Investigation of Removal of Hexavalent Chromium and Divalent Cobalt From Aqueous Solutions by Organo-montmorillonite Supported Iron Nanoparticles

A new class of nanoscale zero-valent iron particles supported on natural montmorillonite and organo-montmorillonite were synthesized and the feasibility for the removal of and was examined through laboratory batch test. The X – ray diffraction (XRD) and Fourier Transform Infrared spectrum (FTIR) investigation has been applied for determination of the particle size and mechanism of remediation process. The aim of this study was to enhance the reduction of persistent environmental pollutants difficult to degrade by immobilization of nanoscale zero-valent iron on an organo-montmorillonite. Batch experiments indicated that the reduction of both and was much greater with organo-montmorillonite supported iron nanoparticles reaching removal rate up to 98.5% and 95.6% respectively at the initial metal concentrations of 50 mg/L. Iron and crystalline iron oxide were detected by X-ray diffraction patterns. In the FTIR spectrum, CH2 groups were found in iron nanoparticles supported on hexadecyltrimethylammonium bromide modified montmorillonite (HDTMA-Mont/nZVI) particles but were significantly weakened in comparison with the spectrum of hexadecyl trimethylammonium bromide (HDTMA). Other factor that affects the efficiency of heavy metals removal such as pH values was also investigated. The obtained data and review of the current literature have given the opportunity to figure out the mechanisms of and removal which may thus promote the industrial application of nZVI technique in environmental remediation by changing the hydrophilic – hydrophobic properties of source systems

INVESTIGATION OF REMOVAL OF HEXAVALENT CHROMIUM AND DIVALENT COBALT FROM AQUEOUS SOLUTIONS BY ORGANO-MONTMORILLONITE SUPPORTED IRON NANOPARTICLES

A new class of nanoscale zero-valent iron particles supported on natural montmorillonite and organo-montmorillonite were synthesized and the feasibility for the removal of  and  was examined through laboratory batch test. The X – ray diffraction (XRD) and Fourier Transform Infrared spectrum (FTIR) investigation has been applied for determination of the particle size and mechanism of remediation process. The aim of this study was to enhance the reduction of persistent environmental pollutants difficult to degrade by immobilization of nanoscale zero-valent iron on an organo-montmorillonite. Batch experiments indicated that the reduction of both  and  was much greater with organo-montmorillonite supported iron nanoparticles reaching removal rate up to 98.5% and 95.6% respectively at the initial metal concentrations of 50 mg/L. Iron and crystalline iron oxide were detected by X-ray diffraction patterns. In the FTIR spectrum, CH2 groups were found in iron nanoparticles supported on hexadecyltrimethylammonium bromide modified montmorillonite (HDTMA-Mont/nZVI) particles but were significantly weakened in comparison with the spectrum of hexadecyl trimethylammonium bromide (HDTMA). Other factor that affects the efficiency of heavy metals removal such as pH values was also investigated. The obtained data and review of the current literature have given the opportunity to figure out the mechanisms of  and  removal which may thus promote the industrial application of nZVI technique in environmental remediation by changing the hydrophilic – hydrophobic properties of source systems

