Очищення забрудненої води феритовими наночастинками шпінелі, легованими La та Gd: кінетика та механізми адсорбції

Ірина Старкo

doi:10.15330/pcss.26.1.124-131

Автор(и)

Ірина Старкo Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, м. Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.1.124-131

Ключові слова:

Ni-Co ферит, Лантан, Гадоліній, адсорбент, кінетична модель, шпінель, очищення води

Анотація

У роботі досліджено кінетику видалення барвника Конго червоного (КЧ) and антибіотика окситетрацикліну (ОТЦ) з водних розчинів синтезованими та відпаленими La- та Gd-вмісними наноферитами. Для оцінки механізму адсорбції були використані кінетичні моделі псевдо-першого порядку, псевдо-другого порядку, Еловіча та модель міжчастинкової дифузії. Показано, що адсорбція КЧ та ОТЦ на феритах найкраще відповідає кінетичній моделі псевдо-другого порядку. Рівновага адсорбції при видаленні КЧ та ОТЦ була досягнута через 60 хв для обох досліджуваних речовин. Відпал впливає на адсорбційні властивості зразків, збільшуючи початкову швидкість адсорбції відповідно до кінетичної моделі псевдо-другого порядку. Зокрема, початкова швидкість адсорбції КЧ на вже синтезованих і відпалених La- та Gd-вмісних феритах збільшується приблизно в 7 та 5 разів відповідно. Швидкість адсорбції ОТЦ також збільшилась у зразках після відпалу. Для зразка Ni_0.5Co_0.5La_0.02Fe_1.98O₄швидкість покращилася в 1.8 раза. Для зразка Ni_0.5Co_0.5Gd_0.025Fe_1.975O₄швидкість зросла в 3.6 раз. Проаналізовані дані показують, що молекули барвника та антибіотика адсорбуються на поверхні фериту шляхом хемосорбції.

Посилання

T. Tatarchuk, Studying the Defects in Spinel Compounds: Discovery, Formation Mechanisms, Classification, and Influence on Catalytic Properties, Nanomaterials, 14 (2024); https://doi.org/10.3390/nano14201640.

K. Cai, W. Shen, B. Ren, J. He, S. Wu, W. Wang, A phytic acid modified CoFe2O4 magnetic adsorbent with controllable morphology, excellent selective adsorption for dyes and ultrastrong adsorption ability for metal ions, Chem. Eng. J., 330, 936 (2017); https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.08.009.

T. Tatarchuk, A. Shyichuk, V. Kotsyubynsky, N. Danyliuk, Catalytically active cobalt ferrites synthesized using plant extracts: Insights into structural, optical, and catalytic properties, Ceramics International, 51, 4988 (2025); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.11.470.

X. Zhang, Y. Xia, Z. Wang, Adsorption of Congo red on magnetic cobalt-manganese ferrite nanoparticles: Adsorption kinetic, isotherm, thermodynamics, and electrochemistry, PloS One, 19, e0307055 (2024); https://doi.org/10.1371/journal.pone.0307055.

D.H.K. Reddy, Y.S. Yun, Spinel ferrite magnetic adsorbents: Alternative future materials for water purification?, Coordination Chemistry Reviews, 315, 90 (2016); https://doi.org/10.1016/j.ccr.2016.01.012.

R. Sivashankar, A.B. Sathya, K. Vasantharaj, V. Sivasubramanian, Magnetic composite an environmental super adsorbent for dye sequestration – A review, Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management, 1–2, 36 (2014); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.enmm.2014.06.001.

K.K. Kefeni, B.B. Mamba, T.A.M. Msagati, Application of spinel ferrite nanoparticles in water and wastewater treatment: A review, Separation and Purification Technology, 188, 399 (2017); https://doi.org/10.1016/j.seppur.2017.07.015.

T. Tatarchuk, L. Soltys, W. Macyk, Magnetic adsorbents for removal of pharmaceuticals: A review of adsorption properties, Journal of Molecular Liquids, 384, 122174 (2023); https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.122174.

L. Zhang, J. Lian, L. Wang, J. Jiang, Z. Duan, L. Zhao, Markedly enhanced coercive field and Congo red adsorption capability of cobalt ferrite induced by the doping of non-magnetic metal ions, Chemical Engineering Journal, 241, 384 (2014); https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.10.071.

