The effect of magnetite nanoparticles synthesis conditions on their ability to separate heavy metal ions

• Autorzy: Bobik M. , Korus I. , Dudek L.

Identyfikatory

DOI

10.1515/aep-2017-0017

Warianty tytułu

PL

Wpływ warunków syntezy nanocząstek magnetytu na ich zdolność do separacji jonów metali ciężkich

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Magnetite nanoparticles have become a promising material for scientific research. Among numerous technologies of their synthesis, co-precipitation seems to be the most convenient, less time-consuming and cheap method which produces fine and pure iron oxide particles applicable to environmental issues. The aim of the work was to investigate how the co-precipitation synthesis parameters, such as temperature and base volume, influence the magnetite nanoparticles ability to separate heavy metal ions. The synthesis were conducted at nine combinations of different ammonia volumes - 8 cm³, 10 cm³, 15 cm³ and temperatures - 30°C, 60°C, 90°C for each ammonia volume. Iron oxides synthesized at each combination were examined as an adsorbent of seven heavy metals: Cr(VI), Pb(II), Cr(III), Cu(II), Zn(II), Ni(II) and Cd(II). The representative sample of magnetite was characterized using XRD, SEM and BET methods. It was observed that more effective sorbent for majority of ions was produced at 30°C using 10 cm³ of ammonia. The characterization of the sample produced at these reaction conditions indicate that pure magnetite with an average crystallite size of 23.2 nm was obtained (XRD), the nanosized crystallites in the sample were agglomerated (SEM) and the specific surface area of the aggregates was estimated to be 55.64 m²·g^-1 (BET). The general conclusion of the work is the evidence that magnetite nanoparticles have the ability to adsorb heavy metal ions from the aqueous solutions. The effectiveness of the process depends on many factors such as kind of heavy metal ion or the synthesis parameters of the sorbent.

PL

Nanocząstki magnetytu stanowią obiecujący materiał badań ze względu na możliwość ich praktycznego zastosowania w różnorodnych dziedzinach. Wśród wielu metod ich syntezy, jako jedną z najwygodniejszych, najmniej pracochłonnych oraz ekonomicznych, wyróżnić można chemiczne współstrącanie. Efektem metody chemicznego współstrącania są drobne nanocząstki tlenku żelaza o dużej czystości, odpowiednie do zastosowań w zagadnieniach środowiskowych. Celem pracy było badanie w jaki sposób warunki syntezy chemicznego współstrącania, takie jak temperatura reakcji czy też ilość użytej zasady wpływają na zdolności separacyjne nanocząstek magnetytu względem jonów kilku metali ciężkich. Syntezy prowadzone były w dziewięciu kombinacjach przy różnej objętości dodawanego amoniaku – 8 cm³, 10 cm³, 15 cm³ oraz temperaturze – 30°C, 60°C, 90°C. Powstałe podczas każdej z syntez tlenki żelaza były badane jako adsorbenty jonów siedmiu metali ciężkich: Cr(VI), Pb(II), Cr(III), Cu(II), Zn(II), Ni(II) and Cd(II). Ponadto próbka magnetytu zsyntezowanego w wybranych warunkach była badana przy użyciu metod XRD, SEM oraz BET. Analizując wyniki procesu sorpcji stwierdzono, iż najbardziej efektywny materiał, dla większości metali ciężkich, powstał w temperaturze 30°C przy użyciu 10 cm³ amoniaku. Dodatkowa charakterystyka powstałego w tych warunkach sorbentu wykazała, iż stanowił on czysty magnetyt o średniej wielkości ziarna 23,2 nm (XRD). Ponadto wykazano, iż pojedyncze ziarna w badanej próbce są zaglomerowane (SEM) a powierzchnia właściwa agregatów wynosi 55,64 m²/g (BET). Ogólnym wnioskiem z pracy jest dowód, iż warunki syntezy badanego adsorbentu mają wpływ na jego zdolność separacyjne względem niektórych jonów metali ciężkich.

Słowa kluczowe

EN

iron oxide nanoparticles; co-precipitation; heavy metals separation; adsorption

PL

nanocząstki tlenku żelaza; współstrącanie chemiczne; metale ciężkie; separacja metali ciężkich; adsorpcja

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 43, no. 2
• Strony: 3--9
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Bobik M.

• Silesian University of Technology, Poland Institute of Water and Wastewater Engineering

autor

Korus I.

