Горячева1
1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Российская Федерация
2 МПГУ, Москва, Российская Федерация
Аннотация
Экспериментально изучена адсорбция ионов кобальта (II) на оксидном сорбенте железа (III) при различных концентрациях ионов кобальта (II) и рН. Определены константы кислотно-основных равновесий на границе оксид-электролит методами потенциометрического титрования и отдельных навесок по зависимости электрокинетического потенциала от рН. Предложено описывать адсорбционные зависимости с позиции кислотно-основной теории адсорбции. Установлено, что адсорбция ионов кобальта (II) зависит от концентрации этих ионов и слабо зависит от природы сорбента (Fe2Oз). Процесс адсорбции ионов Со (II) на Fe2Oз происходит при более низких рН, чем рН осаждения оксидов и гидроксидов кобальта. Адсорбция слабо зависит от точки нулевого заряда изучаемых сорбентов. Оптимальные значения рН начала осаждения оксидов и гидроксидов составляют 4,5-6,5 в зависимости от концентрации ионов кобальта
Ключевые слова
Адсорбция, ионы кобальта, гематит, кислотно-основные свойства, константы равновесия, сорбент, оксид железа
Поступила в редакцию 28.12.2017 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018
Введение. Ионы тяжелых металлов, особенно соединения кобальта, относятся к одной из наиболее опасных групп веществ, загрязняющих биосферу, окружающую среду, почву, природные воды. Адсорбция ионов кобальта (II) на различных субстратах (в том числе оксидах и гидроксидах) была предметом тщательного анализа, например, работ [1-9]. Детальный анализ адсорбции ионов кобальта на оксидном сорбенте позволил бы предложить модель механизма адсорбции и осаждения гидроксокомплексов кобальта из растворов. В связи с этим представляет интерес исследование адсорбции ионов кобальта (II) на оксидном сорбенте (Fe2Oз).
Цель работы — анализ экспериментальных данных по влиянию рН и концентрации ионов на адсорбцию ионов кобальта (II) и моделирование адсорбционных явлений с позиции кислотно-основных свойств сорбента (Fe2Oз).
Методы исследования адсорбции ионов кобальта (II) на гематите Fe2Oз.
Эксперимент проводился в термостатируемом (295 К) реакторе объемом 500 мл, продуваемом струей очищенного азота, масса навески сорбента 5 г. Адсорбция определялась по разности количества ионов кобальта (II) до и после эксперимента (через 20 мин). Точную концентрацию ионов в растворе измеряли методом спектрофотометрии с использованием индикатора роданида калия и ацетона [10, 11]. Экспериментально изучено влияние концентрации ионов кобальта (Co2+) на адсорбцию гидролизных ионов кобальта (II) на сорбенте (железа) при различных значениях рН. Начальная концентрация ионов кобальта Сс02+ = 10_3 М. Значение рН регулировалось добавлением азотной кислоты и гидроксида калия во всех методах исследования.
Методы изучения кислотно-основных свойств гематита. Для расчета констант кислотно-основных равновесий в работе предложено использовать экспериментальные результаты, полученные методом потенциометрического титрования суспензий оксидов железа [12, 13]. В качестве объекта исследования выбраны сорбенты квалификации «ч.д.а». При потенциометрическом титровании измерение рН осуществлялось на иономере И-130. Титрование проводилось раствором КОН 0,05 моль/л в герметичной термостатированной ячейке (303 К). Масса навески сорбента составляла 1 г на 50 мл раствора. Концентрация растворов фонового электролита КС1, моль/л: 0,01; 0,1; 1,0.
Результаты адсорбции ионов кобальта (II) на гематите Fe2Oз. Экспериментальная зависимость адсорбции ионов кобальта на оксидном сорбенте Бе20э от рН приведена на рис. 1, е. С повышением рН доля адсорбированных ионов кобальта увеличивается. Процесс адсорбции ионов кобальта (II) на Бе20э происходит при более низких значениях рН, чем значения рН осаждения оксидов и гидроксидов кобальта. Адсорбция слабо зависит от точки нулевого заряда (ТНЗ) изучаемых сорбентов [1-6, 14-16].
а б
Рис. 1. Зависимости адсорбции ионов кобальта (0,0001 моль/дм3):
а — от рН на оксидном сорбенте Бе20э (1 — экспериментальные данные; 2 — модельная кривая); б — от концентрации ионов кобальта при значениях рН = 7,40 (1), 7,25 (2), 7,0 (3), 6,75 (4), 6,5 (5)
(линиями показаны изотермы Фрумкина)
Экспериментальная зависимость адсорбции ионов кобальта (II) на гематите (Fe2Ö3) от их концентрации при различных значениях рН приведена на рис. 1, б. С повышением концентрации ионов кобальта (II) в растворе значение адсорбции Fe2O3 возрастает.
