Extraction of heavy metal ions from aqueous solutions by frame sorbents based on benzene-1,3,5-tricarboxylate (MBTC) and benzene-1,4-dicarboxylates (MB DC) of various metals

Full Text

Загрязнение почвы и водных ресурсов представляет серьезную угрозу для экологии и здоровья человека. Негативные последствия могут возникать из-за чрезмерного применения удобрений, использования опасных промышленных технологий в производственной деятельности, попадания ядовитых отходов в окружающую среду [1]. Глобальной мировой проблемой стало загрязнение почвы и водных источников ионами тяжелых металлов Co_2+, Ni₂₊, Cu₂₊ Cd₂₊, Pb₂₊ [2, 3].

Наиболее распространенные тяжелые металлы, которые встречаются в почве и водных источниках, – свинец, ртуть, кадмий, хром, медь, никель, кобальт, мышьяк, сурьма и др. Их распространение внутри экосистемы представляет большую угрозу для здоровья человека, поскольку тяжелые металлы могут запускать хронические дегенеративные изменения в его организме [4], оказывая негативное влияние на нервную систему, печень и почки, проявляя тератогенное и канцерогенное действие [5]. На молекулярно-генетическом уровне тяжелые металлы посредством образования свободных радикалов могут повреждать комплементарную цепь спирали ДНК или провоцировать истощение сульфгидрилов белков (например, глутатиона) [6].

При поступлении тяжелых металлов в грунтовые воды они могут мигрировать в экосистемы открытых водных источников, вызывая негативные последствия для биоты. Например, эти токсичные элементы способны провоцировать различные патофизиологические изменения у фитопланктонных организмов, включая нарушение метаболических процессов, замедление роста, изменение репродуктивных функций и даже их смерть. Уменьшение численности фитопланктона может привести к нарушению баланса в экосистеме, ухудшению качества воды и созданию условий для негативного изменения кислородного режима в водоемах. Таким образом, загрязнение водных источников тяжелыми металлами представляет собой глобальную угрозу для биосферы планеты, инициирует каскад негативных изменений в существующих экосистемах, влияет на здоровье живых организмов и человека [7, 8].

Негативных последствий от воздействия тяжелых металлов в окружающую среду можно избежать, используя современные методы извлечения их ионов высокоэффективными адсорбентами, синтез которых, исследование свойств и практическое применение – актуальная задача.

Известны положительные результаты использования для извлечения тяжелых металлов ионообменных сорбентов [9], природных и синтетических цеолитов [10], активированных углей [11].

Эффективно сорбируют различные химические соединения металлоорганические каркасные соединения (Metal Organic Framework – MOFs) или координационные полимеры (Coordination Polymers – CPs), которые состоят из неорганических металлосодержащих узлов, органических мостиковых лигандов и обладают трехмерной кристаллической каркасной структурой. Это кристаллические пористые материалы, сорбционная емкость которых обусловлена наличием пустот в каркасе [12]. MOFs уже зарекомендовали себя как потенциальные адсорбенты в процессах водоочистки для извлечения различных загрязнителей, включая некоторые тяжелые металлы [13]. Возможность глубокой функциализации MOFs или получение наночастиц на их основе позволяет варьировать характеристики сорбентов.

Цель исследования – разработка металлоорганических каркасных сорбентов (MOFs) для эффективного извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов, что позволит преодолеть негативные экологические последствия их присутствия в окружающей среде.

В процессе исследования ставилась задача глубокого анализа свойств синтезируемых сорбентов, включая изучение кинетики адсорбции, что в конечном итоге должно привести к созданию инновационных технологий очистки, способствующих улучшению экологической ситуации.

Методика. При проведении исследований использовали металлорганические полимеры на основе бензол-1,3,5-трикарбоксилатов (MBTC) кобальта, никеля, меди и бензол-1,4-дикарбоксилатов (MBDC) никеля и меди.

