Characterization of the adsorption behaviour of aqueous Cd(II) and Ni(II) ions on nanoparticles of zero-valent iron

Abstract

Demir nanoteknolojisi son zamanlarda çevre iyilestirilmesinde gelistirilenümit verici araçlardan biridir. Büyük yüzey / hacim oranının sagladıgı yararla,organik ve anorganik kirleticilerin tutulmasında demir nanoparçacıkların üstün birkapasiteye sahip oldugu son zamanlarda kanıtlanmaktadır.Bu çalısmada, demir nanoparçacıklar borhidrür-indirgeme metodukullanılarak sentezlenmistir. Sentezlenen malzemenin, 20-80 nm civarında büyüklügeve zincir benzeri yüzey yapısına sahip oldugu gösterilmistir. Malzemenin HR-TEMfotografları nanoparçacıklarının çekirdek-kabuk sekline sahip oldugunu, kabugundemir oksitlerden (Fe2O3, Fe3O4, FeOOH) meydana gelirken, çekirdegin sıfır yüklüdemir içerdigini göstermistir.Nano boyutlu sıfır yüklü demir daha sonra sudaki Cd2+ ve Ni2+ iyonlarınınadsorblanmasında kullanılmıstır. Bu iyonların tutunması, zaman, konsantrasyon, pH,tekrarlanabilirlik ve sıvı/katı oranı gibi farklı deneysel kosullar altındaarastırılmıstır. Buna ek olarak, indirgenme potansiyelinin tutunmadaki etkisinidegerlendirmek için Cu2+, Zn2+, ve Sr2+ iyonlarının tutunması Cd2+ ve Ni2+tutunmalarıyla karsılastırılmıstır.Sonuçlara göre, sıfır yüklü demir nano parçacıklar hem kinetik açıdan hem deadsorpsiyon kapasitesi açısından iyonların uzaklastırılmasında oldukça etkiliolmaktadır. Deneysel kosullar altında, iyonların tutunmaları bir saatten az bir süreiçerisinde dengeye ulasmaktadır. 0.025 g sıfır degerlikli demir nano parçacıkları (10mL çözeltide) gibi küçük bir miktarı kullanarak, 500 mg/L konsantrasyonuna kadar,Cd2+ ve Ni2+ iyonlarının neredeyse tamamen uzaklastırılmıstır.XRD veXPSsonuçlarına göre, hem Ni2+ hem de Cd2+ iyonları sıfır yüklü demir nanoparçacıklartarafından indirgeyici olmayan, ve daha çok nanoparçacıkların yüzüyinde bulunandemir oksohidroksit grupları içeren bir mekanizmayla tutunmustur.

Iron nanotechnology is recently concieved as a promising tool inenvironmental remediation. By virtue of their high surface/volume ratio, ironnanoparticles were shown to demonstrate outstanding sequestration capacity forvarious organic and inorganic pollutants.In this work iron nanoparticles were synthesized using the borohydride-reduction method. The obtained material showed chain like morphology, with thediameter of the nanoparticles being with in 20-80 nm range. HR-TEM images showedthat the nanoparticles have a core-shell structure, with the core containing iron in itszero-valent state, while the shell is composed of iron oxides (Fe2O3, Fe3O4,FeOOH)and is generally < 3 nm in thickness.Nano-sized zero valent iron (nZVI) was then tested as a sorbent material foraqueous Cd2+ and Ni2+ ions. The uptake of these ions was investigated under variousexperimental conditions like time, concentration, pH, repititive application, andliquid/solid ratios. In addition, the uptake of these ions was compared with that ofCu2+, Zn2+, and Sr2+ in order to assess the effect of the reduction potential on theextent of removal.The results showed that nZVI is a very effective sorbent in terms of bothkinetics and capacity of removal of the ions. Under the investigated conditions, theuptake reached equilibrium in less than one hour of contact time. Up to the initialconcentration of 500 mg/L, the ions were removed almost completely utilizing annZVI amount of 0.025 g and a solution volume of 10 ml. According to XRD and XPSresults, both of Cd2+ and Ni2+ ions were fixed by nZVI through a non-reductivemechanism, that seems to be dominated by interaction of these ions with the exposediron oxyhydroxide groups at the interface with the solution.