Stabilní izotopy a jejich využití v environmentálních aplikacích

Šárka Lewandowská

Bakalářská práce

Stable isotopes and their use in environmental applications

Anotace:

Tato bakalářská práce se zabývá stabilními izotopy, jejich analýzou a souvisejícími sorpčními procesy v půdě. Teoretická část shrnuje informace o izotopech, sorpci, hmotnostní spektrometrii a zinku a kadmiu jakožto zástupců kontaminantů v půdě. V praktické části byly vsázkovým způsobem provedeny sorpční experimenty za účelem vyhodnocení kinetiky adsorpce kadmia a zinku na zkoumané minerální části půdního sorpčního komplexu – goethit, illit, ferrihydrit, birnesit. Počáteční molární koncentrace zinku i kadmia byla nastavena na 10-4 mol/l. Roztok byl připraven s dusičnanem sodným o molární koncentraci 0,1 mol/l / 0,01 mol/l / 0,001 mol/l, který posloužil jako pozaďový elektrolyt a umožnil pozorovat vliv měnící se iontové síly roztoku. Experiment probíhal pokaždé déle než 2,5 hodiny. K získání výsledků z oblasti adsorbovaného množství kovu na sorbent bylo využito optického emisního spektrometru s indukčně vázaným plazmatem (ICP-OES), výsledná data byla prezentována pomocí grafů a modelována rovnicí pseudo-druhého řádu.Z výsledků vyplynulo, že k adsorpční rovnováze dochází v případě zkoumaných minerálů po přibližně 120 minutách, přičemž nejvyšší rychlost má adsorpce v počátečním časovém období. Adsorpci na illit významně ovlivňuje velikost iontové síly, z čehož lze usoudit, že adsorpce tohoto minerálu probíhá primárně fyzikální sorpcí, při které vznikají slabší vazby, a proto je celý proces citlivější na změny sorpčního prostředí. Naopak u ferrihydritu a goethitu výsledky ukazují primárně na chemisorpci. U birnesitu záleží na zkoumaném kovu. Nejvyšší adsorpční potenciál pro odstraňování kovů z půdy má za testovaných podmínek birnesit. Rozdíly v adsorpci mezi zinkem a kadmiem nejsou příliš patrné, avšak zdá se, že kadmium je celkově nepatrně citlivější na změny sorpčního prostředí.V diskuzi byla s dostupnou literaturou diskutována izotopová frakcionace zinku a kadmia, která měla být součástí experimentální části, leč v průběhu zpracování této práce se nepodařilo zprovoznit potřebnou techniku. Získaná data tak poslouží jako základ pro další navazující experimenty v projektu zkoumajícím souvislosti mezi izotopovou frakcionací zinku a kadmia při adsorpci na hlavní půdní fáze a typem vznikajících komplexů.

Abstract:

This Bachelor thesis deals with stable isotopes, their analysis and related sorption processes in soil. The theoretical part summarizes information about isotopes, sorption, mass spectrometry and zinc and cadmium as representatives of soil contaminants.In the practical part of the thesis, adsorption experiments were performed in order to evaluate the kinetics of zinc and cadmium onto tested mineral soil phases – goethite, illite, ferrihydrite, birnessite. A separate batch was used for each material and metal. The initial concentration of both zinc and cadmium was set to 10-4 mol/l. The solutions were prepared with 0,1 / 0,01 / 0,001 mol/l sodium nitrate (NaNO3) background electrolyte, enabling to observe the influence of changing ionic strength of the solution. The experiment ran for more than 2.5 hours each time. Metal concentrations in solutions were determined using inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES). The obtained kinetic data were presented using graphs and modeled using pseudo-second-order equation.The results showed that the adsorption equilibrium time was about 120 minutes, with the fastest adsorption at the initial stage of the process. The adsorption onto illite is significantly influenced by the ionic strength, which suggests that the adsorption onto this mineral is primarily due to physical sorption where weaker bonds are formed, and therefore the process is more sensitive to changes in the sorption environment. On the other hand, the results show that adsorption onto ferrihydrite and goethite is mainly chemical. The leading type of adsorption onto birnessite depends on the tested metal. The highest adsorption potential for metal removal from the soil in tested conditions has birnessite. The difference in adsorption between zinc and cadmium is not really remarkable but cadmium seems to be slightly more sensitive to changes in the sorption environment. Isotope fractionation of zinc and cadmium during adsorption was supposed to be part of the experiment, but the required technology was not operating at given time, so the discussion based on this topic was summarized based on the published literature. The obtained data will serve as a basis for further follow-up experiments in the project investigating the relationship between isotopic fractionation of zinc and cadmium during adsorption onto the main soil phases and the type of originating complexes.

Klíčová slova

zinek, kadmium, adsorpce, hmotnostní spektrometrie, izotopy

Keywords

isotopes, zinc, cadmium, adsorption, mass spectrometry

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 19. 4. 2019

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Ing. Zuzana Michálková, Ph.D.

Česká zemědělská univerzita v Praze

Fakulta životního prostředí

Bakalářský studijní program / obor:
Krajinářství / Územní technická a správní služba