Вивчення будови органомодифікованого палигорскіта

The object of research is a natural silicate with a layer-band structure - palygorskite of the Cherkasy deposit (Ukraine). One of the problematic areas in the technology of sorption purification of aqueous media using palygorskite is the absence of kinship of the mineral in anionic forms of pollution. Therefore, its use as a sorbent to extract ions Cr(VI), U(VI), As(V), which are in aqueous media in anionic forms, is ineffective.In the course of the study, XRD methods, thermal analysis and a spectrophotometric method are used to study the sorption properties of synthesized materials.The structures of palygorskite and modified samples are studied using -ray diffraction analysis (XRD). After treatment with Na-PG, changes in its crystal structure are observed. There is a shift of the peaks toward large angles 2θ. Comparison of the diffractograms OPG-1 and OPG-2 allows to conclude that the reflection with the same indices is not relatively displaced, but their intensity is different. In OPG-2, the intensity of most peaks is higher.The thermal properties of palygorskite and the resulting composites are studied. According to the results of sorption studies, it is established that palygorskite modified at a ratio of CEC/surfactant=1 can remove up to 97.8 % of Cr(VI) ions. This is 16.2 times more than adsorbing natural palygorskite.As a result of studies of the Cr(VI) adsorption on Na-PG, OPG-1 and OPG-2, it has been shown that modifying the palygorskite surface by GDTMA can increase the adsorption of Cr(VI) from 0.45 mg/g and 9.2 mg/g, respectively. And for the initial concentration of the solution is 100 mg/l to 4.2 and 12.3 mg/l, respectively.Increasing the volume of practical use of natural silicate materials contributes to a comprehensive solution of environmental issues, resource saving and technology for the production of sorbents for the extraction of anionic forms of Cr(VI) and U(VI) from aqueous solutions.Исследованы свойства палыгорскита, модифицированного катионным поверхностно-активным веществом гексадецилтриметиламоний бромидом с целью получения сорбентов для очистки водных сред от ионов тяжелых металлов и радионуклидов. Изучена структура палыгорскит с помощью рентгенофазового и термического анализа. Выявлены температурные интервалы, в которых происходит изменение структуры исходного материала и синтезированных композитов, сопровождающееся изменением их физико-химических свойств. Досліджено властивості палигорськіта, модифікованого катіонною поверхнево-активною речовиною гексадецилтриметиламоній бромидом з метою отримання сорбентів для очищення водних середовищ від йонів важких металів та радіонуклідів. Вивчено структуру палигорськітів за допомогою рентгенофазового та термічного аналізу. Виявлено температурні інтервали, в яких відбувається зміна структури вихідного матеріалу та синтезованих композитів, що супроводжується зміною їх фізико-хімічних властивостей.

Вивчення будови органомодифікованого палигорскіта

The object of research is a natural silicate with a layer-band structure - palygorskite of the Cherkasy deposit (Ukraine). One of the problematic areas in the technology of sorption purification of aqueous media using palygorskite is the absence of kinship of the mineral in anionic forms of pollution. Therefore, its use as a sorbent to extract ions Cr(VI), U(VI), As(V), which are in aqueous media in anionic forms, is ineffective.In the course of the study, XRD methods, thermal analysis and a spectrophotometric method are used to study the sorption properties of synthesized materials.The structures of palygorskite and modified samples are studied using -ray diffraction analysis (XRD). After treatment with Na-PG, changes in its crystal structure are observed. There is a shift of the peaks toward large angles 2θ. Comparison of the diffractograms OPG-1 and OPG-2 allows to conclude that the reflection with the same indices is not relatively displaced, but their intensity is different. In OPG-2, the intensity of most peaks is higher.The thermal properties of palygorskite and the resulting composites are studied. According to the results of sorption studies, it is established that palygorskite modified at a ratio of CEC/surfactant=1 can remove up to 97.8 % of Cr(VI) ions. This is 16.2 times more than adsorbing natural palygorskite.As a result of studies of the Cr(VI) adsorption on Na-PG, OPG-1 and OPG-2, it has been shown that modifying the palygorskite surface by GDTMA can increase the adsorption of Cr(VI) from 0.45 mg/g and 9.2 mg/g, respectively. And for the initial concentration of the solution is 100 mg/l to 4.2 and 12.3 mg/l, respectively.Increasing the volume of practical use of natural silicate materials contributes to a comprehensive solution of environmental issues, resource saving and technology for the production of sorbents for the extraction of anionic forms of Cr(VI) and U(VI) from aqueous solutions.Исследованы свойства палыгорскита, модифицированного катионным поверхностно-активным веществом гексадецилтриметиламоний бромидом с целью получения сорбентов для очистки водных сред от ионов тяжелых металлов и радионуклидов. Изучена структура палыгорскит с помощью рентгенофазового и термического анализа. Выявлены температурные интервалы, в которых происходит изменение структуры исходного материала и синтезированных композитов, сопровождающееся изменением их физико-химических свойств. Досліджено властивості палигорськіта, модифікованого катіонною поверхнево-активною речовиною гексадецилтриметиламоній бромидом з метою отримання сорбентів для очищення водних середовищ від йонів важких металів та радіонуклідів. Вивчено структуру палигорськітів за допомогою рентгенофазового та термічного аналізу. Виявлено температурні інтервали, в яких відбувається зміна структури вихідного матеріалу та синтезованих композитів, що супроводжується зміною їх фізико-хімічних властивостей.