Реактивы для синтеза: Co(NO₃)₂·6H₂O (ч, ХИММЕД), Ni(NO₃)₂·6H₂O (х. ч., ROTH), Cu(NO₃)₂·3H₂O (ч, ЛАВЕРНА), CdCl₂·2.5H₂O (осч, ХИММЕД), Pb(NO₃)₂ (х. ч., ХИММЕД), 1,3,5-C₆H₃(COOH)₃ = H₃BTC (98 %, ACROS ORGANICS), 1,4-C₆H₄(COOH)₂ = H₂BDC (99+ %, ACROS ORGANICS), диметилформамид = ДМФА (х. ч., ХИММЕД), C₂H₅OH = этанол (96.5 %, МИНИМЕД)

Для синтеза сорбентов навеску органического линкера (L) растворяли в 8 мл ДМФА и 8 мл этанола, навеску солей металлов растворяли в 8 мл дистиллированной воды. Полученные растворы объединяли и перемешивали около 30 минут при комнатной температуре. Готовую смесь помещали в автоклав, который нагревали при заданной температуре (t) в течение определенного времени (τ), индивидуальных для каждого соединения (табл. 1). После нагревания полученный осадок отделяли от маточного раствора фильтрованием, промывали 3 раза дистиллированной водой и 4 раза этанолом, сушили на воздухе в течение суток при комнатной температуре (~ 25 °C) и анализировали.

 

Таблица 1. Условия синтеза образцов MBTC и MBDC

Образец	Прекурсор иона металла (М2+)	Линкер (L)	M2+/L	pH	t, °C	τ, ч	Цвет порошка
CoBTC	Co(NO3)2·6H2O	H3BTC	1,3	4,7	130	24	розовый
NiBTC	Ni(NO3)2·6H2O		1,3	4,5	130	24	салатовый
CuBTC	Cu(NO3)2·3H2O		1,6	~ 4…5	120	6	голубой
NiBDC	Ni(NO3)2·6H2O	H2BDC	1,5	~ 4…5	123	22	светло-зеленый
CuBDC	Cu(NO3)2·3H2O		1,5	4,7	123	22	бледно-голубой

 

Порошковую рентгеновскую дифракцию для CoBTC, NiBTC, NiBDC, CuBDC проводили с использованием дифрактометра PowDix 600W. Источник излучения – медная трубка (CuKα) с Ni-фильтром, напряжением в 30 кВ и током в 10 мА. Регистрацию осуществляли со скоростью 0,05 °/с, шаг сканирования – 0,01o в диапазоне углов 2θ: 5…50°. Фазовый состав CuBTC исследовали с использованием дифрактометра HZG-4. Источник излучения – медная трубка (CuKα). Монохроматор графитовый. Съемку проводили с шагом в 0,02° (каждый шаг длился 10 с). Область регистрации от 2 до 50° 2θ. Моделирование кристаллических структур выполняли c использованием программы Mercury. Фазовый анализ проводили с привлечением соответствующих карточек из Кембриджского центра кристаллографических данных (Cambridge Crystallography Data Center – CCDC). Для CoBTC, NiBTC и CuBTC расчет параметров элементарной ячейки осуществляли c использованием программы Diana. Для NiBDC параметры ячейки были рассчитаны и уточнены методом Ле Беля c использованием программы FOX. Параметры ячейки CuBDC определяли с использованием программное обеспечение (ПО) Dicvol пакета FullProf.

ИК-спектры полученных сорбентов регистрировали на инфракрасном спектрометре с Фурье-преобразованием WQF-530A (Beijing Beifen-Ruili Analytical Instrument Co. Ltd., Китай) в диапазоне волновых чисел 350…4000 см-1 с использованием приставки НПВО на алмазной призме. Спектральное разрешение прибора составляло 0,85 см-1, число сканирований – 64, графическое разрешение 1 см-1. Точность волнового числа 0,01 см-1.

Текстурные характеристики синтезированных сорбентов изучали методом низкотемпературной адсорбции азота на приборе ASAP Micrometrics 2020. Интервал относительных давлений составлял от 0.001 до 0,99 P/Ps. Образцы предварительно подвергали дегазации при 150 °C до остаточного давления 10–7 мм рт.ст.