Для предварительного эмпирического описания адсорбционных закономерностей использовали уравнения Ленгмюра и Фрумкина:
ßC = —; ßC =—е "а9, (1)
1-0 1-0
где ß — константа адсорбционного равновесия; С — концентрация фонового электролита; 0 — степень покрытия; а — адсорбционная постоянная [17]. Для расчета адсорбционных параметров кобальта (II) на оксиде железа (III) экспериментальные изотермы обрабатывались методом регрессионного анализа с помощью программы Mathcad. Вычисленные значения адсорбционных параметров приведены в табл. 1, 2.
Таблица 1
Экспериментальные значения адсорбционных параметров ионов кобальта (II) на гематите, рассчитанные с использованием изотерм Фрумкина
Параметр pH
7,25 7,0 6,75 6,5 7,40
Г, 108, моль/(м2-г) 260,74 158,75 100,77 57,74 407,7
а 0,57 1,16 1,24 1,30 0,06
С, моль/л 0,01 6,5-10-3 5,7-10-3 4,03-10-3 0,01
Таблица 2
Теоретические значения адсорбционных параметров ионов кобальта (II) на оксиде железа (III), рассчитанные с использованием различных изотерм
Параметр рН
4,50 4,75 5,00 5,25 5,50 5,75 6,00
Г, 10-3, моль/(м2-г) С испо 0,06714 ыьзоваш 0,1067 ем изоте1 0,8873 рмы Ленгм 2,497 тра 8,162 27 2212
ß, 10-4, л/моль 0,1028 0,0335 0,4859 0,8870 1,593 3,856 260
Г, моль/(м2-г) С испо 50,813 льзовани 90,651 1ем изоте} 145,107 шы Фрум 222,121 киша 168,234 193,053 188,887
ß, л/моль 7,245 0,044 7,377 7,69 3,254 2,755 2,218
-а, 104 0,73 0,0314 0,1261 5,838 1,216 38,07 41988
Использование изотерм Фрумкина и Ленгмюра не позволяет объяснить зависимость адсорбции как от концентрации, так и от рН, поэтому для объяснения этого факта предложена кислотно-основная модель адсорбционных равновесий, описанная в работах [18-21]. Эта модель рассматривает влияние скачка
потенциала на границе сорбент-раствор и при количественном описании адсорбционных данных учитывает влияние потенциала.
Для полного описания процесса адсорбции необходимо исследовать кислотно-основные свойства сорбента. Изотерма Фрумкина детально описывает зависимость степени покрытия поверхности ионами кобальта гематита при различных значениях рН (см. рис. 1, б). Изотерма применима только для описания 0 = CCo2+ при рН = const.
Изотермы Ленгмюра и Фрумкина не позволяют математически описать зависимости адсорбции от рН при постоянных значениях концентрации адсорбированных ионов. В связи с этим в последнее время широко используется система уравнений, которая учитывает не только зависимость адсорбции от концентрации адсорбированных ионов, но и от рН. Для решения таких систем уравнений требуются компьютерные программы. Теоретическое уравнение имеет вид 0 = /(pH, Си), где Си — концентрация ионов [20-23]. Система уравнений требует описания кислотно-основных свойств поверхности оксидов, поэтому адсорбция была рассмотрена с учетом этих свойств.
Теоретическое обоснование кислотно-основных равновесий на границе оксида железа (Ш)-электролита. При контакте сорбента с электролитом вследствие адсорбции (десорбции) ионов водорода, катионов и анионов электролита устанавливаются четыре равновесия, характеризующиеся соответствующими константами K1-K4 кислотно-основных свойств. За счет адсорбции ионов возникает заряд поверхности оксида (q) и потенциал (ф0) ионной части двойного электрического слоя (ДЭС) [1-6]:
FeOH+s ^ FeOH0 + H
FeOH0 -о- FeOj + H+
FeOH+ -A;o FeOHO + H+ + A -
(2)
2
K 3 = K 0exp
-oexp Г(фо - Vi )F I [ - FeOH0 ] [ H+] [A- ]
3exp __ г -.-I „.TT, . _n
RT J [ - FeOH+---A 7 ]
FeOH0 + K+ ^ FeO~ • • • K + + H+
K4 = K 4exp
(Фо - Vi) F1 [ - FeO~-K + ] [ H +] RT ~ [FeOHO ][K+ ]
Здесь [ - FeOH0 ] — концентрация незанятой поверхности, Кл/см2; [ - FeOH2,s ], [-FeO;], [-FeOH^--- A7], [-FeO"••• K$ ] — поверхностные концентрации адсорбированных частиц, моль/л; [H+], [K+], [A-] — концентрации ионов кобальта (II) в объеме раствора, моль/л; фо, tyi — потенциалы в различных плоскостях ионной части ДЭС; К0, К0 — константы равновесий; К01 — интегральная емкость в плотной части ДЭС; F = 96485,3 Кл/моль — число Фарадея; R = 8,314 Дж/(моль • K) — универсальная газовая постоянная; Т — температура, K [17].
