Супрамолекулярные композиционные материалы на основе феррита кобальта (II) и биочара для очистки водных растворов от ионов хрома (VI)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведено изучение возможности синтеза супрамолекулярных композиционных органо-неорганических материалов на основе феррита кобальта (II) и биочаров из рисовой шелухи и лузги подсолнечника. Установлено, что морфология биочара определяет структурные характеристики композита. Синтезированные материалы охарактеризованы методом рентгенофазового анализа, БЭТ, сканирующей электронной микроскопии. Ферриты кобальта (II) кристаллизуются на поверхности углеродистого носителя в виде пленки, размер кристаллитов составляет 80-96 нм, что ниже, чем для CoFe2O4, полученного по золь-гель технологии. Установлено, что синтезированные композиты проявляют значительную каталитическую активность в процессе разложения пероксида водорода и сорбции соединений хрома (VI) из водного раствора. Увеличение сорбционной способности связано с образованием системы Фентона Fe3+/Fe2+. Полученные результаты могут быть востребованы для синтеза инновационных продуктов из отходов сельскохозяйственного производства и применения их в процессах водоподготовки.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. П. Шабельская

Южно-российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова; Южый федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: nina_shabelskaya@mail.ru
Россия, Новочеркасск, Ростовской обл.; Ростов-на-Дону

А. М. Раджабов

Южно-российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

Email: nina_shabelskaya@mail.ru
Россия, Новочеркасск, Ростовской обл.

С. С. Манджиева

Южый федеральный университет

Email: nina_shabelskaya@mail.ru
Россия, Ростов-на-Дону

Т. В. Бауэр

Южый федеральный университет

Email: nina_shabelskaya@mail.ru
Россия, Ростов-на-Дону

Т. М. Минкина

Южый федеральный университет

Email: nina_shabelskaya@mail.ru
Россия, Ростов-на-Дону

А. В. Арзуманова

Южно-российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

Email: nina_shabelskaya@mail.ru
Россия, Новочеркасск, Ростовской обл.