Адсорбцию ионов тяжелых металлов Co₂₊, Ni₂₊, Cu₂₊ Cd₂₊, Pb₂₊ из водных растворов исследовали методом атомной-абсорбционной спектроскопии на приборе Shimadzu АА-7000 с электротермическим атомизатором (ААС). В качестве монохромного излучения использовали лампы с полым катодом, коррекция фона обеспечивалась дейтериевой лампой (185…430 нм), остаточную концентрацию определяли с помощью встроенного программного обеспечения по градировочному графику из пяти значений стандартных концентраций, усредненных для трех измерений.

Сорбционные исследование проводили в статических условиях в ограниченном объеме. Адсорбционную емкость материала рассчитывали по формуле (1):

$q_{\tau }=\frac{\left(C_0-C_e\right)\times V}{m}$, (1)

где q_τ – количество ионов тяжелых металлов, адсорбированных в момент времени τ на сорбенте, мг/г; τ – момент времени отбора пробы, мин; C₀ – начальная концентрация тяжелого металла, мг/г; C_e – равновесная концентрация тяжелого металла, мг/г; m – навеска сорбента, г; V – объем раствора, мл.

Степень извлечения тяжелых металлов из раствора вычисляли по формуле (2):

$n= \frac{C_0- C_e}{C_0} \times 100\%$, (2)

где n – степень извлечения тяжелых металлов, %; C₀ – начальная концентрация тяжелого металла, мг/г; C_e – равновесная концентрация тяжелого металла, мг/г.

Результаты и обсуждение. Идентификационный анализ синтезированных соединений, определение их строения и свойств – важные аспекты изучения их сорбционных характеристик. В нашем исследовании дифрактограммы порошков CoBTC и NiBTC согласуются с расчетными дифрактограммами структур [Co₃(BTC)₂·12H₂O] и [Ni₃(BTC)₂·12H₂O]. В отличие от NiBTC, дикарбоксилат NiBDC кристаллизуется в триклинной сингонии (пространственная группа P, Z = 1). Дифракционная картина NiBDC согласуется с рассчитанной дифрактограммой кристаллической структуры [Ni₃(OH)₂(BDC)₂·4H₂O][14]. В свою очередь образец CuBTC кристаллизуется в кубической сингонии с пространственной группой Fmm (Z = 16). Дифрактограмма этого сорбента сочетается с расчетной дифрактограммой кристаллической структуры [Cu₃(BTC)₂·3H₂O] [15]. Дифракционная картина CuBDC не содержит отражений, отвечающих за наличие исходных компонентов и побочных продуктов. Синтезированный образец CuBDC имеет структуру, принадлежащую к моноклинной сингонии. Дополнительная информация о составе и строении синтезированных сорбентов, полученная при регистрации ИК-спектров, хорошо согласуется с литературными данными и результатами дифрактометрии.

При исследовании процессов адсорбции важное значение имеют текстурные характеристики используемых сорбентов. Результаты анализа изотерм низкотемпературной адсорбции азота с использованием синтезированных MOFs свидетельствуют, что изотерма для CoBTC (рис. 1а) в области малых давлений характеризуется резким повышением значений адсорбции. Это указывает на сильное взаимодействие «адсорбат – адсорбент» в области микропор. Кроме того, изотерма содержит два участка гистерезиса прямого и обратного типа. Их наличие свидетельствует о различии механизмов адсорбции и десорбции, что характерно для мезопор. Первый участок гистерезиса указывает на присутствие открытых щелевидных и цилиндрических мезопор, второй свидетельствует о наличии «закрытых» мезопор цилиндрической формы. Изотерма для NiBTC (рис. 1б) имеет схожую картину с CoBTC и подтверждает наличие закрытых мезопор. Главным отличием служит практически полное отсутствие микропор, а также принадлежность гистерезиса к типу Н₂ и Н3 по классификации де Бура, согласно которой мезопоры имеют цилиндрическую и щелевидную формы.

 

Рис. 1. Изотермы низкотемпературной адсорбции азота образцами сорбентов: а) CoBTC, б) NiBTC, в) NiBDC, г) CuBTC, д) CuBDC

 

Удельная поверхность CoBTC и NiBTC, рассчитанная методом Бруннауэра – Эммета – Теллера (БЭТ), составила соответственно 276,0 и 9,0 м²/г. Разница между величинами этих показателей обусловлена, главным образом, большим содержанием микропор у CoBT C.