• Silesian University of Technology, Poland Institute of Water and Wastewater Engineering

autor

Dudek L.

• National Research Institute, Poland Oil and Gas Institute

Bibliografia

• [1]. Dave, P.N. & Chopda, L.V. (2014). Application of iron oxide nanomaterials for the removal of heavy metals, Journal of Nanotechnology, vol. 2014, ID 398569, 14 pages, doi: 10.1155/2014/398569.
• [2]. Dąbkowska-Naskręt, H. (2009). Natural and synthetic iron oxides as adsorbents of trace elements in soils, Environmental Protection and Natural Resources, 41, pp. 631-639.
• [3]. Horst, M.F., Lassalle, V. & Ferreira, M.L. (2015). Nanosized magnetite in low cost materials for remediation of water polluted with toxic metals, azo- and antraquinonic dyes, Frontiers of Environmental Science and Engineering, 9(5), pp. 746-769.
• [4]. Hu, D., Wang, Y. & Song, Q. (2010). Weakly magnetic field-assisted synthesis of magnetite nano-particles in oxidative co-precipitation, Particuology, 7(5), pp. 363-367.
• [5]. Illés, E. & Tombácz, E. (2006), The effect of humic acid adsorption on pH-dependent surface charging and aggregation of magnetite nanoparticles, Journal of Colloid and Interface Science, 295, pp. 115-123.
• [6]. Khan, U.S., Khattak, N.S., Rahman, A. & Khan, F. (2011). Historical development of magnetite nanoparticles synthesis, Journal of The Chemical Society of Pakistan, 33(6), pp. 793-804.
• [7]. Liu, J.F., Zhao, S.Z. & Jiang, G.B. (2008). Coating Fe3O4 Magnetite nanoparticles with humic acid for high efficient removal of heavy metals in water, Environmental Science & Technology, 42, pp. 6949-6954.
• [8]. Maity, D. & Agrawal, D. (2006), Synthesis of iron oxide nanoparticles under oxidizing environment and their stabilization in aqueous and non-aqueous media, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 308, pp. 46-55.
• [9]. Mascolo, M., Pei, Y. & Ring, T. (2013), Room temperature co-precipitatio synthesis of magnetite nanoparticles in large pH window with different bases, Materials, 6, pp. 5549-5567.
• [10]. Matei, E., Predescu, A. & Vasile, E. (2011). Properties of magnetite iron oxides used as materials for wastewater treatment, Journal of Physics: Conference Series 304.
• [11]. Petcharoen, K. & Sirivat, A. (2012). Synthesis and characterization of magnetite nanoparticles via the chemical co-precipitation method, Materials Science and Engineering: B, 177(5), pp. 421-427.
• [12]. Qu, S., Yang, H., Ren, D., Kan, S., Zou, G., Li, D. & Li, M. (1999). Magnetite nanoparticles prepared by precipitation from partially reduced ferric chloride aqueous solutions, Journal of Colloid and Interface Science, 215(1), pp. 190-192.
• [13]. Runowski, M. (2014). Nanotechnology - nanomaterials, nanoparticles and multifunctional core/shell type nanostructures, Chemik, 68(9), pp. 766-775
• [14]. Salado, J., Insausti, M., Gil de Muro, I., Lezama, L. & Rojo, T. (2008). Synthesis and magnetic properties of monodisperse Fe3O4 nanoparticles with controlled sizes, Journal of Non-Crystalline Solids, 354, pp. 5207-5209.
• [15]. Schwertmann, U. & Cornell, R.M. (2000). Iron Oxides in the Laboratory: Preparation and Characterization, ISBN: 783527613229.
• [16]. Teja, A.S. & Koh, P.-Y. (2009). Synthesis, properties, and applications of magnetic iron oxide nanoparticles, Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 55, pp. 25-45.
• [17]. Urquijo, J.P. & Casanova, H. (2011). Synthesis of magnetite nanoparticles: effects of polyelectrolyte concentration and pH, Hyperfine Interactions, 203(1-3), pp. 85-91.
• [18]. Vayssières, L., Chanéac, C., Tronc, E. & Jolivet, J.P. (1998). Size tailoring of magnetite particles formed by aqueous precipitation: an example of thermodynamic stability of nanometric oxide particles, Journal of Colloid and Interface Science, 205, pp. 205-212.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).