Список литературы

  1. Pavesi T., Moreira J.C. Mechanisms and individuality in chromium toxicity in humans // J. Appl. Toxicol. 2020. V. 40. P. 1183–1197.
  2. Guo S., Xiao C., Zhou N., Chi R. Speciation, toxicity, microbial remediation and phytoremediation of soil chromium contamination // Environ. Chem. Lett. 2020. V. 1. P. 3.
  3. Filipowiak K., Wieszczycka K., Buchwald T., Nowicki M., Wojcik G., Aksamitowski P., Staszak K. Reduction-adsorption of chromium (VI) by using IL-imprinted resin -innovative solution for water purification // Journal of Molecular Liquids. 2021. V. 343. N 116977.
  4. Wang J.Z., Wang H.H., Yang S., Zhou G.Q., Mu Y.H. Purification of heavy metal chromium in saturated sand by artificial freezing: Mechanism and method optimization // Research in Cold and Arid Regions. 2022. V. 14. Is. 6. P. 370–376.
  5. Cai Y., Yang J., Ran Z., Bu F., Xu C., Shaaban M., Peng Q. Optimizing Typha biochar with phosphoric acid modification and ferric chloride impregnation for hexavalent chromium remediation in water and soil // Chemosphere. 2024. N 141739.
  6. El-Shahawi M.S., Saigl Z.M., Alwael H., Al-Hawiti W.S., Dabi M.M., Al-Malki A.A. Impact of Ag and α Fe2O3 nanosized material impregnated polyurethane foam solid platforms for removal of chromium (VI) in water: Kinetics, thermodynamic, and reusability // Results in Chemistry. 2024. V. 7. N 101361.
  7. Саратовский А.С., Булыга Д.В., Евстропьев С.К., Антропова Т.В. Адсорбционная и фотокаталитическая активность композита “пористое стекло–ZnO–Ag” и нанопорошка ZnO–Ag // Физика и химия стекла, 2022, T. 48, № 1. С. 16–26.
  8. Khan M., Din I., Aziz F., Qureshi I.U., Zahid M., Mustafa G., Sher A., Hakim S. Chromium adsorption from water using mesoporous magnetic iron oxide-aluminum silicate adsorbent: An investigation of adsorption isotherms and kinetics // Current Research in Green and Sustainable Chemistry. 2023. V. 7. N 100368.
  9. Mahpishanian S., Ahmadian-Alam L., Foudazi R. Porous polymer nanocomposites containing single-walled carbon nanotubes for chromium (VI) removal from water // Reactive and Functional Polymers. 2023. V. 192. N 105719.
  10. Priyadarshini M., Rekha E., Sathish A., Nithya K. The relative performance of gelatin hydrogels doped with nanostructured transition-metal ferrites for chromium (VI) removal: Packed bed column studies and insights into reduction mechanisms // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2024. V. 137. P. 144–161.
  11. Reshma S.P., Aparna N., Meril M. Hexavalent chromium removal using reduced graphene oxide-zinc oxide composite fabricated via simple pyrolysis method // Applied Surface Science Advances. 2024. V. 19. N 100535.
  12. Ozcelik E., Mercan E.S., Erdemir S., Karaman M., Tabakci M. Calixarene-tethered textile fabric for the efficient removal of hexavalent chromium from polluted water // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021. V. 626. N 127045.
  13. Iji J.O., Ibrahim F.B., Argungu A.S., Obada D.O. Development and optimization of hydroxyapatite/kaolin-based ceramic materials as potential adsorbents for water purification // Environmental Advances. 2023. V. 13. N 100419.
  14. Jia Y., Qing Y., Feng B., Zhong Y., Dai L., Wang M. Green redox separation and efficient extraction of vanadium and chromium from leaching solution of chrome-vanadium slag // Separation and Purification Technology. 2024. V. 343. N 127098.
  15. Masuku M., Nure J.F., Atagana H.I., Hlongwa N., Nkambule T.T.I. Advancing the development of nanocomposite adsorbent through zinc-doped nickel ferrite-pinecone biochar for removal of chromium (VI) from wastewater // Science of The Total Environment 2024. V. 908. N 168136.
  16. Zuo H., Xia Y., Liu H., Liu Z., Huang Y. Preparation of activated carbon with high nitrogen content from agro-industrial waste for efficient treatment of chromium (VI) in water // Industrial Crops and Products. 2023. V. 194. N 116403.
  17. La D.D., Dang T.D., Le P.C., Bui X.T., Chang S.W., Chung W.J., Kim S.C., Nguyen D.D. Self-assembly of monomeric porphyrin molecules into nanostructures: Self-assembly pathways and applications for sensing and environmental treatment // Environmental Technology & Innovation. 2023. V. 29. N 103019.
  18. Liu L., Song R., Wu Y., Song X., Song J., Chen M., Nie Y., Wang C., Wan J. Efficient selective aerobic oxidation of sulfides by molecular dipole modulation in methylphosphate-substituted perylene diimide supramolecular polarization photocatalyst // Journal of Colloid and Interface Science. 2024. V. 663. P. 775–786.
  19. Umar A., Kumar R., More P.S., Ibrahim A.A., Algadi H., Alhamami M.A., Baskoutas S., Akbar S. Polyethylene glycol embedded reduced graphene oxide supramolecular assemblies for enhanced room-temperature gas sensors // Environmental Research. 2023. V. 236. Part 2. N 116793.