Анализ изотермы адсорбции азота для NiBDC (рис. 1в) свидетельствует о практически полном отсутствии микропор и наличии закрытых мезопор. Однако, судя по гистерезису в области больших давлений, мезопоры имеют только цилиндрическую форму, в отличие от NiBT C. Удельная поверхность CoBTC, рассчитанная методом БЭТ, составила 8,0 м²/г. Изотерма адсорбции азота у CuBTC (рис. 2г) в области малых давлений имеет резкий рост значений адсорбции, что указывает на наличие сильного взаимодействия «адсорбат – адсорбент» в области микропор. Кроме того, заметно малое содержание открытых мезопор цилиндровой формы. Удельная поверхность CuBTC, рассчитанная методом БЭТ, составила 832,0 м²/г. Таким образом, CuBTC характеризуется развитой пористой удельной поверхностью с преимущественным содержанием микропор и незначительным количеством мезопор цилиндрической формы. Следует отметить, что из анализа изотермы адсорбции для CuBDC можно сделать вывод об отсутствии микропор в образце, а мезопоры по классификации де Бура относятся к закрытому щелевидному типу. Поэтому удельная поверхность образца CuBDC (12,0 м²/г) много меньше (рис. 2д), чем у CuBTC (832,0 м²/г).

 

Рис. 2. Кинетические кривые адсорбции ионов тяжелых металлов на образцах: а) CoBTC, б) NiBTC, в) CuBTC, г) NiBDC, д) CuBDC

 

Важный аспект, установленный в результате проведенных исследований, заключается в преимущественном поглощении тех ионов металлов, которые входят в состав сорбента. Так, CoBTC эффективнее поглощает ионы Co₂₊, NiBTC и NiBDC – ионы Ni₂₊, а CuBTC и CuBDC – ионы Cu₂₊ (рис. 3). Это свидетельствует о реализации правила Панета – Фаянса, согласно которому ионы сорбируются преимущественно сорбентом, имеющим в своем составе одноименный ион. При этом NiBDC и CuBDC сорбируют одноименные ионы хуже, чем NiBTC и CuBTC, из-за различий в строении металлорганического каркаса. Следует отметить, что удельная поверхность образцов не оказывает определяющего влияния на процесс извлечения ионов тяжелых металлов. Действительно, наибольшая удельная адсорбция 0,75 мг/г отмечена для ионов кобальта при использовании CoBTC с удельной поверхностью 276,0 м²/г. При этом CuBTC с наибольшей удельной поверхностью 832,0 м²/г поглощает меньше ионов меди. Несмотря на то что удельная площадь поверхности образца NiBDC и NiBТC ниже, чем у других сорбентов, их удельная адсорбция ионов тяжелых металлов больше, чем у других образцов.

 

Рис. 3. Степень извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов на образцах MBTC и MBDC:        – Co²⁺,  / / / – Ni²⁺,  \ \ \ – Cu²⁺,  X X X – Pb²⁺,  : : : – Cd²⁺

 

При использовании CoBTC, NiBTC и CuBTC максимальная степень извлечения наблюдается для ионов Co²⁺, Ni²⁺, Cu соответственно (рис. 3), что также подтверждает выполнение правила Панета – Фаянса, согласно которому сорбенты наиболее эффективно удаляют ионы своих собственных металлов. Однако образцы NiBDC и CuBDC, вопреки ожиданиям, демонстрируют наибольшую степень извлечения ионов Cd²⁺, что может указывать на уникальные сорбционные свойства этих соединений.

Большую часть рассмотренных процессов адсорбции металлов хорошо описывает кинетическое уравнение псевдовторого порядка [15] (3):

$\frac{\tau }{q_{\tau }}= \frac{\tau }{q_e}+ \frac{1}{k_2{q}_e^2}$, (3)

где q_τ – поглощение в момент времени τ, мг/г; q_e – равновесное поглощение, мг/г; k₂ – константа процесса псевдовторого порядка.

Действительно, большинство процессов адсорбции металлов на синтезированных сорбентах можно описать уравнением псевдовторого порядка, что свидетельствует о молекулярном характере взаимодействия ионов металлов с активными центрами сорбента (рис. 4). Таким образом, результаты исследования не только подтверждают эффективность разработанных сорбентов, но и открывают возможности для дальнейшего изучения их применения в очистке сточных вод и почвы.

