Kinetic, morphological, and compositional characterization of the uptake of aqueous Ba2+, Mn2+ ve Cd2+ ions by calcite and aragonite over a wide range of concentration

Abstract

CaCO3 mineralinin yer kabuğunda büyük miktarlarda bulunması ve çesitlikatyonlara karsı yüksek tutma kapasitesine sahip olması jeokimyasal ve çevreselaçılardan özel bir öneme sahiptir.Bu çalısmada, çevresel etkileri açısından risk tasıyan, periyodik tablodakiçesitli metal grup/periyotlara mensup Ba2+, Mn2+ ve Cd2+ iyonlarının kalsit vearagonit mineralleri ile etkilesimi arastırılmıstır. Yapılan arastırmalar kapsamında,düsük derisimlerdeki tutulmanın belirlenmesinde zaman, derisim etkisi, pH, sıcaklıkve yüksek derisimlerde çökelen karbonatların morfolojik, içerik ve yapısal özellikleriincelenmistir. Adsorpsiyon asamasında tutulmanın hızlı olduğu ve ikinci-mertebedenhız denklemine uyduğu görülmüstür. Dengeye ulasıldığında, hem kalsit hem dearagonitçe tutulan iyon miktarı bakımından sıralamanın Cd2+ > Mn2+ > Ba2+seklinde olduğu tespit edilmistir. Metal karbonatların çökelmesi yavas hızla ilerlemisve söz konusu iyonların büyük oranlarda uzaklastırılmasına önderlik etmistir.Kantitatif X-Isınları Kırınımı (XRD) kullanılarak çökelen metal karbonatların kütlefraksiyonları belirlenmis; bu amaçla, ikili karbonat karısımları için deneyseldenklemler gelistirilmistir. Yapılan Kızıl Ötesi Spektroskopi (FTIR) analizlerinegöre, Mn2+ ve Cd2+ iyonlarının kalsitçe veya aragonitçe adsorpsiyonu sonucunda buminerallerin titresim bantlarında çok az değisiklikler olurken, Ba2+ adsorpsiyonuçesitli değisikliklere neden olmaktadır.Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) sonuçlarına göre, BaCO3 çökeltisininkristalleri 1-2 mikron boyutunda ve zeytin tanelerine (olivary-like) benzemektedir.MnCO3 kristalleri ise küp seklinde ve bir kaç yüz nanometre boyutunda olusmustur.Çöken CdCO3'ın parçaları diğer karbonatlar kadar belirgin bir sekil sergilememeklebirlikte, bu parçalar genellikle mikron-altı ve toplu halde bulunan taneciklerdenolusmaktadır.

The large availability and widespread distribution of calcium carbonate,CaCO3, in Earth?s crust makes it among the most important minerals to investigatein terms of environmentally and geochemically important aqueous-metal partitioninginteractions.In this study, the interactions of Ba2+, Mn2+, and Cd2+ with calcite andaragonite were investigated over a wide range of experimental conditions. Theexperiments were conducted to examine the effects of time, concentration, pH,temperature on the uptake process assess at low concentrations and the compositionand morphology of the precipitated carbonates. The kinetic data corresponding toadsorption were adequately described by the pseudo-second order rate equation. Atequilibrium, the extent of adsorption on both minerals followed the order Cd2+ >Mn2+ > Ba2+. Precipitation of metal carbonates proceeded at a slower rate and led tolarge removal of the ions under consideration. The mass fractions of the precipitatedmetal carbonates were determined using quantitative XRD. For this purpose,empirical equations were developed for binary carbonate mixtures. FTIR was used tofollow the possible modifications in vibrational modes of calcite and aragonite, andthe newly emerging vibrations of various carbonate phases.According to SEM results, BaCO3 crystals appeared to be 1-2 micrometers insize with an olivary-like shape and MnCO3 crystals assumed a cubic shape with 200-400 nm size. The particles of precipitated CdCO3 did not demonstrate a well definedshape and its texture appeared to be composed of aggregated sub-micron crystals thatform micron sized particles with irregular appearance.