Схема современного представления о строении ДЭС, предложенная Т. Грэмом и Дж. Парсонсом для описания границы оксид-электролит, приведена ниже, где Koi, Ко2 — емкости области пространственного заряда в плотной и диффузной частях слоя Гельмгольца; Ce — концентрация ионов в растворе электролита; O — поверхность оксида (Oxide); IHP, ОНР — внутренняя (Inner Helmholtz Plain) и внешняя плоскости (Outer Helmholtz Plain) Гельмгольца; S — объем раствора (Solution) [17].
-С0ОН2"
Фо Vi V2 Ч ~Ч\ ~Ч2
! I Кп | С„
■а; ®
.0
-СоОН2% (+) -CoOHj j ФЭ
-соо" -к; &--(+)
-coo;G ©|з> ! ! ! О IHP ОНР s
Потенциал ф0 определяется тремя скачками:
1) O-IHP: Фо -V1 =
Л.
К
01
2) 1НР-ОНР: у! -
К12
3) ОНР-З: у2. Заряд q компенсируется суммой зарядов ql и q2, где ql, q2 — заряд, образуемый противоионами, и суммарный заряд диффузного слоя [17].
Следовательно,
q + ql + q2 = 0; (3)
Фо =(фо-V1 ) + (V1 -V2 ) + V2 = -7—+ V2.
K01 K12
(4)
Используя уравнения (2)-(4), получаем
q = Б (([ - СоОН+5 ] + [ - СоОН+--А; ])-([ - СоО; ] + [ - СоО---К+ ]))
К = Б ([ - СоО---К+ ]-[-СоОН^-Аг ]) (5)
q2 = Б ([ - СоО; ] - [ - СоОН+5 ])
В результате из условий электронейтральности, материального баланса базисных компонентов реакции и закона действующих масс находим выражения для поверхностных концентраций частиц, адсорбированных на оксиде [14]:
f-CoOH+ ] =
NC 2 + K з
s н+ 3
B
- CoOH+ - Ar ] =
NSC2+cKi
н+
'- CoO7 ] =
'-CoO--K t ] =
B (6)
NSK 3K 2 Ki B
NSCK 4 K 3K1
В
где
В = КзСН+ + К1СН+ С + ВДС^ + К 4 К з КС + МК
N = [-СоОН+5] + [-СоОЩ ••• А7] + [-СоОН0] + [-СоО;] + [-СоО---К+
— общее число адсорбционных центров.
Подставив выражения (6) в уравнение (5), получим
К1
K:С (CH+"K 4K 3 MCH+ - K2 Ki)
q = Ns F—-. (7)
^ C (CH+ + K4K3 ) + (CH+ + K2 Ki) + KiCH+
К
Кз
Решая совместно уравнения (2) при Е0 = 0, q = 0 и СН+ = СН+, запишем уравнение
К 0К0 = К0К0 = С2 . (8)
Н0
Согласно трехслойной модели строения ДЭС, константы равновесия имеют вид (2) [17]:
-г I г. - г 0 — ( Фор
K1 = K0exp j; K2 = K2 exp ^
I qF ). r - qF
Кз = К0 ехр I - I; К4 = К0 ехр
3 Ч ЯТК01 ) 4 Ч КТК01
т. е. константы зависят от потенциала. Подставив приведенные выражения (9) в уравнение (7), получим зависимость q(ф0) вида
q = ~NSF-
K0C
к 0
sh
qF
K 0iRT
ln
(С 4
"Ho V CH+
sh
/ /
9qF RT
ln
(С 4
chl
V CH+
J J
KQC
к Q
ch
qF
K oiRT
ln
(С X\ CHI
CTT+
V H J J
ch
9qF RT
ln
(C W
cho
ctt+
V H J J
2CU -
(1Q)
где фо — потенциал в ионной части ДЭС, в первом приближении зависимость скачка потенциала на границе оксид-электролит можно описать уравнением Нернста: ф0 =р-0,059(рН0- рНТнЗ ), р = 0,8 (отклонение от уравнения Нернста); рНтнз — водородный показатель ТНЗ.
