Кинетика сорбции ионов свинца из водных растворов с использованием недоокисленных и переокисленных оксидов графена
https://doi.org/10.17277/jamt-2025-10-03-215-227
Аннотация
Рассмотрена кинетика сорбции ионов свинца (Pb2+) из модельных водных растворов с использованием недоокисленных и переокисленных образцов оксида графена, полученных из синтетического и взятого в качестве сравнения натурального графита. Экспериментальным путем обнаружено, что поллютант сорбируется в первые 5 (для переокисленных образцов) и 30 мин (для недоокисленных образцов), с достижением сорбционной емкости, равной 105…138 мг/г. Причем, емкость материала увеличивается с увеличением его степени окисления. У синтетического материала эта емкость немного выше, чем у натурального. Для изучения механизмов удаления и определения параметров процесса экспериментальные данные были сопоставлены с кинетическими (псевдо-первого и псевдо-второго порядка, а также Еловича) и диффузионными (внутренней диффузии – Морриса-Вебера и внешней диффузии – Бойда) моделями. Было установлено, что процесс сорбции металлов контролируется смешанной диффузией сорбата в основную массу сорбента. Также было определено, что данный процесс лимитируется химическим взаимодействием между сорбентом и сорбатом и зависит от концентрации сорбата и окружающей температуры. Кроме того, методом сканирующей электронной микроскопии была исследована морфология поверхности образцов и методом энергодисперсионной спектрометрии были получены сведения об их элементном составе до и после сорбции, которые подтверждают механизмы протекающих сорбционных процессов в системах
Об авторах
И. В. ТулуповРоссия
Тулупов Илья Вадимович, студент
ул. Володарского, 6, Тюмень, 625003
Л. Е. Сосновских
Россия
Сосновских Любовь Евгеньевна, студент
ул. Володарского, 6, Тюмень, 625003
В. Р. Ибрагимова
Россия
Ибрагимова Виктория Руслановна, старший лаборант-исследователь; студент
Ленинский пр., 31, Москва, 119991
Ленинские горы, 1, Москва, 119991
Ю. В. Владимировна
Россия
Иони Юлия Владимировна, кандидат химических наук, научный сотрудник
Ленинский пр., 31, Москва, 119991
А. Ю. Исаев
Россия
Исаев Алексей Юрьевич, старший преподаватель
ул. Володарского, 6, Тюмень, 625003
Е. В. Галунин
Россия
Галунин Евгений Валерьевич, Ph.D. по аналитической химии, профессор
ул. Володарского, 6, Тюмень, 625003
Ф. К. Шабиев
Россия
Шабиев Фарид Канафеович, кандидат физико-математических наук, профессор; доцент
6, Volodarskogo St., Tyumen, 625003
38, Volodarskogo St., Tyumen, 625000
Г. Н. Шигабаева
Россия
Шигабаева Гульнара Нургаллаевна, кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой
ул. Володарского, 6, Тюмень, 625003
Список литературы
1. Chichigina YaM, Shigabaeva GN, Emelyanova EA, Galunin EV, et al. Heavy metal contents in the Tyumen city residential area soils. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2023;8(2):141-156. DOI:10.17277/jamt.2023.02
2. Kumar V, Dwivedi SK, Oh S. A critical review on lead removal from industrial wastewater: recent advances and future outlook. Journal of Water Process Engineering. 2022;45:102518. DOI:10.1016/j.jwpe.2021.102518
3. Binh NTL, Hoang NT, Truc NTT, Khang VD, |et al. Estimating the possibility of lead contamination in soil surface due to lead deposition in atmosphere. Journal of Nanomaterials. 2021;2021:1-7. DOI:10.1155/2021/5586951
4. Burakov AE, Galunin EV, Burakova IV, Kucherova AE, et al. Adsorption of heavy metals on conventional and nanostructured materials for wastewater treatment purposes: a review. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2018;148:702-712. DOI:10.1016/j.ecoenv.2017.11.034
5. Kaźmierczak J, Nowicki P, Pietrzak R. Sorption properties of activated carbons obtained from corn cobs by chemical and physical activation. Adsorption. 2013; 19(2-4):273-281. DOI:10.1007/s10450-012-9450-y
6. Nowicki P, Kazmierczak J, Pietrzak R. Comparison of physicochemical and sorption properties of activated carbons prepared by physical and chemical activation of cherry stones. Powder Technology. 2015;269:312-319. DOI:10.1016/j.powtec.2014.09.023
