Zastosowanie nanoporowatych materiałów do oczyszczania wody

Choma, J.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Zastosowanie nanoporowatych materiałów do oczyszczania wody

Autorzy

Choma J.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Application of nanoporous materials in water treatment

Języki publikacji

Abstrakty

Procesy adsorpcyjne, realizowane za pomocą adsorbentów nowej generacji, mogą zdecydowanie ułatwić usuwanie z wody takich substancji toksycznych, jak jony metali ciężkich, szkodliwe aniony czy zanieczyszczenia organiczne. Tymi nowymi adsorbentami są uporządkowane mezoporowate materiały krzemionkowe i węglowe. Mają one wyjątkowe właściwości adsorpcyjne, wynikające z ich bardzo dużej powierzchni właściwej, regularnych, łatwo dostępnych porów o ściśle określonych wymiarach, bardzo dużej objętości porów oraz trwałej, połączonej wewnętrznie sieci porów. Aktywna i rozwinięta powierzchnia tych materiałów jest łatwa do modyfikacji i funkcjonalizacji w celu preparatyki adsorbentów o specyficznych właściwościach adsorpcyjnych. Wykazano, że wprowadzanie nanocząstek metali, tlenków metali lub soli do struktury krzemionkowej lub węglowej tych materiałów istotnie wpływa na zmianę ich właściwości adsorpcyjnych. Scharakteryzowano sposoby syntezy uporządkowanych mezoporowatych materiałów krzemionkowych i węglowych. Zwrócono uwagę na niektóre sposoby ich modyfikacji, mając na uwadze przede wszystkim wykorzystanie tych mezoporowatych materiałów do oczyszczania wody. Omówiono przykładowe metody otrzymywania kompozytowych materiałów węglowych zawierających nanocząstki metali i tlenków metali, które pozytywnie wpływają na proces adsorpcyjnego oczyszczania wody. Wydaje się, że uporządkowane mezoporowate materiały węglowe i krzemionkowe mogą odgrywać ważną rolę - z punktu widzenia oczyszczania wody - obecnie i w przyszłości.

Adsorption processes involving new generation adsorbents can noticeably facilitate the removal of such toxic substances as heavy metal ions, complex anions and various organic pollutants. These new adsorbents include siliceous and carbonaceous mesoporous materials. Their unique adsorption properties are attributable to a high surface area, uniform and accessible pores of desired sizes, a large pore volume and an interconnected structure of pores. The well-developed and active surface of these materials can be easily modified, thus enabling the preparation of adsorbents with desired adsorption properties. It has been demonstrated that the incorporation/embedding of metal, metal oxide and inorganic salt nanoparticles into the siliceous or carbonaceous matrix of these materials may also allow for tailoring their adsorption properties. In this work presented are the available methods for the synthesis of ordered mesoporous siliceous and carbonaceous materials. Special emphasis is placed on the modification methods that allow for the use of mesoporous materials in water treatment. Examples of methods for the synthesis of carbon-based composites with metal, metal oxide and inorganic salt nanoparticles are described, considering the beneficial effect of those materials on the adsorption-based water treatment process. It can be expected that in near future the role of ordered mesoporous carbon and silica materials in water treatment will gain in importance.

Słowa kluczowe

synteza właściwości modyfikacja oczyszczanie wody uporządkowane mezoporowate materiały krzemionkowe

ordered mesoporous silica synthesis properties modification water treatment

Wydawca

Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski

Czasopismo

Ochrona Środowiska

Rocznik

2011

Tom

Vol. 33, nr 4

Strony

15--22

Opis fizyczny

Bibliogr. 43 poz., rys., schem.

Twórcy

autor

Choma J.

Uniwersytet Humanistyczno-Przyrodniczy Jana Kochanowskiego w Kielcach, Wydział Matematyczno-Przyrodniczy, Zakład Chemii Fizycznej, ul. Świętokrzyska 15G, 25-406 Kielce, jchoma@wat.edu.pl