Дослідження структури та сорбційних властивостей монтморилоніту модифікованого гексадецилтриметиламоній бромідом

The object of research is a natural layered silicate – montmorillonite of the Cherkasy deposit (Ukraine) with the general formula (Ca,Na)(А1,Mg,Fe)2(OH)2[(Si,А1)4О10]×nH2O. The chemical composition of the mineral: SiO2 – 51.9 %, Аl2O3 – 17.10 %, Fe2O3 – 7.92 %, MgO – 1.18 %, Na2O, K2O and CaO up to 2 % and Н2О – 8.78 %. Montmorillonite is characterized by a significant dispersion of particles and the presence of a large number of sorption centers on its surface is capable of cation exchange. One of the most problematic places is that montmorillonite is practically incapable of removing pollutants present in water as anions. In order to obtain sorbents capable of removing heavy metal anions, the surface of montmorillonite was modified with the cationic surfactant hexadecyltrimethylammonium bromide.During the study, X-ray diffraction analysis, scanning electron microscopy, infrared spectroscopy, and thermal analysis were used to study the structure of the initial montmorillonite and its organomodified forms. The spectrophotocolorimetric method is used to study the sorption properties of composites.The work confirms that hexadecyltrimethylammonium bromide molecules are sorbed not only on the outer surface of the particles, but also migrate between the aluminosilicate packets of the layered structure of montmorillonite. Sorption studies have confirmed that the use of organomodified forms of montmorillonite has increased the degree of extraction of chromium (VI) ions from 32 % to 96 %. The resulting sorbents make it possible to purify contaminated water with a chromium (VI) concentration of 1 mg/dm3 to the maximum permissible concentrations. This is due to the fact that the organomodification of the surface of montmorillonite has a number of features and allows to change the structure of the original mineral, as well as recharge the clay surface from negative to positive. This makes it possible to use organoclay to remove inorganic toxicants in anionic forms. Compared with similar known ones, the obtained composites provide the removal of even trace amounts of heavy metal anions from aqueous media.Объектом исследования является природный слоистый силикат – монтмориллонит Черкасского месторождения (Украина) с общей формулой (Ca,Na)(А1,Mg,Fe)2(OH)2[(Si,А1)4О10]×nH2O. Химический состав минерала: SiO2 – 51,9 %, Аl2O3 – 17,10 %, Fe2O3 – 7,92 %, MgO – 1,18 %, Na2O, K2O і СаО до 2 % і Н2O – 8,78 %. Монтмориллонит характеризуется значительной дисперсностью частиц и наличием большого количества сорбционных центров на его поверхности, которые способны к катионному обмену. Одним из самых проблемных мест является то, что монтмориллонит практически не способен к удалению загрязнителей, присутствующих в водах в виде анионов. С целью получения сорбентов, способных удалять анионы тяжелых металлов, было проведено модифицирование поверхности монтмориллонита катионным поверхностно-активным веществом гексадецилтриметиламмоний бромидом.В ходе исследования для изучения структуры исходного монтмориллонита и его органомодифицированных форм использовались рентгенофазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия, инфракрасная спектроскопия, термический анализ. Для изучения сорбционных свойств композитов использован спектрофотоколориметрический метод.В работе подтверждено, что молекулы гексадецилтриметиламмоний бромида сорбируются не только на внешней поверхности частиц, но и мигрируют между алюмосиликатными пакетами слоистой структуры монтмориллонита. Сорбционные исследования подтвердили, что применение органомодифицированных форм монтмориллонита позволило повысить степень извлечения ионов хрома (VI) с 32 % до 96 %. Полученные сорбенты позволяют очистить загрязненную воду с концентрацией хрома (VI) равной 1 мг/дм3 до значений предельно допустимых концентраций. Это связано с тем, что органомодифицирование поверхности монтмориллонита имеет ряд особенностей и позволяет изменить структуру исходного минерала, а также перезарядить поверхность глины от отрицательной до положительной. Благодаря этому обеспечивается возможность использования органоглин для удаления неорганических токсикантов, находящихся в анионных формам. По сравнению с аналогичными известными, полученные композиты обеспечивают удаление даже следовых количеств анионов тяжелых металлов из водных сред.Об'єктом дослідження є природний шаруватий силікат – монтморилоніт Черкаського родовища (Україна) із загальною формулою (Ca,Na)(А1,Mg,Fe)2(OH)2[(Si,А1)4О10]×nH2O. Хімічний склад мінералу: SiO2 – 51,9 %, Аl2O3 – 17,10 %, Fe2O3 – 7,92 %, MgO – 1,18 %, Na2O, K2O і СаО до 2 % і Н2O – 8,78 %. Монтморилоніт характеризується значною дисперсністю часточок та наявністю великої кількості сорбційних центрів на його поверхні, що здатні до катіонного обміну. Одним з найбільш проблемних місць є те, що монтморилоніт практично не здатен до видалення забруднювачів, що присутні у водах у вигляді аніонів. З метою отримання сорбентів, здатних вилучати аніони важких металів, було проведено модифікування поверхні монтморилоніту катіонною поверхнево-активною речовиною гексадецилтріметіламмоній бромідом. В ході дослідження для вивчення структури вихідного монтморилоніту і його органомодифікованих форм використовувалися рентгенофазовий аналіз, скануюча електронна мікроскопія, інфрачервона спектроскопія, термічний аналіз. Для вивчення сорбційних властивостей композитів використано спектрофотоколориметричний метод.У роботі підтверджено, що молекули гексадецилтріметіламмоній броміду сорбуються не тільки на зовнішній поверхні частинок, а й мігрують між алюмосилікатними пакетами шаруватої структури монтморилоніту. Сорбційні дослідження підтвердили, що застосування органомодифікованих форм монтморилоніту дозволило підвищити ступінь вилучення іонів хрому (VI) з 32 % до 96 %. Отримані сорбенти дозволяють очистити забруднену воду з концентрацією хрому (VI) рівній 1 мг/дм3 до значень гранично допустимих концентрацій. Це пов'язано з тим, що органомодифікування поверхні монтморилоніту має ряд особливостей та дозволяє змінити структуру вихідного мінералу, а також перезарядити поверхню глини від негативної до позитивної. Завдяки цьому забезпечується можливість використання органоглин для видалення неорганічних токсикантів, що знаходяться у аніонних формах. У порівнянні з аналогічними відомими, отримані композити забезпечують видалення навіть слідових кількостей аніонів важких металів з водних середовищ