Результаты расчета констант кислотно-основных равновесий по данным потенциометрического титрования суспензии оксида железа (III). С использованием основного уравнения кривой титрования фонового электролита
V - V
flH+ flH+
Vq + V,
[KOHjy- Kw = Q
и уравнения титрования суспензии оксида
V - V,
flH+ flH+
Vq + v
[KOH] -[ H+ ]
Y-Kw = Q
(11)
(12)
рассчитана адсорбция протонов (моль/л) по данным кривых потенциометрического титрования (рис. 2, а). В формулах (11) и (12) V, — эквивалентный объем щелочи с концентрацией [КОН], израсходованной на титрование HCl с известной концентрацией; V — текущий объем; Ve — объем суспензии; Vq — начальный объем раствора до титрования; у — коэффициент активности Н+; Kw — ионное произведение воды.
q, 105, Кл/см
Рис. 2. Кривые потенциометрического титрования фонового электролита (1) и суспензии Fe203 (2) раствором щелочи KOH (T = 298,2 К; VQ = 5Q мл; m = 2Q г/л; S = 63,1 м2/г, CKOH = 0,1 моль/л) при CKci = 0,1 моль/л (а), зависимость заряда поверхности q для оксида железа (III) на границе оксид-электролит от рН (б)
Заряд поверхности сорбента [18, 19] рассчитывали по уравнениям:
[ н+ ] =
у - у;'
V0 + V
[KOH] -
( aH+ - Kw
аН+У
q=[Н-]ms•
где m — концентрация суспензии; S — поверхность оксида [20, 21].
Зависимость заряда q поверхности оксида от рН для оксида железа (III) на границе оксид-электролит приведена на рис. 2, б. Используя экспериментальные зависимости заряда и потенциала от рН для оксида железа (III) методом оптимизации (сравнением теоретической и экспериментальной зависимостей заряда от рН) были рассчитаны константы равновесия по уравнению (10) с помощью программы Mathcad (табл. 3). Показатель pH точки нулевого заряда поверхности оксида железа (III) равен 7,25. Найденные значения констант позволяют определить распределение различных ионов на поверхности сорбента.
Таблица3
Значения адсорбционных параметров кислотно-основных равновесий на границе сорбент-электролит, определенных методом потенциометрического титрования
Параметр рН
4,50 4,75 5,00 5,25 5,50 5,75 6,00
Г, 10-3, моль/(м2 ■ г) С испо 0,06714 ыьзованг 0,1067 1ем изоте1 0,8873 Омы Ленгм 2,497 юра 8,162 27 2212
ß, 10-4, л/моль 0,1028 0,0335 0,4859 0,8870 1,593 3,856 260
Г, моль/(м2 ■ г) С испо 50,813 льзовань 90,651 1ем изоте} 145,107 шы Фрум 222,121 кина 168,234 193,053 188,887
ß, л/моль 7,245 0,044 7,377 7,69 3,254 2,755 2,218
-а, 104 0,73 0,0314 0,1261 5,838 1,216 38,07 41988
Согласно анализу данных потенциометрического титрования, оксидные суспензии оксида железа (III) Бе20з ведут себя как двухосновные кислоты за счет возникновения четырех кислотно-основных равновесий, описываемых системой (2).
Результаты моделирования адсорбции ионов кобальта (II) на оксиде железа (III) с учетом кислотно-основных равновесий. Для описания адсорбции ионов кобальта (II) на гематите Fe203 использовалась кислотно-основная модель равновесий, которая требует знаний кислотно-основных свойств сорбента и значений констант равновесий, возникающих на границе сорбент-электролит (табл. 3) [18-24].
Для моделирования адсорбционных процессов предполагали, что на границе оксид-раствор существует пять равновесий, совместное решение которых описывается системой (2) и уравнениями
Fe - OH0 + CoOH+ ^ Fe - OCoOH? + H
K 5 = K 0 exp
ф0Б 1 [Бе - ОСоОН0 ][н+] (13)
RT \ ~ [ Бе - ОН0 ][СоОН+ ] '
Для теоретического описания зависимости адсорбции ионов кобальта (II) от рН были совместно решены уравнения (2) и (13) стандартными методами с учетом распределения гидроксоионов кобальта (II) в растворе при различных значениях рН. Для этого составлена система уравнений: материального баланса по компонентам реакции ступенчатого гидролиза ионов кобальта (II) с участием ионов водорода и рассчитаны относительные доли комплексных ионов кобальта а(СоОН2тт) [12, 17].