7. Baimenov A, Berillo DA, Poulopoulos SG, Inglezakis VJ. A review of cryogels synthesis, characterization and applications on the removal of heavy metals from aqueous solutions. Advances in Colloid and Interface Science. 2020;276:102088. DOI:10.1016/j.cis.2019.102088
8. Lazzari LK, Zampieri VB, Neves RM, Zanini M, et al. A study on adsorption isotherm and kinetics of petroleum by cellulose cryogels. Cellulose. 2019;26(2):1231-1246. DOI:10.1007/s10570-018-2111-x
9. Baimenov A, Montagnaro F, Inglezakis VJ, Balsamo M. Experimental and modeling studies of Sr2+ and Cs+ sorption on cryogels and comparison to commercial adsorbents. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2022;61(23):8204-8219. DOI:10.1021/acs.iecr.2c00531
10. Najafi M, Yousefi Y, Rafati AA. Synthesis, characterization and adsorption studies of several heavy metal ions on amino-functionalized silica nano hollow sphere and silica gel. Separation and Purification Technology. 2012;85:193-205. DOI:10.1016/j.seppur.2011.10.011
11. He S, Zhao C, Yao P, Yang S. Chemical modification of silica gel with multidentate ligands for heavy metals removal. Desalination and Water Treatment. 2016;57(4):1722-1732. DOI:10.1080/19443994.2014.977958
12. Da’na E. Adsorption of heavy metals on functionalized-mesoporous silica: a review. Microporous and Mesoporous Materials. 2017;247:145157. DOI:10.1016/j.micromeso.2017.03.050
13. Zaidi R, Khan SU, Farooqi IH, Azam A. Investigation of kinetics and adsorption isotherm for fluoride removal from aqueous solutions using mesoporous cerium–aluminum binary oxide nanomaterials. RSC Advances. 2021;11(46):28744-28760. DOI:10.1039/D1RA00598G
14. Tabish TA, Memon FA, Gomez DE, Horsell DW, et al. A facile synthesis of porous graphene for efficient water and wastewater treatment. Scientific Reports. 2018;8(1):1817. DOI:10.1038/s41598-018-19978-8
15. Ioni Y, Ibragimova V, Sapkov I, Dimiev A. Graphene oxide with different oxygen content produced from natural and synthetic graphite sources for methylene blue sorption. Diamond and Related Materials. 2024;149:111550. DOI:10.1016/j.diamond.2024.111550
16. Bulin C, Ma Z, Guo T, Li B, et al. Magnetic graphene oxide nanocomposite: one-pot preparation, adsorption performance and mechanism for aqueous Mn(II) and Zn(II). Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2021;156:110130. DOI:10.1016/j.jpcs.2021.110130
17. Maged A, Kharbish S, Ismael IS, Bhatnagar A. Characterization of activated bentonite clay mineral and the mechanisms underlying its sorption for ciprofloxacin from aqueous solution. Environmental Science and Pollution Research. 2020;27(26):32980-32997. DOI:10.1007/s11356-020-09267-1
18. Wahab N, Saeed M, Ibrahim M, Munir A, et al. Synthesis, characterization, and applications of silk/bentonite clay composite for heavy metal removal from aqueous solution. Frontiers in Chemistry. 2019;7:654. DOI:10.3389/fchem.2019.00654
19. Cui L, Guo X, Wei Q, Wang Y, et al. Removal of mercury and methylene blue from aqueous solution by xanthate functionalized magnetic graphene oxide: sorption kinetic and uptake mechanism. Journal of Colloid and Interface Science. 2015;439:112-120. DOI:10.1016/j.jcis.2014.10.019
20. Free encyclopedia Wikipedia. Article "Graphite Oxide". Available from: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Оксид_графита [Accessed 8December 2024]
21. Ioni Y, Khamidullin T, Sapkov I, Brusko V, et al. Revealing the effect of graphite source on the properties of synthesized graphene oxide. Carbon Letters. 2024;34(4):1219-1228. DOI:10.1007/s42823-023-00680-3
22. Burakov AE, Burakova IV, Kucherova AE, Blokhin AN. Adsorption from solutions: structural and functional characteristics of nanomaterials: a textbook. Tambov: TSTU Publ. house; 2016. p. 49-50. Available from: https://tstu.ru/book/elib1/exe/2016/Burakov.exe (In Russ.)
23. Lagergren SK. About the theory of so-called adsorption of soluble substances. Sven. Vetenskapsakad. Handingarl. 1898;24:1-39.