Одержання стабілізованого нанодисперсного заліза на основі органофілізованого монтморилоніту

The synthesis of zero­valent nano­dimension iron on the surface of montmorillonite and organomontmollonite by reducing aqueous solutions of Fe2+ salts by sodium boronhydride was conducted. The results of RFA and IR­spectroscopy indicate formation of a monolayer of SAS (HDTMA) both on the outer surface of the particles of montmorillonite and among structural packages of montmorillonite. In this case, organofilization of the surface contributes to the formation of more dispersed particles of zero­valent iron.The physical and chemical features of the processes of sorption cleaning of contaminated waters from chromium(VI) compounds using the obtained nanodispersed material were explored. It was established that the sorption of ions Cr(VI) by the composite adsorbent based on zero­valent iron and organomontmorillonite amounts to 120 mg/g of Fe, which significantly exceeds sorption for the original montmorillonite, organomontmorillonite, nano­dimension iron and the composite sorbent based on montmorilonite and nano­dimension iron.Based on the study of structural and rheological properties, it was established that with the content of iron in sorbent equal to 0,037÷0,146 %, the suspension remains resistant to aggregation and sedimentation. This, together with their rather high sorption characteristics, makes it appropriate to use aqueous dispersions of organomontmorillonite with the applied layer of the synthesized highly dispersed reactive material when cleaning ground waters from ions of heavy metals (chromium) using the latest environmental technologies based on pumping aqueous dispersions  of nanomaterial  into  contaminated layers of soil.Исследованы физико-химические особенности синтеза наноматериалов на основе монтмориллонита и органомонтморилонита модифицированных нанорозмірним железом. Проведено исследование реологических свойств дисперсий полученных материалов. Показана возможность их использования при очистке подземных вод с применением современных природоохранных технологийДосліджено фізико-хімічні особливості синтезу наноматеріалів на основі монтморилоніту та органомонтморилоніту модифікованих нанорозмірним залізом. Проведено дослідження реологічних властивостей дисперсій отриманих матеріалів. Показано можливість їх використання при очищенні підземних вод із застосуванням сучасних природоохоронних технологі