  20. Adelpour T., Amini M., Shahverdi A.R., Mojtabavi S., Faramarzi M.A. Enzymatic dual-faced Janus structures based on the hierarchical organic-inorganic hybrid matrix for an effective bioremoval and detoxification of reactive blue-19 // International Journal of Biological Macromolecules. 2024. V. 257. Part 1. N 128493.
  21. Liu L., Yan F., Liu H., Zhang M., Jin L., Xiao L., Ao Y. Construction of hierarchical “organic-inorganic” structure by self-assembly to enhance the interfacial properties of epoxy composites // Composites Science and Technology. 2021. V. 210. N 108802.
  22. Zoubi W.A., Ko Y.G. Self-assembly of hierarchical N-heterocycles-inorganic materials into three-dimensional structure for superior corrosion protection // Chemical Engineering Journal. 2019. V. 356. P. 850–856.
  23. Ban Q., Liu Y., Liu P., Li Y., Qin Y., Zheng Y. Hierarchically nanostructured carbon nanotube/polyimide/mesoporous Fe2O3 nanocomposite for organic-inorganic lithium-ion battery anode // Microporous and Mesoporous Materials. 2022. V. 335. N 111803.
  24. Ma P., Li X., Zhang Y., Han L., Xu Y. Hierarchical spinel-type corn-like MGa2O4 (M = Ni, Co) architectures for selective triethylamine gas sensors // Materials Science in Semiconductor Processing. 2021. V. 133. N 105993.
  25. Mazurenko R., Prokopenko S., Godzierz M., Hercog A., Makhno S., Szeluga U., Gorbyk P., Trzebicka B., Kartel M. Synthesis of nanosized spinel ferrites MnFe2O4 on the surface of carbon nanotubes for the creation of polymer composites with enhanced microwave absorption capacity // Applied Materials Today. 2023. V. 35. N 101972.
  26. Zhou X., Meng T., Yi F., Shu D., Li Z., Zeng Q., Gao A., Zhu Z. Supramolecular assisted fabrication of Mn3O4 anchored nitrogen-doped reduced graphene oxide and its distinctive electrochemical activation process during supercapacitive study // Electrochimica Acta. 2021. V. 370. N 137739.
  27. Cai S., Wu J., Mo Y., Dai Y., Liu P., Luo J., Zhang C., Liu Y., Liu J., Zhang Q., Du F., Wang Y., Chen H. Supramolecular Fe3O4-gluconic acid@-cyclodextrin magnetic composite: green synthesis using sucrose and application in removal of p-nitrophenol // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2023. N 111503.
  28. Cancino-Gordillo F.E., Ortiz-Quinonez J.-L., Pal U. Rapid nitrophenol degradation using gel-combustion synthesized nickel/manganese cobaltite (Ni1-xMnxCo2O4) nanoparticles // Applied Surface Science. 2024. V. 659. N 159873.
  29. Гаврилова М.А., Гаврилова Д.А., Кондрашкова И.С., Красилин А.А. Формирование нанокристаллов Zn0.5Ni0.5Fe2O4 в условиях растворного горения: влияние типа “топлива” на структуру и морфологию // Физика и химия стекла. 2023. T. 49. № 4. C. 459–470.
  30. Томина Е., Куркин Н., Конкина Д. Наноразмерный катализатор ZnFe2O4 для очистки сточных вод от красителей окислительной деструкцией // Экол. и пром. России. 2022. Т. 26. Вып. 5. С. 17–21.
  31. Wu Q., Song Y. Enhanced interfacial charge migration through fabrication of p-n junction in ZnIn2S4/NiFe2O4/biochar composite for photocatalytic doxycycline hydrochloride degradation // Chem. Eng. J. 2023. V. 453 (1). N 139745.
  32. Ansari F., Bazarganipour M., Salavati-Niasari M. NiTiO3/NiFe2O4 nanocomposites: Simple sol–gel auto-combustion synthesis and characterization by utilizing onion extract as a novel fuel and green capping agent // Mat. Scien. Semicond. Proces. 2016. V. 43. P. 34–40.
  33. Ершов Д.С., Беспрозванных Н.В., Синельщикова О.Ю. Влияние условий маннит-нитратного синтеза на фотокаталитические свойства Φ-Bi8Pb5O17 // Физика и химия стекла. 2023. Т. 49. № 6. С. 672–680.
  34. Li W., Zhang H., Huang S., Xu J., Liu L., Li J., Jing J., Zhu Y. Electron-enriched supramolecular PDI-SiO2 promoting PDS activation for enhanced photocatalytic advanced oxidation // Applied Catalysis B: Environmental. 2024. V. 340. N 123262.
  35. Shi Y., Li J., Wan D., Huang J., Liu Y. Peroxymonosulfate-enhanced photocatalysis by carbonyl-modified g-C3N4 for effective degradation of the tetracycline hydrochloride // Sci. Total. Environ. 2020. V. 749. N 142313.
  36. Miao H., Yang J., Sheng Y.Q., Li W.L., Zhu Y.F. Controlled synthesis of higher interfacial electron transfer graphite-like carbon nitride/perylenetetracarboxylic diimide heterogeneous for enhanced photocatalytic activity // Sol. Rrl. 2021. V. 5. N 2000453.
  37. Wang Y., Wang H., Li J., Zhao X. Facile synthesis of metal free perylene imidecarbon nitride membranes for efficient photocatalytic degradation of organic pollutants in the presence of peroxymonosulfate // Appl. Catal. B: Environ. 2020. V. 278. N 18981.
