Peculiarities of U(VI) sorption on composites containing hydrated titanium dioxide and potassium-cobalt hexacyanoferrate(II)

As opposed to polymer sorbents, inorganic materials are stable against ionizing radiation. This gives a possibility to use them for the removal of radionuclides from water. As a rule, highly selective inorganic sorbents are obtained in a form of finely dispersive powder. This makes it difficult to use them in practice. Here the composites based on hydrated titanium dioxide containing K2Co[Fe(CN)6] have been developed. The modifier was inserted into partially (hydrogel) and fully (xerogel) formed oxide matrices. Modifying of hydrogel followed its transformation to xerogel provides the formation of potassium-cobalt hexacyanoferrate(II) nanoparticles (up to 10 nm), which are not washed out in aqueous media due to encapsulation in hydrated oxide. A number of the methods for sample characterization were used in this work: transmission electronic microscopy for vizualization of embedded nanoparticles, optical microscopy to measure granule size, FT-IR spectroscopy, X-ray fluorescence spectroscopy for chemical analysis of the samples, potentiometric titration to estimate ion exchange properties, and spectrophotometric analysis of the solution to determine U(VI) concentration. The features of U(VI) sorption from nitrate and sulfate solutions are considered: the effect of the sorbent dosage and solution composition was in a focus of attention. The influence of the modifier is the most pronounced at pH  4, when U(VI) is in a form of one-charged cations (UO2OH+): the removal degree of U(VI) is close to 100 %. This positive effect of the selective constituent is expressed in a presence of an excess of NO3 –, SO4 2– and Na+ ions. The model of chemical reaction of pseudo second order has been applied to sorption. Both pristine sorbent and composite are most completely regenerated with a 0.1 M KOH solution  the regeneration degree is 92 and 96 % respectively. In this case, the half-exchange time is minimal and equal to  23 min (initial hydrated titanium dioxide) and 47 min (composite). Desorption obeys the model of particle diffusion: the diffusion coefficients for ions being exchanged are (1.7–7.6)10–13 m2s–1.
На відміну від полімерних сорбентів, неорганічні матеріали стійкі до іонізуючого випромінювання, що дає можливість використовувати їх для очищення води від радіонуклідів. Як правило, високоселективні неорганічні сорбенти одержують у вигляді дрібнодисперсного порошку, що ускладнює їх практичне використання. У роботі розроблено композити на основі гідратованого діоксиду титану, які містять калій- кобальт гексаціаноферрат(ІІ). Модифікатор вводили у частково (гідрогель) або повністю (ксерогель) сформовані оксидні матриці. Модифікація гідрогелю з наступним перетворенням його на ксерогель забезпечує утворення наночастинок гексаціаноферрату(ІІ) калію кобальту (до 10 нм), які не вимиваються у водному середовищі через інкапсуляцію в оксидній матриці. В роботі використовувались такі методи характеристики сорбентів і результатів дослідження: трансмісійна спектроскопія для одержання ТЕМ, оптична мікроскопія для визначення розміру гранул сорбентів, ІЧ-Фур’є спектроскопія для дослідження зразків після сорбції урану, рентгенофлуоресцентна спектроскопія для хімічного аналізу зразків, потенціометричне титрування для встановлення рН ізоелектричного стану зразків, спектрофотометричний аналіз розчинів після сорбції (десорбції) для визначення U(VI) у вигляді комплекса з арсеназо III. Досліджено особливості сорбції U(VI) з нітратних і сульфатних розчинів: у центрі уваги знаходиться вплив дозування сорбентів та склад розчину. Найбільш суттєво вплив модифікатора виявляється при pH  4, коли U(VI) знаходиться у розчинах у вигляді однозарядних катіонів UO2OH+: ступінь вилучення U(VI) наближений до 100 %, швидкість сорбції максимальна. Позитивний вплив селективного компонента має місце у присутності надлишку йонів NO3 –, SO4 2– та Na+. Встановлено, що кінетика сорбції урану підпорядковується моделі псевдодругого порядку. Як вихідний сорбент, так і композит найбільш повно регенеруються 0.1 М розчином KОН – ступінь десорбції складає 92 и 96 %, відповідно. В цьому випадку також спостерігаються найменші значення часу напівобміну: 1380 с (вихідний сорбент) і 2810 с (композит). Десорбція урану з фази композитів лімітується дифузією частинок. Розраховано коефіцієнти дифузії йонів, що обмінюються, які лежать у межах (1.7–7.6) 10–13 м2c–1.

Ключові слова

Uranium(VI) compounds, hydrated titanium dioxide, potassium-cobalt hexacyanoferrate(II), sorption, nanoparticles, сполуки урану(VI), гідратований діоксид титану, калій-кобальт гекаціаноферрат(ІІ), сорбція, наночастинки

Бібліографічний опис

Chemistry, Physics and Technology of Surface