24. Ho YS, McKay G. Sorption of dye from aqueous solution by peat. Chemical Engineering Journal. 1998; 70(2):115-124. DOI:10.1016/S0923-0467(98)00076-1
25. Elovich SYu, Larionov OG. Theory of adsorption from nonelectrolyte solutions on solid adsorbents: 1. Simplified analysis of the equation of the adsorption isotherm from solutions. Bulletin of the Academy of Sciences of the USSR Division of Chemical Science. 1962;11(2):191-197. DOI:10.1007/BF00908016
26. Weber W, Morris J. Intraparticle diffusion during the sorption of surfactants onto activated carbon. Journal of the Sanitary Engineering Division American Society of Civil Engineers. 1963;89(1):53-61.
27. Boyd GE, Schubert J, Adamson AW. The exchange adsorption of ions from aqueous solutions by organic zeolites. Ion-exchange equilibria. Journal of the American Chemical Society. 1947;69(11):2818-2829. DOI:10.1021/ja01203a064
28. Rathour RKS, Singh H, Bhattacharya J, Mukherjee A. Sand coated with graphene oxide-PVA matrix for aqueous Pb2+ adsorption: Insights from optimization and modeling of batch and continuous flow studies. Surfaces and Interfaces. 2022;32:102115. DOI:10.1016/j.surfin.2022.102115
29. Liu M, Weston PJ, Hurt RH. Controlling nanochannel orientation and dimensions in graphene-based nanofluidic membranes. Nature Communications. 2021;12(1):507. DOI:10.1038/s41467-020-20837-2
30. Liebovitch LS, Toth T. A fast algorithm to determine fractal dimensions by box counting. Physics Letters A. 1989;141(8-9):386-390. DOI:10.1016/0375-9601(89)90854-2
31. Fan L, Luo C, Sun M, Li X, et al. Highly selective adsorption of lead ions by water-dispersible magnetic chitosan/graphene oxide composites. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2013;103:523-529. DOI:10.1016/j.colsurfb.2012.11.006
32. Yari M, Rajabi M, Moradi O, Yari A, et al. Kinetics of the adsorption of Pb(II) ions from aqueous solutions by graphene oxide and thiol functionalized graphene oxide. Journal of Molecular Liquids. 2015;209:50-57. DOI:10.1016/j.molliq.2015.05.022
33. Huang R, Shao N, Hou L, Zhu X. Fabrication of an efficient surface ion-imprinted polymer based on sandwich-like graphene oxide composite materials for fast and selective removal of lead ions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2019;566:218-228. DOI:10.1016/j.colsurfa.2019.01.011
34. Yang W, Cao M. Study on the difference in adsorption performance of graphene oxide and carboxylated graphene oxide for Cu(II), Pb(II) respectively and mechanism analysis. Diamond and Related Materials. 2022;129:109332. DOI:10.1016/j.diamond.2022.109332
35. Li L, Zhao L, Ma J, Tian Y. Preparation of graphene oxide/chitosan complex and its adsorption properties for heavy metal ions. Green Processing and Synthesis. 2020;9(1):294-303. DOI:10.1515/gps-2020-0030
36. Slepchenko MA, Slepchenko DA, Paul′ ES. Kinetic models of sorption. Nauchnyylider. 2025;7(208):147-150. (In Russ.)
37. Kuznetsova TS, Burakov AE, Ananyeva OA, Burakova IV, et al. Kinetics of lead sorption from aqueous solutions on nanostructured cryogel modified with organic polymers. Colloid Journal. 2024;86(3):408-417. DOI:10.1134/S1061933X24600131
Рецензия
Для цитирования:
Тулупов И.В., Сосновских Л.Е., Ибрагимова В.Р., Владимировна Ю.В., Исаев А.Ю., Галунин Е.В., Шабиев Ф.К., Шигабаева Г.Н. Кинетика сорбции ионов свинца из водных растворов с использованием недоокисленных и переокисленных оксидов графена. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2025;10(3):215-227. https://doi.org/10.17277/jamt-2025-10-03-215-227
For citation:
Tulupov I.V., Sosnovskikh L.E., Ibragimova V.R., Ioni Yu.V., Isaev A.Yu., Galunin E.V., Shabiev F.K., Shigabaeva G.N. Kinetics of the lead ion sorption from aqueous solutions using underoxidized and overoxidized graphene oxides. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2025;10(3):215-227. https://doi.org/10.17277/jamt-2025-10-03-215-227
JATS XML