  38. Ji Q.Y., Cheng X.Y., Wu Y.J., Xiang W.M., He H., Xu Z., Xu C.M., Qi C.D., Li S.Y., Zhang L.M., Yang S.G. Visible light absorption by perylene diimide for synergistic persulfate activation towards efficient photodegradation of bisphenol A // Appl. Catal. B: Environ. 2021. V. 282. N 119579.
  39. Zhang H.J., Chen X.J., Zhang Z.J., Yu K.Y., Zhu W., Zhu Y.F. Highly-crystalline triazine-PDI polymer with an enhanced built-in electric field for full-spectrum photocatalytic phenol mineralization // Appl. Catal. B: Environ. 2021. V. 287. N 119957.
  40. Yang J., Miao H., Li W.L., Li H.Q., Zhu Y.F. Designed synthesis of a p-Ag2S/n-PDI self-assembled supramolecular heterojunction for enhanced full-spectrum photocatalytic activity // J. Mater. Chem. A. 2019. V. 7. P. 6482–6490.
  41. Wang J., Wang Z., Dai K., Zhang J. Review on inorganic–organic S-scheme photocatalysts // J. Mater. Scien. Technol. 2023. V. 165. P. 187–218.
  42. Song M.S., Patil R.P., Hwang I.S., Mahadik M.A., Jang T.-H., Oh B.T., Chae W.-S., Choi S.H., Lee H.H., Jang J.S. In situ fabrication of Ag decorated porous ZnO photocatalyst via inorganic–organic hybrid transformation for degradation of organic pollutant and bacterial inactivation // Chemosphere. 2023. V. 341. No 140057.
  43. Цветков М.В., Подлесный Д.Н., Зайченко А.Ю., Салганская М.В., Цветкова Ю.Ю., Фрейман В.М., Салганский Е.А. Плавкость золы отходов растениеводства в условиях высокотемпературной переработки // Журнал прикладной химии. 2021. Т. 94. Вып. 3. С. 371–379.
  44. Shabelskaya N.P., Arzumanova A.V., Gaidukova Yu.A., Sulima S.I., Vasileva E.V., Yakovenko E.A. Simple single reactor synthesis of nickel (II)-cobalt (II) ferrite composites with biochar and their photocatalytic properties // Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. 2023. V. 14. № 4. P. 045002.
  45. Шабельская Н.П., Егорова М.А., Раджабов А.М., Ульянова В.А., Гайдукова Ю.А. Технологические особенности получения феррита цинка с применением золь–гель-метода // Неорганические материалы. 2023. Т. 59. № 3. С. 260–265.
  46. Shabelskaya N.P., Egorova M.A., Radjabov A.M., Burachevskaya M., Lobzenko I., Minkina T., Sushkova S. Formation of Biochar Nanocomposite Materials Based on CoFe2O4 for Purification of Agueous Solutions from Chromium Compounds (VI) // Water (Switzerland). 2023. V. 15. Is. 1. No. 93. P. 11.
  47. Welter N., Leichtweis J., Silvestri S., Sánchez P.I.Z., Mejía A.C.C., Carissimi E. Preparation of a new green composite based on chitin biochar and ZnFe2O4 for photo-Fenton degradation of Rhodamine B // Journal of Alloys and Compounds. 2022. V. 90125. Р. 163758.
  48. Sadeghi S., Mohammadi B.T. Magnetic dispersive micro-solid-phase extraction using Fe3O4@AC-DZ nanosorbent for the determination of Cr(VI) in water samples // Journal of Dispersion Science and Technology. 2021. V. 44. No 1. P. 1–11.
  49. Березкин В.И. Процессы переноса заряда в легировaнном натрием углеродном композите на основе фуллеренов и терморасширенного графита // Физика твердого тела. 2019. Т: 61. № 10. С. 1971–1977.
  50. Anions K.V., Ryabchenko E.S., Yanovska V.A., Tertykh O.Yu., Kichkiruk, Sternik D. Adsorption Properties of Vermiculite with In Situ–Immobilized Polyaniline with Respect to Cr(VI), Mo(VI), W(VI), V(V) and P(V) // Adsorption Science Technology. 2014. V. 32. No 1.
  51. Xu Q. Feng J., Li L., Xiao Q., Wang J. Hollow ZnFe2O4/TiO2 composites: High-performance and recyclable visible-light photocatalyst // Journal of Alloys and Compounds. 2015. V. 641. P. 110–118.
  52. Zuo J., Han G., Wang W., Huang Y., Liu B., Su S. Study on the Application of Modified MOFs to the Treatment of Simulated Metallurgical Wastewater // TMS 51st Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. 2022. P. 863–871.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. СЭМ-изображение биочаров из шелухи риса (а), лузги подсолнуха (в), композиционных материалов CoFe2O4/биочар из шелухи риса (б), CoFe2O4/биочар из лузги подсолнечника (г), CoFe2O4, полученного по золь-гель методу (д).

Скачать (582KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Рентгенограммы синтезированных материалов: а – феррит кобальта (II); б – феррит кобальта (II) / подсолнух, в – феррит кобальта (II) / рис.

Скачать (180KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схематическое изображение процесса формирования композиционного материала.

Скачать (185KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Схематическое изображение распределения катионов по узлам решетки шпинели (а, б) в феррите кобальта и Фентон-подобного процесса (в).

Скачать (302KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024