Výzkum mechanismu odstranění (polo)kovů z vodných roztoků pomocí povrchově modifikovaných nanočástic kovového železa

Bc. Martin LICHOVNÍK

Master's thesis

Investigation of the mechanism of metal(loid) removal from aqueous solutions by surface-modified nanoscale zero-valent iron particles

Abstract:

Předmětem diplomové práce je studium interakce povrchově modifikovaných nanočástic kovového železa (nZVI) s vybranými těžkými kovy (Ni(II), Cu(II), Pb(II), Cd(II) a As(V)). Práce je zaměřena na studium mechanismů a kinetiky odstranění těžkých kovů z vodných roztoků pomocí sulfidovaných částic nZVI (S-nZVI), připravených s využitím komerčně dostupných nanočástic železa v práškové formě a roztoku sulfidu sodného jako sulfidačního činidla. Zvolený hmotnostní poměr částic nZVI a síry byl 100 : 1. Experimenty byly prováděny v deionizované vodě za anoxických podmínek. Průběh odstranění uvedených (polo)kovů byl sledován po dobu 120 min. Získaná data byla modelována adsorpční kinetikou pseudoprvního a pseudodruhého řádu. Pomocí rentgenové fotoelektronové spektroskopie bylo analyzováno složení povrchu částic po reakci s těžkými kovy. Na základě získaných informací o chemických formách prvků přítomných na povrchu částic bylo usuzováno na mechanismus odstranění (polo)kovů. Účinnost odstranění těžkých kovů částicemi S-nZVI klesala v pořadí Pb(II) > Cu(II) > Ni(II) > As(V) > Cd(II) a v porovnání s nemodifikovanými částicemi nZVI byla vyšší u všech těžkých kovů kromě As(V). Zjištěným mechanismem odstranění těžkých kovů je ve většině případů pravděpodobně jejich srážení na povrchu částic ve formě oxidů nebo hydroxidů a částečná redukce na elementární kov. Složení povrchu částic nZVI a S-nZVI po reakci s těžkými kovy se příliš neliší, což je zřejmě důvodem použitého nízkého hmotnostního poměru částic nZVI a síry. Příčinou vyšší účinnosti odstranění uvedených těžkých kovů pomocí částic S-nZVI je tak zřejmě zvýšení selektivity interakce částic s (polo)kovy v důsledku inhibice reakce částic s vodou.

Abstract:

The master's diploma thesis is focused on the interaction of surface-modified nanoscale zero-valent iron (nZVI) particles with heavy metal ions (Ni(II), Cu(II), Pb(II), Cd(II) and As(V)). The mechanism and efficiencies of the removal of these metal(loids) by sulfidated nZVI particles (S-nZVI) were examined. The S-nZVI particles with a S/Fe ratio of 0.01 were synthesized using powdered nZVI particles and a solution of sodium sulfide as a modifying agent. The experiments were carried out in deionized water and in anoxic conditions. The evolution of the nZVI and S-nZVI adsorption capacity was determined within the time range of 120 min. The data were modelled with pseudo-first order (PFO) and pseudo-second order (PSO) adsorption kinetics. Possible mechanisms of metal(loid) removal were deduced based on the analysis of the surface of particles after the reaction with heavy metals using X-ray photoelectron spectroscopy. The adsorption capacity of the S-nZVI particles is higher for all the examined heavy metals except As(V). The efficiency of metal uptake by S-nZVI particles decreased according to the following order: Pb(II) > Cu(II) > Ni(II) > As(V) > Cd(II). Generally, the heavy metals were removed by precipitation on the surface of particles in the forms of oxides or hydroxides and partially reduced to elemental state. The forms of heavy metals on the surface of nZVI and S-nZVI particles were similar, possibly becuse of the low S/Fe ratio of the S-nZVI particles. The reason for the improvement of removal efficiency using S-nZVI particles is possibly an enhanced selectivity due to the inhibition of the reaction with water.

Keywords

Nanočástice železa (nZVI), modifikace, těžké kovy, rentgenová fotoelektronová spektroskopie, adsorpční kinetika

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 8. 2022

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. Jan Filip, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Material Chemistry