Sinteza i Karakterizacija Ugljeničnog Kriogela i Kompozita Ugljenični Kriogel/Cerija za Primenu u Adsorpciji Arsena iz Vodenih Rastvora

Abstract

Cilj istraživanja u okviru ove doktorske disertacije je da se jednostavnom metodom proizvede materijal od lako dostupnih sirovina, koji bi se koristio kao adsorbent za uklanjanje arsena iz vodenih rastvora.

Prisustvo arsena u vodi za piće je globalni problem koji još uvek nije u potpunosti rešen. Većina postupaka za uklanjanje arsena iz vode podrazumeva oksidaciju As(III) u As(V) i zatim uklanjanje As(V). Jedna od najboljih tehnologija za uklanjanje arsena iz vode za piće je adsorpcija. Prilikom odabira polaznog materijala za adsorpciju arsena krenulo se od poznatih karakteristika koje idealni adsorbent treba da poseduje, a to su velika specifična površina, uniformno dostupne pore, brza kinetika adsorpcije, kao i dobra fizička i hemijska stabilnost. Ova svojstva poseduje ugljenični kriogel. Ugljenični kriogel sintetisan je sol-gel polikondenzacijom rezorcinola i formaldehida u prisustvu natrijum karbonata kao katalizatora. Zatim je ideja bila da se izvrši optimizacija površine adsorbenta, u cilju povećanja adsorpcionog kapaciteta ugljeničnog kriogela prema arsenu. Jedan od načina modifikacije površine adsorbenta je sintetisanje kompozitnog materijala. Na osnovu novijih literaturnih podataka o velikom afinitetu cerije prema arsenu, odabrano je da to bude kompozit ugljenični kriogel/cerija, sa pretpostavkom da će cerija poboljšati adsorpcioni kapacitet ugljeničnog kriogela prema arsenu. Nanostrukturna cerija sintetisana je metodom samopropagirajuće sinteze na sobnoj temperaturi. Kompozitni materijal ugljenični kriogel/cerija sintetisan je mehaničkim mešanjem ugljeničnog kriogela i cerije u određenom odnosu.

Nakon sinteze, materijali su okarakterisni brojnim eksperimentalnim tehnikama, u cilju poređenja strukture, morfologije, fizičkih i hemijskih svojstava površine materijala. Iz adsorpciono-desorpcionih izotermi azota utvrđeno je da ugljenični kriogel i kompozit ugljenični kriogel/cerija imaju velike specifične površine (620 i 614 m 2 /g respektivno) sa naročito razvijenom mezoporoznošću uz prisutnu mikroporoznost. Nanočestice cerije su prodrle u pore ugljeničnog kriogela i smanjile vrednost prosečnog radijusa pora. Snimak povratno rasejanih elektrona pokazuje da je raspodela cerije u ugljeničnom kriogelu veoma homogena. Razlika između tačke nultog naelektrisanja i izoelektrične tačke kompozita ugljenični kriogel/cerija je znatno manja nego kod čistog ugljeničnog kriogela, što ukazuje na homogenu raspodelu površinskog naelektrisanja. Analiza sintetisanih materijala metodom infracrvene spektroskopije sa Furijeovom transformacijom daje gotovo identične infracrvene spektre u svim frekventnim opsezima što ukazuje da se na površini ugljeničnog kriogela i kompozita ugljenični kriogel/cerija nalazi isti tip funkcionalnih grupa. Temperaturno programiranom desorpcijom je pokazano smanjenje količine površinskih kiseoničnih grupa skoro 50% kod kompozita ugljenični kriogel/cerija u poređenju sa nemodifikovanim ugljeničnim kriogelom, što je posledica konzumacije kiseonika iz površinskih grupa od strane veoma reaktivne nestehiometrijske cerije. Dobijeni parametari Raman spektara čistog ugljeničnog kriogela i kompozita ugljenični kriogel/cerija pokazali su poboljšanje strukturnih parametara kompozita ugljenični kriogel/cerija, koje potiče od smanjenja količine površinskih kiseoničnih grupa.

Alternate abstract:

The aim of the research in this doctoral dissertation is to use a simple method to synthesize material from readily available precursors, which would be used as an adsorbent for the removal of arsenic from aqueous solutions.

The presence of arsenic in drinking water is a global problem that has not yet been completely solved. Most of the procedures for removing arsenic from water involve the oxidation of As(III) to As(V) and then the removal of As(V). One of the best technologies for removing arsenic from drinking water is adsorption. Selection of the material for adsorption of arsenic should start from the known characteristics that an ideal adsorbent should possess, which are a large specific surface, uniformly accessible pores, rapid adsorption kinetics, as well as good physical and chemical stability. Carbon cryogel has these properties. Carbon cryogel was synthesized by sol-gel polycondensation of resorcinol and formaldehyde in water solution in the presence of sodium carbonate as a catalyst. Then, optimization of the adsorbent surface was conducted in order to increase the adsorption capacity of the carbon cryogel to the arsenic. One way of modifying the surface of an adsorbent is the synthesis of the composite material. Based on recent literature data on the high affinity of arsenic to ceria, it has been chosen to be a carbon cryogel/ceria composite, with the assumption that ceria will improve the adsorption capacity of the carbon cryogel to arsenic. The nanostructured ceria was synthesized by the method of „self-propagating room temperature“. The composite carbon cryogel/ceria was synthesized by mechanical mixing of carbon cryogel and ceria in the certain ratio.

After synthesis, materials were characterized by various experimental techniques, in order to compare the structure, morphology, physical and chemical properties of the surface. From the adsorption-desorption isotherms of nitrogen, it has been found that the carbon cryogel and the carbon cryogel/ceria composite have large specific surface areas (620 and 614 m2 /g, respectively) with a particularly developed mesoporosity with the presence of micropores. Ceria nanoparticles penetrated into the pores of the carbon cryogel and reduced the value of the average pore radius. The image of the backscattered electrons shows that the distribution of ceria in the carbon cryogel is very homogeneous. The difference between the point of zero charge and the isoelectric point of the composite carbon cryogel/ceria is considerably lower than in the pure carbon cryogel, indicating a homogeneous distribution of surface charge. Analysis of the synthesized materials by the Fourier transform infrared spectroscopy method gives almost identical infrared spectra in all frequency bands, indicating that on the surface of the carbon cryogel and composite carbon cryogels/ceria there is the same type of functional groups. The temperature-programmed desorption showed a reduction in the amount of surface oxygen groups of almost 50% in the carbon cryogel/ceria composite compared to the unmodified carbon cryogel, which is due to the consumption of oxygen from the surface groups by highly reactive non-stoichiometric ceria. The obtained Raman spectra of pure carbon cryogel and carbon cryogel/ceria composites showed an improvement in the structural parameters of the carbon cryogel/ceria composite, resulting from the reduction in the amount of surface oxygen groups.