Synthesis and characterization of clay-supported nanoparticles of zero-valent iron and its application for the removal of aqueous Co2+ and Cu2+ ions

Abstract

Geçirgen reaktif bariyer teknolojisi son yıllarda yüzey ve yeraltı sularındaki toksik iyonların uzaklaştırılmasında kullanılan geleneksel yöntemlere alternatif olarak geliştirilip kullanılmaktadır. Sıfır değerlikli demir, bir çok toksik iyonu tutma/indirgeme kapasitesinden dolayı, geçirgen bariyerler için ideal bir reaktif maddedir. Sıfır değerlikli demir nano boyutlarda sentezlenirse daha geniş yüzey alanına ve etkiye sahip olur.Bu çalışmada, nanoboyutlu (10-100nm) demir parçacıklarının sentezi, atmosferik koşullarda, etanol içinde borhidrür indirgemesiyle gerçekleştirilmiştir. Elde edilen taneciklerin temel olarak sıfır-değerlikli demirden oluştuğu ve bu formunu büyük ölçüde haftalarca koruduğu gözlenmiştir. Etkisinin ve kullanılabilirliğinin artırılması amacıyla, sıfır değerlikli demir nanotnacikleri (SDDN), kaolinit veya montmorillonit destekli olarak sentezlenip, XRD, SEM, TEM, EELS, XPS, Zetametre, BET-N2 yüzey alanı metotları kullanılarak karakterize edilmiştir. Demir nanotaneciklerinin sıfır-değerlikli çekirdek ile 3-5 nm kalınlığında demir oksit kabuğundan oluştuğu gözlenmiştir. Destek maddesi olarak killerin kullanılması normalde zincirsi yapılar oluşturan demir nanotaneciklerinin kısmen dağılmasını sağlamıştır. Desteksiz SDDN 20-80 nm kalınlığında zincirsi yapılar oluştururken, kil-destekli SDDN'nin çoğunlukla 10-50 nm çapında ayrı kürecikler halinde bulunduğu gözlenmişir.Sentezlenen maddeler Co2+ ve Cu2+ iyonlarının sudan arındırılmasında kullanılmış, maddelerin bu iyonlara karşı yüksek ve kinetik olarak hızlı tutma kapasitesine sahip olduğu gözlenmiştir. Co2+ demir yüzeyindeki oksohidroksil gruplarına tutunurken, Cu2+ indirgenme-yükseltgenmeye dayalı olarak Cu2O ve Cu0 formlarına dönüşmüştür. Bu sonuçlara göre kaolinit- ve montmorillonit-destekli demir nanotanecikleri çevre uygulamalarında önemli bir rol oynamaya adaydır.

In recent years Permeable Reactive Barriers (PRBs) are being developed and used in the removal of organic and inorganic pollutants from surface water and groundwater. Zero-valent iron is viewed as an ideal reactive material for PRBs by means of its high sorption/reduction capacity towards various toxic ions. Zero-valent iron synthesized in nanoscale has a greater affinity to reduce/adsorb various toxic aqueous ions by virtue of its large surface area.In this work, nanoscaled (10-100nm) zero-valent iron (nZVI) was synthesized in ethanol by borohydride reduction method in atmospheric conditions. It was observed that iron nanoparticles are mainly in zero-valent oxidation state and that they remain without significant oxidation for weeks. To enhance its effect and usability, nZVI was supported by kaolinite and montmorillonite during synthesis. Characterization of those clay-supported nZVI was performed using XRD, SEM, TEM, EELS, XPS, Zeta Meter, BET-N2. Iron nanoparticles consist of a zero-valent core and a surrounding oxide shell with approximate thickness of 3-5 nm. The application of clays as support materials have led to a partial decrease in the aggregation of iron nanoparticles known to normally form chain-like structure. The diameter of unsupported iron nanoparticles was predominently within the range 20-80 nm, while clay-supported iron nanoparticles existing as dispersed nano spheres had particle diameters within 10-50 nm.The synthesized materials were applied as adsorbents for Co2+ and Cu2+ ions. According to the results , unsupported and clay-supported nZVI has a great capacity to immobilize Co2+ and Cu2+ ions with very fast kinetics. While Co2+ seems to be fixed via the oxohydroxyl groups on the surface of iron nanoparticles, Cu2+ was fixed by a redox mechanism that lead to formation of Cu2O and Cu0. The performed studies indicate that kaolinite- and montmorillonite-supported zero-valent iron nanoparticles are promising reactive materials for environmental applications.