Согласно результатам моделирования, адсорбция положительных ионов (Н+, Ыа+, К+) происходит только на отрицательно заряженной поверхности оксидов при рН > рН0 . Гидратированные ионы кобальта СоОН+ адсорбируются на поверхности оксидов, встраиваясь в кристаллическую решетку, не изменяя заряда поверхности вследствие вытеснения адсорбированного протона с поверхности оксида Бе - ОН0. Результаты моделирования показали, что адсорбция описывается уравнением вида [18-22]:
Бе - ОН0 + СоОН+ ^ Бе - ОСоОН0 + Н+
[Бе - О~СоОН+][Н+] (14)
K 5 = K0 exp
Фо-F
RT
[ Fe - OH0 ][ CoOH4
Увеличение адсорбции происходит при показателе рН, имеющим меньшее значение, чем рН начала осаждения. Адсорбция ионов кобальта зависит от их концентрации.
Заключение. Моделированием процессов адсорбции ионов кобальта на гематите установлено, что они сорбируются на нейтральной поверхности оксида при рН > рНтнз. При адсорбции гидратированные ионы кобальта СоОН+ осаждаются на поверхности оксида железа (III), встраиваясь в кристаллическую решетку, не изменяя заряда поверхности вследствие вытеснения адсорбированного протона. Результаты моделирования показали, что фоновый электролит практически не влияет на адсорбцию. Адсорбция описывается уравнением вида (14).
Процесс адсорбции ионов кобальта (II) протекает при показателях рН, меньших значения рН начала осаждения оксидов и гидроксидов.
Адсорбция ионов кобальта зависит от концентрации ионов в растворе и слабо зависит от природы сорбента (Fe2Os) (см. рис. 1). В зависимости от концентрации ионов кобальта оптимальное значение рН начала осаждения приходится на значения 4,5-6,5.
ЛИТЕРАТУРА
1. James R.O., Healy T.W. Adsorption of hydrolysable metal ions at the oxide-water interface. I. Co (II) adsorption on SiO2 and TiO2 as model systems // J. Colloid Interface Sci. 1972. Vol. 40. Iss. 1. Р. 42-52. DOI: 10.1016/0021-9797(72)90172-5
2. James R.O., Healy T.W. Adsorption of hydrolyzablemetal ions at the oxide-water interface. II. Charge reversal of SiO2 and TiO2 colloids by adsorbed Co (II), La (III), and Th (IV) as model systems // J. Colloid Interface Sci. 1972. Vol. 40. Iss. 1. Р. 53-64. DOI: 10.1016/0021-9797(72)90173-7
3. James R.O., Healy T.W. Adsorption of hydrolysable metal ions at the oxide-water interface. III. A thermodynamic model of adsorption // J. Colloid Interface Sci. 1972. Vol. 40. Iss. 1. Р. 65-81. DOI: 10.1016/0021-9797(72)90174-9
4. Blesa M.A., Larotonda R.M., Maroto A.J.G., Regazzoni A.E. Behaviour of cobalt (III) in aqueous suspensions of magnetite // J. Colloid Interface Sci. 1982. Vol. 5. Iss. 3. P. 197-207.
DOI: 10.1016/0166-6622(82)80078-4
5. Tewari P.H., Campbell A.B., Lee W. Adsorption of Co2+ by oxides from aqueous solution // Can. J. Chem. 1972. Vol. 50. P. 1642-1648. DOI: 10.1139/v72-263
6. Tamura H., Matijevic E., Meites L. Adsorption of Co2+ ions on spherical magnetite particles // J. Colloid Interface Sci. 1983. Vol. 92. Iss. 2. P. 303-314. DOI: 10.1016/0021-9797(83)90152-2
7. Healy T.W., James R.O., Cooper R. The adsorption of aqueous Co (II) at the silica-water interface // Adsorption of aqueous Co (II). American Chemical Society, 1967. P. 62-73.
DOI: 10.1021/ba-1968-0079.ch006
8. Tetrahedral Co (II) coordination in a-type cobalt hydroxide: rietveld refinement and X-ray absorption spectroscopy / R. Ma, Zh. Liu, K. Takada, K. Fukuda, et al. // Inorg. Chem. 2006. Vol. 45. No. 10. P. 3964-3969. DOI: 10.1021/ic052108r
9. Rengaraj S., Moon S.H. Kinetics of adsorption of Co (II) removal from water and wastewater by ion exchange resins // Water Res. 2002. Vol. 36. Iss. 7. P. 1783-1793.
DOI: 10.1016/S0043-1354(01)00380-3
10. Марченко З. Фотометрическое определение элементов. М.: Мир, 1971. 501 с.
11. Пятницкий И.В. Аналитическая химия кобальта. М.: Наука, 1965. 261 с.
12. Батлер Д.Н. Ионные равновесия. Л.: Химия, 1973. 446 с.