Obtaining stabilized nanodispersed iron based on organofilized montmorillonite

Досліджено фізико-хімічні особливості синтезу наноматеріалів на основі монтморилоніту та jрганомонтморилоніту модифікованих нанорозмірним залізом. Проведено дослідження реологічних властивостей дисперсій отриманих матеріалів. Показано можливість їх використання при очищенні підземних вод із застосуванням сучасних природоохоронних технологій

Дослідження адсорбції іонів хрому (VI) монтморилонітом, модифікованим катіонними поверхнево-активними речовинами

Montmorillonite has high cation exchange capacity and can be used as a sorbent for the removal of metal cations. But anions adsorption on the surface of the mineral is limited.Targeted regulation of hydrophobic and hydrophilic surface properties using sorbents provides an opportunity to increase its absorption properties in relation to anions.The results show that the degree of Cr(VI) extraction by the sorbents obtained at montmorillonite modification increases with increase of CEC/S. Organoclays that modified at CEC/s  1 showed higher adsorption capacity in relation to Cr(VI), but a part of HDTMA isn’t related to the mineral surface and involved in the removal of Cr(VI) from solution with precipitation in the form of alkyl ammonium chromate. HDTMA in free form is harmful to the environment, so CEC/S for these sorbents must not exceed 1.Adsorption of Cr(VI) compounds essentially depends on pH of a solution. The highest values are obtained at pH from 1 to 6. Adsorption properties of organoclays are decreased at pH 6 to 8. Removal of Cr(VI) is not significant in the alkaline environment.These studies will form the basis for the study of structural and mechanical properties of organoclays to use their suspensions for removal of anions of heavy metals and radionuclides using the latest environmental technologies directly from the soil layers.Изучены структурные и адсорбционные свойства монтмориллонита, модифицированного поверхностно-активным веществом (гексадецилтриметиламмоний бромидом). Определены оптимальные молярные соотношения для модифицирования монтмориллонита поверхностно-активным веществом с целью получения данных сорбентов. Получен сорбент со значительно более высокими ионообменными свойствами, чем исходный материал. Данный сорбент может быть использован для эффективного извлечения соединений Сr(VI) из водных сред.Вивчено структурні та адсорбційні властивості монтморилоніту, модифікованого катіонною поверхнево-активною речовиною (гексадецилтриметиламоній бромідом). Визначено оптимальні молярні співвідношення для модифікування монтморилоніту поверхнево-активною речовиною з метою отримання даних сорбентів. Отримано сорбент, що має значно вищі іонообмінні властивості ніж вихідний матеріал, і може бути використаний для ефективного вилучення сполук Сr(VI) з водних середовищ

Study of the Structure of Organo-modified Palygorskite

The object of research is a natural silicate with a layer-band structure - palygorskite of the Cherkasy deposit (Ukraine). One of the problematic areas in the technology of sorption purification of aqueous media using palygorskite is the absence of kinship of the mineral in anionic forms of pollution. Therefore, its use as a sorbent to extract ions Cr(VI), U(VI), As(V), which are in aqueous media in anionic forms, is ineffective.In the course of the study, XRD methods, thermal analysis and a spectrophotometric method are used to study the sorption properties of synthesized materials.The structures of palygorskite and modified samples are studied using -ray diffraction analysis (XRD). After treatment with Na-PG, changes in its crystal structure are observed. There is a shift of the peaks toward large angles 2θ. Comparison of the diffractograms OPG-1 and OPG-2 allows to conclude that the reflection with the same indices is not relatively displaced, but their intensity is different. In OPG-2, the intensity of most peaks is higher.The thermal properties of palygorskite and the resulting composites are studied. According to the results of sorption studies, it is established that palygorskite modified at a ratio of CEC/surfactant=1 can remove up to 97.8 % of Cr(VI) ions. This is 16.2 times more than adsorbing natural palygorskite.As a result of studies of the Cr(VI) adsorption on Na-PG, OPG-1 and OPG-2, it has been shown that modifying the palygorskite surface by GDTMA can increase the adsorption of Cr(VI) from 0.45 mg/g and 9.2 mg/g, respectively. And for the initial concentration of the solution is 100 mg/l to 4.2 and 12.3 mg/l, respectively.Increasing the volume of practical use of natural silicate materials contributes to a comprehensive solution of environmental issues, resource saving and technology for the production of sorbents for the extraction of anionic forms of Cr(VI) and U(VI) from aqueous solutions