Bibliografia

1. D. ZHAO, M. JARONIEC, B.S. HSIAO: Editorial for themed issue on 'Advanced materials in water treatments'. Journal of Materials Chemistry 2010, Vol. 20, pp. 4476–4477.
2. D.W. BRUCE, R. WALTON, D. O’HARE: Porous Materials. John Wiley & Sons Inc., London 2010.
3. J. MARCHAND-BRYNAERT: Polymer membranes. In: P. SOMASUNDARAN, A. HUBBARD [Eds.]: Encyclopedia of Surface and Colloid Science. Taylor and Francis, London 2011.
4. H.I. HEITNER: Flocculating agents. In: Kirk-Othmer Ency-clopedia of Chemical Technology. John Wiley & Sons Inc., London 2004.
5. Oxidation technologies for water and wastewater treatment IV. Water Science and Technology 2007, Vol. 55, No. 12.
6. M. KANEKO, I. OKURA: Photocatalysis. Springer-Verlag, Berlin 2002.
7. M. MARA, N. HORAN [Eds.]: The Handbook of Water and Wastewater Microbiology. Academic Press, London 2003.
8. H. JANKOWSKA, A. ŚWIĄTKOWSKI, J. CHOMA: Active Carbon. Ellis Horwood, Chichester 1991.
9. J. CHOMA, M. JARONIEC, W. BURAKIEWICZ-MORTKA: Adsorpcja błękitu metylenowego z roztworów wodnych na węglach aktywnych. Ochrona Środowiska 1991, vol. 13, nr 2, ss. 41–44.
10. J.B. DONNET, T.K. WANG, S. REBOUILLAT, J.C.M. PENG [Eds.]: Carbon Fibers. Marcel Dekker, New York 1998.
11. J.S. BECK, J.C. VARTULI, W.J. ROTH, M.E. LEONOWICZ, C.T. KRESGE, K.D. SCHMITT, C.T.-W. CHU, D.H. OLSON, E.W. SHEPPARD, S.B. McCULLEN, J.B. HIGGINS, J.L. SCHLENKER: A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates. Journal of American Chemical Society 1992, Vol. 114, pp. 10834–10843.
12. C.T. KRESGE, M.E. LEONOWICZ, W.J. ROTH, J.C. VARTULI, J.S. BECK: Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism. Nature 1992, Vol. 359, pp. 710–712.
13. J. CHOMA, M. JARONIEC, A. ZAWIŚLAK: Mezoporowate węgle: Synteza i właściwości. Wiadomości Chemiczne 2008, vol. 61, nr 5–6, ss. 373–402.
14. J. CHOMA, M. JARONIEC, A. ZAWIŚLAK, K. JEDYNAK: Adsorpcyjne właściwości nanoporowatych materiałów węglowych otrzymywanych z wykorzystaniem matryc krzemionkowych i polimerowych. Ochrona Środowiska 2009, vol. 31, nr 3, ss. 17–24.
15. M. JARONIEC: Development of Microporosity in Templated Mesoporous Carbons for Advanced Applications. Abstracts of the International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN 2010), Sydney 2010.
16. R. RYOO, S.H. JOO, S. JUN: Synthesis of highly ordered carbon molecular sieves via template-mediated structural transformation. The Journal of Physical Chemistry B 1999, Vol. 103, pp. 7743–7747.
17. M. JARONIEC, J. CHOMA, J. GÓRKA, A. ZAWIŚLAK: Colloidal templating synthesis of carbonaceous monoliths assuring formation of uniform spherical mesoporous and incorporation of inorganic nanoparticles. Chemistry of Materials 2008, Vol. 20, pp. 1069–1075.
18. Y. MENG, D. GU, F. ZHANG, Y. SHI, L. CHENG, D. FENG, Z. WU, Z. CHEN, Y. WAN, A. STEIN, D. ZHAO: A family of highly ordered mesoporous polymer resin and carbon structures from organic-organic self-assembly. Chemistry of Materials 2006, Vol. 18, pp. 4447–4464.
19. Z. LI, C. LIANG, S. DAI: Mesoporous carbon materials: Synthesis and modification. Angewandte Chemie. International Edition 2008, Vol. 47, pp. 3696–3717.
20. O. OLKHOVYK, M. JARONIEC: Chemically-modified mesoporous silicas and organosilicas for adsorption and detection of heavy metal ions. In: G.E. FRYXELL, G. CAO [Eds.]: Environmental Applications of Nanomaterials: Synthesis, Sorbents and Sensors. World Scientific, Singapore 2007, pp. 179–212.
21. A. HEIDARI, H. YOUNESI, Z. MEHRABAN: Removal of Ni(II), Cd(II) and Pb(II) from a ternary aqueous solution by amino functionalized mesoporous and nano mesoporous silica. Chemical Engineering Journal 2009, Vol. 153, pp. 70–79.
22. P. STATHI, K. DIMOS, M.K. KARAKASSIDES, Y. DELIGIANNAKIS: Mechanism of heavy metal uptake by a hybrid MCM-41 material: Surface complexation and EPR spectroscopic study. Journal of Colloid and Interface Science 2010, Vol. 343, pp. 374–380.
23. J.V. ROS-LIS, R. CASASUS, M. COMES, C. COLL, M.D. MARCOS, R. MARTINEZ-MANEZ, F. SANCENON, J. SOTO, P. AMOROS, J. EL HASKOURI, N. GARRO, K. RURACK: A mesoporous 3D hybrid material with dual functionality for Hg2+ detection and adsorption. Chemistry A European Journal 2008, Vol. 14, pp. 8267–8278.