13. Альберт А., Сержент Е. Константы ионизации кислот и оснований. М.: Химия, 1964. 179 с.
14. Кокарев Г.А., Колесников В.А., Губин A.Ф. Точки нулевого заряда оксидов в водных растворах электролитов // Электрохимия. 1982. Т. 18. № 4. С. 466-470.
15. О сорбции неорганических ионов на электроде Со3О4 из водных растворов электролитов / Г. А. Кокарев, В. А. Колесников, Й. Борш и др. // Электрохимия. 1984. Т. 20. № 4. С. 547-550.
16. Кокарев Г.А., Колесников В.А., Губин А.Ф. Исследование адсорбции катионов щелочных и щелочноземельных металлов на электроде Со3О4 из водных растворов электролитов // Электрохимия. 1984. Т. 20. № 4. С. 972-975.
17. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику. М.: Высшая школа, 1983. 401 с.
18. Hesleitner P., Babic D., Kallay N. Adsorption at solid/solution interfaces. 3. Surface charge and potential of colloidal hematite // Langmuir. 1987. Vol. 3. No. 5. P. 815-820.
DOI: 10.1021/la00077a041
19. Sten P., Puhakka E., Ikavalko E. Adsorption studies on iron oxides with reference to the oxide films formed on material surfaces in nuclear power plants // VTT Research Notes. 2002. № 2182. P. 1-37.
20. Westall J., Hohl H. A ramparison of electrostatic models for the oxide/solution interface // Adv. Colloid Interface Sci. 1980. Vol. 12. Iss. 4. P. 265-294. DOI: 10.1016/0001-8686(80)80012-1
21. Barrow N.J., Bowden J.W.A. A comparison of models for describing the adsorption of anions A on a variable charge mineral surface // J. Colloid Interface Sci. 1987. Vol. 119. Iss. 1. P. 236-250. DOI: 10.1016/0021-9797(87)90263-3
22. Hayes K.F., Leckie J.O. Modeling ionic strength effects on cation adsorption at hydrous oxide/solution interfaces // J. Colloid Interface Sci. 1987. Vol. 115. Iss. 2. P. 564-572.
DOI: 10.1016/0021-9797(87)90078-6
23. The interaction of metal oxide surfaces with complexing agents dissolved in water / M.A. Blesa, A.D. Weiss, P.J. Morando, et al. // Coord. Chem. Rev. 2000. Vol. 196. Iss. 1. P. 31-63.
DOI: 10.1016/S0010-8545(99)00005-3
24. Якушева Е.А., Горичев И.Г., Атанасян Т.К., Лайнер Ю.А. Кислотно-основная модель растворения оксидов кобальта в кислых средах // Химическая технология. 2009. Т. 10. № 9. С. 553-562.
Елисеева Елена Анатольевна — канд. хим. наук, доцент кафедры «Химия» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1).
Cлынько Лариса Евгеньевна — канд. техн. наук, доцент кафедры «Химия» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1).
Атанасян Татьяна Климентьевна — канд. хим. наук, доцент кафедры «Химия» МПГУ (Российская Федерация, 119991, Москва, ул. Малая Пироговская, д. 1, стр. 1).
Горичев Игорь Георгиевич — д-р хим. наук, профессор кафедры «Химия» МПГУ (Российская Федерация, 119991, Москва, ул. Малая Пироговская, д. 1, стр. 1).
Горячева Валентина Николаевна — канд. хим. наук, доцент кафедры «Химия» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1).
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Гематит — сорбент ионов кобальта (II) / Е.А. Елисеева, Л.Е. Слынько, Т.К. Атанасян и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2018. № 6. C. 128-141. DOI: 10.18698/1812-3368-2018-6-128-141
HEMATITE AS A SORBENT OF COBALT (II) IONS
Е.А. Eliseeva1 [email protected]
L-Е. Slynko1 [email protected]
Т.К. Аtanasyan2 [email protected]
I.G. Gorichev2 [email protected]
V.N. Gorycheva1 [email protected]
1 Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russian Federation
2 Moscow State University of Education, Moscow, Russian Federation
Abstract Keywords
We performed an experimental investigation of cobalt (II) Adsorption, cobalt ions, hematite,
ion adsorption to an iron (III) oxide sorbent at various рН acid-base properties, equilibrium
and concentrations of cobalt (II) ions. We used potentio- constants, sorbent, iron oxide metric titration and precise weight methods to determine the
acid-base equilibrium constants at the oxide-electrolyte interface based on the electrokinetic potential as a function of pH. We suggest describing adsorption functions within the framework of the acid-base theory of adsorption. We determined that adsorption of cobalt (II) ions depends on the ion concentration and only weakly depends on the sorbent type (Fe2O3). The Co (II) ion to Fe2Û3 adsorption process occurs at a pH lower than the pH of cobalt oxide and hydroxide precipitation. Adsorption depends weakly on the point of zero charge of the sorbents under consideration.