 

Рис. 4. Линейный вид кинетических зависимостей псевдовторого порядка для процесса адсорбции металлов на образцах: а) CoBTC, б) NiBTC, в) CuBTC, г) NiBDC, д) CuBDC

 

Величина константы скорости псевдовторого порядка для адсорбции ионов таких металлов, как Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, а также Cd²⁺, на образцах CoBTC, NiBTC, CuBTC, NiBDC и CuBDC, свидетельствует о высокой эффективности процесса. Коэффициенты достоверности аппроксимации для рассматриваемых соединений имеют высокие значения (табл. 2), что свидетельствует о надежности полученных результатов и их соответствии рассматриваемой модели.

 

Таблица 2. Константа скорости адсорбции псевдовторого порядка ионов металлов на образцах CoBTC, NiBTC, CuBTC, NiBDC, CuBDC с коэффициентом достоверности аппроксимации

Образец сорбента		Co2+	Ni2+	Cu2+	Cd2+
CoBTC	R2	0,9044	0,9044	0,9999	0,9974
	k2, г·мин-1·мг-1	0,19	2,49·10-3	0,59	1,04·10-3
NiBTC	R2	-	0,9864	0,9976	0,9748
	k2, г·мин-1·мг-1	-	0,07	0,03	4,71·10-5
CuBTC	R2	-	-	0,9999	0,9705
	k2, г·мин-1·мг-1	-	-	11,90	3,65·10-5
NiBDC	R2	0,9347	0,9973	-	0,9972
	k2, г·мин-1·мг-1	3,56·10-4	3,65·10-2	-	5,64·10-4
CuBDC	R2	0,9347	0,9827	0,9888	0,9972
	k2, г·мин-1·мг-1	3,56·10-4	4,73·10-3	1,36·10-2	5,72·10-4

где R² – коэффициент достоверности аппроксимации

 

Интересно отметить, что ионы свинца всеми сорбентами извлекаются с отклонениями от уравнения псевдопервого и псевдовторого порядка.

Единственный случай, когда ион металла поглощается согласно кинетическому уравнению псевдопервого порядка (4), был обнаружен при сорбции ионов меди на NiBDC (рис. 5).

$\ln \left(q_e-q_{\tau }\right)=\ln \left(q_e\right)-k_1\tau$, (4)

где q_τ и q_e – адсорбционная способность ионов тяжелых металлов, адсорбированных соответственно в момент времени τ и момент времени установления равновесия, мг/г; τ – момент времени отбора пробы, мин; k₁ – константа кинетической модели псевдопервого порядка, мин^-1.

 

Рис. 5. Линейный вид кинетической зависимости псевдопервого порядка для процесса адсорбции ионов меди сорбентом NiBDC

 

Поглощение ионов кобальта сорбентами NiBTC и CuBTC, ионов никеля соединением CuBTC, а также ионов свинца на всех исследуемых материалах подчиняется диффузионной модели Вебера – Морриса [16] (рис. 6) согласно уравнению (5):

$q_{\tau }=k_{dif}{\tau }^{1/2}+C$, (5)

где k_dif – константа скорости диффузии, м²/с; С – величина начальной адсорбции, мг/г.

 

Рис. 6. Линейный вид кинетических зависимостей процесса адсорбции согласно уравнению Вебера – Морриса: а) ионов кобальта на NiBTC и СuBTC, ионов никеля на CuBTC, б) ионов свинца на CoBTC, NiBTC, CuBTC, NiBDC и CuBDC

 

Линеаризация кинетических показателей адсорбции ионов кобальта и никеля на NiBTC и CuBTC, а также ионов свинца на всех рассматриваемых сорбентах по уравнению Вебера – Морриса свидетельствует о значительном вкладе в этот процесс диффузии ионов металлов внутрь пор сорбента (табл. 3), на что указывают высокие значения коэффициентов достоверности аппроксимации. Эта особенность связана со спецификой структуры сорбента [16] и позволяет объяснить высокую степень извлечения ионов тяжелых металлов материалами с невысокой удельной поверхностью.