L. Wang, J. Li, Y. Wang, L. Zhao, Q. Jiang, Adsorption capability for Congo red on nanocrystalline MFe2O4 (M=Mn, Fe, Co, Ni) spinel ferrites, Chemical Engineering Journal. 181–182, 72 (2012); https://doi.org/10.1016/j.cej.2011.10.088.

P. Samoila, C. Cojocaru, I. Cretescu, C.D. Stan, V. Nica, L. Sacarescu, V. Harabagiu, Nanosized spinel ferrites synthesized by sol-gel autocombustion for optimized removal of azo dye from aqueous solution, Journal of Nanomaterials, (2015); https://doi.org/10.1155/2015/713802.

J.Y.D. Alessandro Idehara, D.A. Fagundes, L.V. Leonel, L.E. Fernandez-Outon, R. de Mendonça, A.S. Albuquerque, J.D. Ardisson, Investigation of the adsorption of the tetracycline antibiotic by NiFe2O4 and CoFe2O4 nanoparticles, Environmental Nanotechnology, Monitoring and Management, 20, 100830 (2023); https://doi.org/10.1016/j.enmm.2023.100830.

T.P. Nguyen, Q.K. Nguyen, R. Shanmugam, S. Sharma, T.T. Thuy Phan, H.G. Pham, H.T. Nguyen, Q.H. Nguyen, T.X. Nguyen, B. Pham, T.N. Mai Pham, R.R. Gangavarapu, Y.H. Su, J.M. Ting, D.T. Pham, Adsorptive removal of oxytetracycline antibiotics on magnetic nanoparticles NiFe2O4/Au: Characteristics, mechanism and theoretical calculations, Materials Chemistry and Physics, 323, 129672 (2024); https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2024.129672.

I. Starko, T. Tatarchuk, Mu. Naushad et al. Enhanced Activity of La-Substituted Nickel–Cobalt Ferrites in Congo Red Dye Removal and Hydrogen Peroxide Decomposition, Water, Air, Soil, Pollution, 235, 527 (2024); https://doi.org/10.1007/s11270-024-07329-5.

K.E. Kumar, A. Manikandan, V. Sathana, S. Muthulingam, M.M. Julie, R.T. Kumar, A. Dinesh, M. Durka, M.A. Almessiere, Y. Slimani, A. Baykal, A. Khan, Impact of the rare earth elements doping on the copper ferrite spinel magnetic nanoparticles, Elsevier Ltd, (2024); https://doi.org/10.1016/b978-0-323-85748-2.00014-1.

T. Tatarchuk, I. Starko, Mesoporous La-substituted nickel-cobalt ferrites synthesized via reduction method resulting in significantly enhanced adsorption properties, Journal of Environmental Chemical Engineering, 13, 115657 (2025); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.115657.

P. Samoila, C. Cojocaru, I. Cretescu, C.D. Stan, V. Nica, L. Sacarescu, V. Harabagiu, Nanosized spinel ferrites synthesized by sol-gel autocombustion for optimized removal of azo dye from aqueous solution, Journal of Nanomaterials, 2015 (2015); https://doi.org/10.1155/2015/713802.

J. López-Luna, L.E. Ramírez-Montes, S. Martinez-Vargas, A.I. Martínez, O.F. Mijangos-Ricardez, M. del C.A. González-Chávez, R. Carrillo-González, F.A. Solís-Domínguez, M. del C. Cuevas-Díaz, V. Vázquez-Hipólito, Linear and nonlinear kinetic and isotherm adsorption models for arsenic removal by manganese ferrite nanoparticles, SN Applied Sciences, 1, 1 (2019); https://doi.org/10.1007/s42452-019-0977-3.

M.A. Islam, M.A. Chowdhury, M.S.I. Mozumder, M.T. Uddin, Langmuir Adsorption Kinetics in Liquid Media: Interface Reaction Model, ACS Omega, 6, 14481 (2021); https://doi.org/10.1021/acsomega.1c01449.

U.A. Edet, A.O. Ifelebuegu. Kinetics, Isotherms, and Thermodynamic Modeling of the Adsorption of Phosphates from Model, Wastewater Using Recycled Brick Waste, Process, 8, 665 (2020); https://doi.org/10.3390/pr8060665.

S.J. Olusegun, N.D.S. Mohallem, Comparative adsorption mechanism of doxycycline and Congo red using synthesized kaolinite supported CoFe2O4 nanoparticles, Environmental Pollution, 260, 114019 (2020); https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.114019.