Optimum pH for the oxide and hydroxide precipitation Received 28.12.2017 onset are pH 4.5-6.5 depending on cobalt ion concentration © BMSTU, 2018
REFERENCES
[1] James R.O., Healy T.W. Adsorption of hydrolysable metal ions at the oxide-water interface. I. Co (II) adsorption on SiO2 and TiO2 as model systems. J. Colloid Interface Sci., 1972, vol. 40, iss. 1, pp. 42-52. DOI: 10.1016/0021-9797(72)90172-5
[2] James R.O., Healy T.W. Adsorption of hydrolysable metal ions at the oxide-water interface. II. Charge reversal of SiO2 and TiO2 colloids by adsorbed Co (II), La (III), and Th (IV) as model systems. J. Colloid Interface Sci. 1972, vol. 40, iss. 1, pp. 53-64. DOI: 10.1016/0021-9797(72)90173-7
[3] James R.O., Healy T.W. Adsorption of hydrolysable metal ions at the oxide-water interface. III. A thermodynamic model of adsorption. J. Colloid Interface Sci, 1972, vol. 40, iss. 1, pp. 65-81. DOI: 10.1016/0021-9797(72)90174-9
[4] Blesa M.A., Larotonda R.M., Maroto A.J.G., Regazzoni A.E. Behaviour of cobalt (III) in aqueous suspensions of magnetite. J. Colloid Interface Sci, 1982, vol. 5, iss. 3, pp. 197-207.
DOI: 10.1016/0166-6622(82)80078-4
[5] Tewari P.H., Campbell A.B., Lee W. Adsorption of Co2+ by oxides from aqueous solution. Can. J. Chem, 1972, vol. 50, pp. 1642-1648. DOI: 10.1139/v72-263
[6] Tamura H., Matijevic E., Meites L. Adsorption of Co2+ ions on spherical magnetite particles. J. Colloid Interface Sci., 1983, vol. 92, iss. 2, pp. 303-314. DOI: 10.1016/0021-9797(83)90152-2
[7] Healy T.W., James R.O., Cooper R. The adsorption of aqueous Co (II) at the silica-water interface. In: Adsorption of aqueous Co (II). American Chemical Society, 1967, pp. 62-73.
DOI: 10.1021/ba-1968-0079.ch006
[8] Ma R., Liu Zh., Takada K., Fukuda K., Ebina Ya., Bando Yo., Sasaki T. Tetrahedral Co (II) coordination in a-type cobalt hydroxide: rietveld refinement and X-ray absorption spectroscopy. Inorg. Chem, 2006, vol. 45, no. 10, pp. 3964-3969. DOI: 10.1021/ic052108r
[9] Rengaraj S., Moon S.H. Kinetics of adsorption of Co (II) removal from water and wastewater by ion exchange resins. Water Res., 2002, vol. 36, iss. 7, pp. 1783-1793.
DOI: 10.1016/S0043-1354(01)00380-3
[10] Marchenko Z. Fotometricheskoe opredelenie elementov [Fotometric element definition]. Moscow, Mir Publ., 1971. 501 p.
[11] Pyatnitskiy I.V. Analiticheskaya khimiya kobal'ta [Analytical chemistry of cobalt]. Moscow, Nauka Publ., 1965. 261 p.
[12] Butler J.N. Ionic equilibrium: a mathematical approach. Addison-Wesley, 1964. 547 p.
[13] Albert A., Serjeant E.P. Ionization constants of acids and bases. John Wiley & Sons, 1962. 179 p.
[14] Kokarev G.A., Kolesnikov V.A., Gubin A.F. Points of zero charge for oxides in aqueous solutions of electrolytes. Elektrokhimiya, 1982, vol. 18, no. 4, pp. 466-470 (in Russ.).
[15] Kokarev G.A., Kolesnikov V.A., Borsh Y., et al. On non-organic ions sorption on Co3O4 electrode from aqueous electrolyte solutions. Elektrokhimiya, 1984, vol. 20, no. 4, pp. 547-550 (in Russ.).
[16] Kokarev G.A., Kolesnikov V.A., Gubin A.F. Research on adsorption of alkali and alkaliearth metal cations on Co3O4 electrode from aqueous electrolyte solutions. Elektrokhimiya, 1984, vol. 20, no. 4, pp. 972-975 (in Russ.).