 

Таблица 3. Константы скорости диффузии и коэффициента достоверности аппроксимации для адсорбции ионов кобальта, никеля и свинца на различных сорбентах

Извлекаемый ион / образец сорбента	kdif, мг/(г·мин)	R2
Co2+ / NiBTC	0,0142	0,9908
Co2+ / CuBTC	0,0121	0,9786
Ni2+ / CuBTC	0,0390	0,9866
Pb2+ / CoBTC	0,026	0,9913
Pb2+ / NiBTC	0,028	0,9908
Pb2+ / CuBTC	0,024	0,9786
Pb2+ / NiBDC	0,028	0,9635
Pb2+ / CuBDC	0,034	0,9899

 

Изучение влияния радиуса ионов металлов (в MOFs и в растворе) и их электроотрицательности на процесс адсорбции позволило установить линейную зависимость между эффективностью извлечения исследуемых объектов из водных растворов и логарифмическим отношением ионных радиусов по Шеннону и электроотрицательности по Полингу (6):

$\ln \left(\frac{\left|{\rho }_1-{\rho }_2\right|}{{\rho }_1}\right)=\ln \left(\frac{\left|\frac{r\left(M_1\right)}{\chi \left(M_1\right)} - \frac{r\left(M_2\right)}{\chi \left(M_2\right)}\right|}{\frac{r\left(M_1\right)}{\chi \left(M_1\right)}}\right)$, (6)

где ρ – радиус иона r (нм), отнесенный к его электроотрицательности χ (эВ1/2); М1 – ион в составе MOFs; M₂ – ион адсорбата.

Адсорбция ионов металлов на исследуемых сорбентах описывается функцией

$q_e =f\left(\ln \left(\frac{\left|{\rho }_1-{\rho }_2\right|}{{\rho }_1}\right)\right)$,

которая принимает линейный вид на всем временном интервале эксперимента (рис. 7).

 

Рис. 7. Линейная зависимость показателя удельной адсорбции ионов тяжелых металлов от логарифмического отношения радиуса иона металла к его электроотрицательности

 

Эта зависимость указывает на то, что процесс адсорбции протекает в условиях, когда скорость переносимого вещества (диффузии) остается постоянной в течение всего времени эксперимента. Это также может свидетельствовать, что адсорбция проходит по механизму, связанному с диффузией, когда ионы тяжелых металлов постепенно заполняют активные центры сорбента до достижения равновесного состояния.

Такой линейный характер зависимости обычно указывает на то, что адсорбция следует кинетике псевдовторого порядка или диффузионной модели. При этом, чем больше приведенное отношение радиуса ионов к электроотрицательности, тем меньше поглощается ион на одноименном ионе в составе MOFs. Это четко прослеживается на металлорганических каркасах с удельной поверхностью одного порядка.

Отклонения от линейной зависимости могут возникать из-за различий в пористости сорбентов, которая напрямую влияет на скорость и эффективность процесса адсорбции. Например, на начальных этапах адсорбции, когда ионы металлов только начинают взаимодействовать с сорбентом, вклад процесса диффузии внутри пор может быть незначительным, так как скорость, с которой ионы проникают в поры сорбента, не играет решающую роль. В таких случаях адсорбция ограничена поверхностными взаимодействиями и ионы могут легко адсорбироваться на активных центрах, расположенных на поверхности сорбента. Однако с увеличением времени контакта и пористости сорбента влияние диффузии начинает расти. Таким образом, различия в пористости сорбентов приводят к тому, что на начальных этапах адсорбции влияние диффузии ионов металлов оказывается минимальным.

Следует отметить, что адсорбция ионов кобальта, никеля и меди на сорбентах CoBTC, NiBTC и CuBTC, согласно правилу Панета – Фаянса, не подчиняется приведенной зависимости. При этом использование каркасных координационных соединений, имеющих в своем составе одноименные с извлекаемыми ионы тяжелых металлов, может служить фактором очистки почвы и водных сред от этих опасных загрязнителей.

Выводы. В ходе исследований были успешно синтезированы металлоорганические каркасные соединения на основе бензол-1,3,5-трикарбоксилатов кобальта, никеля, меди, а также бензол-1,4-дикарбоксилатов никеля и меди.