24. Z.X. WU, P.A. WEBLEY, D.Y. ZHAO: Comprehensive study of pore evaluation, mesostructural stability, and simultaneous surface functionalization of ordered mesoporous carbon (FDU-15) by wet oxidation as a promising adsorbent. Langmuir 2010, Vol. 26, pp. 10277–10286.
25. H. YOSHITAKE, T. YOKOI, T. TATSUMI: Adsorption behavior of arsenate at transition metal cations captured by amino-functionalized mesoporous silicas. Chemistry of Materials 2003, Vol. 15, pp. 1713–1721.
26. S. HAMOUDI, A. EL-NEMAR, K. BELKACEMI: Adsorptive removal of dihydrogenphosphate ion from aqueous solution using mono-, di- and triammonium-functionalized SBA-15. Journal of Colloid and Interface Science 2010, Vol. 343, pp. 615–621.
27. G.E. FRYXEL, J. LIU, T.A. HAUSER, Z.M. NIE, K.F. FERRIS, S. MATTIGOD, M.L. GONG, R.T. HALLEN: Design and synthesis of selective mesoporous anion traps. Chemistry of Materials 1999, Vol. 11, pp. 2148–2154.
28. T. YOKOI, T. TATSUMI, H. YOSHIKATE: Fe3+ coordinated to amino-functionalized MCM-41: An adsorbent for the toxic oxyanions with high capacity, resistability to inhibiting anions, and reusability after a simple treatment. Journal of Colloid and Interface Science 2004, Vol. 274, pp. 451–457.
29. Z. YAN, S. TAO, J. YIN, G. LI: Mesoporous silicas functionalized with a high density of carboxylate groups as efficient adsorbents for the removal of basic dyestuffs. Journal of Materials Chemistry 2006, Vol. 16, pp. 2347–2353.
30. Y.X. ZHAO, M.Y. DING, D.P. CHEN: Adsorption properties of mesoporous silicas for organic pollutants in water. Analytica Chimica Acta 2005, Vol. 542, pp. 193–198.
31. X. YUAN, S.-P. ZHAO, W. XING, H.-Y. CUI, X.-D. DAI, X.-M. LIU, Z.-F. YAN: Aqueous dye adsorption on ordered mesoporous carbons. Journal of Colloid and Interface Science 2007, Vol. 310, pp. 83–89.
32. D.A. ASOUHIDOU, K.S. TRIANATAFYLLIDIS, N.K. LA-ZARIDIS, K.A. MATIAS, S.-S. KIM, T.J. PINNAVAIA: Sorption of reactive dyes from aqueous solutions by ordered hexagonal and disordered mesoporous carbons. Microporous and Mesoporous Materials 2009, Vol. 117, pp. 257–267.
33. Z. WU, Y. MENG, D. ZHAO: Nanocasting fabrication of ordered mesoporous phenol-formaldehyde resins with various structures and their adsorption performances for basic organic compounds. Microporous and Mesoporous Materials 2010, Vol. 128, pp. 165–179.
34. X. ZHUANG, Y. WAN, C. FENG, Y. SHEN, D. ZHAO: Highly efficient adsorption of bulky dye molecules in wastewater on ordered mesoporous carbons. Chemistry of Materials 2009, Vol. 21, pp. 706–716.
35. J. CHOMA, J. GÓRKA, M. JARONIEC, K. JEDYNAK: Otrzymywanie i właściwości adsorpcyjne mezoporowatych węgli z nanocząstkami ditlenku tytanu. Biuletyn WAT 2011, vol. 60, nr 2, ss. 265 – 283.
36. S.K. RYU, S.Y. KIM, Z.J. LI, M. JARONIEC: Characterization of silver-containing pitch-based activated carbon fibers. Journal of Colloid and Interface Science 1999, Vol. 220, pp. 157–162.
37. J.M. CAO, Y.L. CAO, X. CHANG, M.B. ZHENG, J.S. LIU, H.M. JI: Synthesis of silver nanoparticles within ordered CMK-3 mesoporous carbon. Studies in Surface Science and Catalysis 2005, Vol. 156, pp. 423–426.
38. S.-J. PARK, Y.-S. JANG: Effect of micropore filling by silver and anti-bacterial activity of activated carbon fiber treated with AgNO3. Journal of the Korean Industrial and Engineering Chemistry 2002, Vol. 13, pp. 166–172.
39. J. CHOMA, M. JARONIEC, M. KLOSKE, A. ZAWIŚLAK: Mezoporowate materiały węglowe: Synteza z wykorzystaniem matryc krzemionkowych i charakterystyka właściwości adsorpcyjnych. Ochrona Środowiska 2008, vol. 30, nr 2, ss. 3–15.
40. N. SAVAGE, M.S. DIALLO: Nanomaterials and water purification: Opportunities and challenges. Journal of Nanoparticle Research 2005, Vol. 7, pp. 331–342.
41. J. CHOMA, K. JEDYNAK, J. GÓRKA, M. JARONIEC: Morfologia i właściwości adsorpcyjne mezoporowatych węgli z nanocząstkami srebra. Ochrona Środowiska 2011, vol. 33, nr 1, ss. 3–8.
42. J. CHOMA, K. JEDYNAK, J. GÓRKA, M. MARSZEWSKI, M. JARONIEC: Synteza i właściwości mezoporowatych węgli z cząstkami złota. Ochrona Środowiska 2011, vol. 33, nr 3, ss. 3–8.
43. Z. WU, D. ZHAO: Ordered mesoporous materials as adsorbents. Chemical Communications 2011, Vol. 47, No. 12, pp. 3332–3338.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BPOB-0044-0002