[17] Damaskin B.B., Petriy O.A. Vvedenie v elektrokhimicheskuyu kinetiku [Introduction to electrochemical kinetics]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1983. 401 p.
[18] Hesleitner P., Babic D., Kallay N. Adsorption at solid/solution interfaces. 3. Surface charge and potential of colloidal hematite. Langmuir, 1987, vol. 3, no. 5, pp. 815-820.
DOI: 10.1021/la00077a041
[19] Sten P., Puhakka E., Ikävalko E. Adsorption studies on iron oxides with reference to the oxide films formed on material surfaces in nuclear power plants. VTT Research Notes, 2002, no. 2182, pp. 1-37.
[20] Westall J., Hohl H. A comparison of electrostatic models for the oxide/solution interface. Adv. Colloid Interface Sci., 1980, vol. 12, iss. 4, pp. 265-294.
DOI: 10.1016/0001-8686(80)80012-1
[21] Barrow N.J., Bowden J.W.A. A comparison of models for describing the adsorption of anions A on a variable charge mineral surface. J. Colloid Interface Sci., 1987, vol. 119, iss. 1, pp. 236-250. DOI: 10.1016/0021-9797(87)90263-3
[22] Hayes K.F., Leckie J.O. Modeling ionic strength effects on cation adsorption at hydrous oxide/solution interfaces. J. Colloid Interface Sci., 1987, vol. 115, iss. 2, pp. 564-572.
DOI: 10.1016/0021-9797(87)90078-6
[23] Blesa M.A., Weiss A.D., Morando P.J., Salfity J.A., Magaz G.E., Regazzoni A.E. The interaction of metal oxide surfaces with complexing agents dissolved in water. Coord. Chem. Rev., 2000, vol. 196, iss. 1, pp. 31-63. DOI: 10.1016/S0010-8545(99)00005-3
[24] Yakusheva E.A., Gorichev I.G., Atanasyan T.K., Layner Yu.A. Acid-base model of Co oxide dissolution in acid medium. Khimicheskaya tekhnologiya, 2009, vol. 10, no. 9, pp. 553562 (in Russ.).
Eliseeva E.A. — Cand. Sc. (Chem.), Assoc. Professor, Department of Chemistry, Bauman Moscow State Technical University (2-ya Baumanskaya ul. 5, str. 1, Moscow, 105005 Russian Federation).
Slynko L.E. — Cand. Sc. (Eng.), Assoc. Professor, Department of Chemistry, Bauman Moscow State Technical University (2-ya Baumanskaya ul. 5, str. 1, Moscow, 105005 Russian Federation).
Atanasyan T.K. — Cand. Sc. (Chem.), Assoc. Professor, Department of Chemistry, Moscow State University of Education (Malaya Pirogovskaya ul. 1, str. 1, Moscow, 119991 Russian Federation).
Gorichev I.G. — Dr. Sc. (Chem.), Professor, Department of Chemistry, Moscow State University of Education (Malaya Pirogovskaya ul. 1, str. 1, Moscow, 119991 Russian Federation).
Goryacheva V.N. — Cand. Sc. (Chem.), Assoc. Professor, Department of Chemistry, Bauman Moscow State Technical University (2-ya Baumanskaya ul. 5, str. 1, Moscow, 105005 Russian Federation).
Please cite this article in English as:
Eliseeva E.A., Slynko L.E., Atanasyan T.K., Gorichev I.G., Goryacheva V.N. Hematite as a Sorbent of Cobalt (II) Ions. Vestn. Mosk. Gos. Tekh. Univ. im. N.E. Baumana, Estestv. Nauki [Herald of the Bauman Moscow State Tech. Univ., Nat. Sci.], 2018, no. 6, pp. 128-141 (in Russ.). DOI: 10.18698/1812-3368-2018-6-128-141
¡¡ге^.^ыЯм Н.И. Снднинв
СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ТЕОРИЯ ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
ТЯЩЛТГЛЬСТПО
В Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана вышло в свет учебное пособие автора
Н.И. Сидняева
«Статистический анализ и теория планирования эксперимента»
Изложены краткие теоретические сведения по курсу «Теория планирования эксперимента». Представлено введение в статистический анализ и теорию планирования эксперимента. Основные понятия проиллюстрированы примерами практического содержания, рассмотренными с позиций регрессионного анализа. Издание носит справочный характер и поможет студентам старших курсов овладеть методами теории планирования эксперимента, которые широко используются при решении прикладных задач. Для студентов четвертого-шестого курсов инженерных специальностей технических университетов.
По вопросам приобретения обращайтесь:
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1 +7 (499) 263-60-45 [email protected] www.baumanpress.ru