Проведенный идентификационный анализ по дифрактограммам порошков CoBTC и NiBTC показал наличие структур [Co₃(BTC)₂·12H₂O] и [Ni₃(BTC)₂·12H₂O]. В отличие от NiBTC, дикарбоксилат NiBDC кристаллизуется в триклинной сингонии (пространственная группа P$\overline{1}$, Z = 1) и соответствует кристаллической структуре [Ni₃(OH)₂(BDC)₂·4H₂O], образец соединения CuBTC кристаллизуется в кубической сингонии с пространственной группой Fm$\overline{3}$m (Z = 16) и соответствует кристаллической структуре [Cu₃(BTC)₂·3H₂O], а соединение CuBDC имеет структуру, принадлежащую к моноклинной сингонии.

Особенности процессов сорбции зависят от состава, структуры и пористости металлорганических каркасных соединений. При этом кинетические закономерности этих процессов можно описать уравнением псевдовторого порядка, что свидетельствует о молекулярном характере взаимодействия ионов металлов с активными центрами сорбента. Единственным случаем протекания процесса согласно кинетическому уравнению псевдопервого порядка является адсорбция ионов меди на сорбенте NiBD C. Отмечено, что ионы кобальта, никеля и меди лучше поглощаются сорбентами, содержащими соответствующие одноименные ионы согласно правилу Панета – Фаянса. Найденная линейная зависимость между сорбционной емкостью и логарифмом отношения радиуса ионов к их электроотрицательности подразумевает, что механизм адсорбции ионов металлов на MOFs связан с физико-химическими свойствами самих ионов. При этом, чем больше приведенное отношение радиуса ионов к электроотрицательности, тем меньше поглощается ион на одноименном ионе в составе MOFs. Этот факт четко прослеживается на металлорганических каркасах с удельной поверхностью одного порядка.

Таким образом, синтезированные металлорганические координационные соединения могут быть рассмотрены как перспективные сорбенты для извлечения ионов кадмия, свинца, меди, кобальта и никеля из водных растворов, что является важным фактором для возможного практического использования этих материалов в природоохранных технологиях.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Порошковая дифракция и инфракрасная спектроскопия выполнена с использованием оборудования ЦКП РТУ МИРЭА, получившего поддержку Министерства науки и высшего образования РФ в рамках Соглашения от 01.09.2021 № 075-15-2021-689 и финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ № FSFZ-2024-0003.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

В данной работе отсутствуют исследования человека или животных.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

A. G. Mushtakov

Patrice Lumumba Peoples’ Friendship University of Russia

Email: cherednichenko-ag@rudn.ru
Russian Federation, Moscow

E. B. Markova

Patrice Lumumba Peoples’ Friendship University of Russia

Email: cherednichenko-ag@rudn.ru

кандидат химических наук

Russian Federation, Moscow

A. V. Kurochkin

Patrice Lumumba Peoples’ Friendship University of Russia

Email: cherednichenko-ag@rudn.ru
Russian Federation, Moscow

N. A. Anistratov

Patrice Lumumba Peoples’ Friendship University of Russia

Email: cherednichenko-ag@rudn.ru
Russian Federation, Moscow

Yu. M. Zaytsev

Patrice Lumumba Peoples’ Friendship University of Russia

Email: cherednichenko-ag@rudn.ru
Russian Federation, Moscow

E. A. Guseva

Patrice Lumumba Peoples’ Friendship University of Russia

Email: cherednichenko-ag@rudn.ru
Russian Federation, Moscow

L. G. Skvortsova

Patrice Lumumba Peoples’ Friendship University of Russia

Email: cherednichenko-ag@rudn.ru
Russian Federation, Moscow

A. G. Cherednichenko

Patrice Lumumba Peoples’ Friendship University of Russia

Author for correspondence.
Email: cherednichenko-ag@rudn.ru

доктор химических наук

Russian Federation, Moscow

A. P. Glinushkin

N.D. Zelinsky Institute of Organic Chemistry

Email: cherednichenko-ag@rudn.ru

доктор сельскохозяйственных наук

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files