セリウム(IV)キトサン

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13049 (2023) この記事を引用

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3 オルトメトリック

メトリクスの詳細

生物圏におけるリン酸(V)イオンの過剰な存在は、水系のバイオセノーシスに悪影響を与える最も深刻な問題の 1 つです。したがって、リン酸塩(V)の分離は持続可能な開発にとって重要であると考えられています。発表された研究では、化学共沈法を使用して独自のセリウム(IV)修飾キトサンベースのヒドロゲル(Ce-CTS)が開発され、水溶液からリン酸(V)イオンを効率的に除去するための吸着剤として使用されました。。科学的な観点から見ると、これはまったく新しい物理化学システムを表します。 Ce-CTS 吸着剤によるリン酸 (V) アニオンの吸着除去は、約 98% の効率を超えることがわかりました。何も修飾していないキトサンベースのハイドロゲル（非架橋 CTS）と比較して 4 倍高い。 Ce-CTS 吸着剤上のリン酸塩 (V) の吸着容量の最良の結果は、71.6 mg/g に等しく、初期リン酸塩 (V) 濃度 9.76 mg/dm3 および pH 7 の溶液からの吸着の結果でした。吸着剤量 1 g/dm3、温度 20 °C。 Ce-CTS 吸着剤とリン酸塩 (V) の水溶液の平衡界面分布データは、理論的な Redlich-Peterson および Hill 吸着等温線モデルと一致しました。反応速度論の観点からは、擬二次モデルが Ce-CTS 吸着剤のリン酸塩(V) 吸着速度を最もよく説明しました。拡散物質移動抵抗に影響を与える吸着剤の多孔質構造の特定の効果は、Weber-Morris 速度論モデルを使用して特定されました。熱力学的研究により、このプロセスは発熱的であり、吸着が自然に進行することが示されました。 CTS をセリウム(IV) で修飾すると、物理吸着 (吸着剤の電荷ゼロ点の増加) と化学吸着 (化学物質の存在を示す Ce(IV) の存在による) の両方に対してキトサンの特性が大幅に強化されました。リン酸(V)アニオンに対する親和性)。精巧に作られ、実験的に検証された非常に効果的な吸着剤は、水系からリン酸塩(V)を取り込むのにうまく適用できます。 Ce-CTS 吸着剤は吸着プロセスの条件下で安定しており、吸着剤の構造の変化や無機充填物の浸出は観察されませんでした。

リンは生物学的にも産業的にも非常に重要な元素です。動植物の適切な成長と発育に必要な元素の一つです。さらに、ミネラル肥料や飼料の製造にも一般的に使用されます。それは生物の生命と適切な機能に不可欠な元素ですが、過剰に摂取すると、自然環境の重大な悪化に悪影響を与える可能性があります。産業廃棄物や廃水、農地から地表水や地下水への溶出物の排出は、生物圏における局所的な窒素とリンの過剰の原因となる多くの環境問題を引き起こします。地表水の過剰な局所栄養分濃度の特徴的かつ最も目に見える結果は、富栄養化現象、すなわち、水生植物の過度かつ急速な発達の過程で、水中の自然な生物バランスが破壊され、その結果、体系的な劣化が引き起こされることである。天然に存在する固体リン化合物の溶解度は比較的低いため、その生物地球化学的サイクルは他の元素の典型的なサイクルとは異なります。リンは、主に水圏と地圏の間の自然環境を循環し、そこで溶解と沈殿に関連する一連の化学変化と相変化に関与します1,2。

リン濃度が 0.1 mg/dm3 より高い水は、富栄養化の影響を受けやすいと分類されます 3。しかし、都市化地域にある貯水池のリン濃度は 0.2 mg/dm34 を大きく超えています。これは、都市下水中の全リンの平均濃度である 6.0 mg/dm3 5 と密接に関係しています。溶解した状態のリンは、懸濁固体やコロイドとして、オルトリン酸塩、ピロリン酸塩、有機結合リンの形で水系に存在します。総リン濃度は、これら 3 つのリン形態の含有量の合計で表されます。最大のグループはリン酸塩（オルトリン酸塩）で表されます。これらは主に、環境の pH に応じて異なるイオン形態として識別できます。 pH 6 未満では H2PO4- イオンが優勢であり、pH 6 を超える場合は主に HPO42- イオンが存在し、pH 9 より高い場合は PO43- イオンが優勢です。水および廃水中の最も一般的なポリリン酸塩はピロリン酸塩、トリポリリン酸塩、およびメタリン酸塩であるのに対し、最も一般的な有機リン酸塩はリン脂質、ホスホルアミド、ヌクレオチドおよび糖リン酸塩です6。

1 indicate unfavourable conditions for the potential adsorption process. In the discussed case, the calculated value of the RL parameter = 0.0259 < 1 (for the highest experimentally tested initial concentration of adsorbate in the solution—500 mg/dm3), which can be interpreted as theoretically confirmed and observed, practically favourable conditions for adsorption phenomena in the analysed system. It can be assumed, that the presence of cerium dioxide has a certain effect on the formation of the structure of the chitosan network and its intrinsic morphology, influencing the formation of the beneficial structure of the adsorption surface. Neither clusters nor agglomerates of cerium(IV) or phosphate(V) compounds present on the postprocessed adsorbent were observed in the SEM images. However, this indicates that these are uniformly distributed throughout the hydrogel volume, affecting this way the homogeneity of the structure of the adsorption surface (Fig. 3A–C). The RL value, which is relatively close to zero, also indicates a process-favourable irreversibility of adsorption phenomena under the analysed process conditions./p> 1, and the irreversibility of the process in the case of 1/n = 1. The obtained value 1/n = 0.261 confirms the technologically favourable tested system with regard to the new adsorbent structure and the aqueous solution of phosphates(V). In particular, a more accurate analysis taking directly into account the value of n indicates, that for n = 2–10 good adsorption conditions are observed, for n = 1–2 moderately difficult, while n below 1 indicates low adsorption possibilities. For the analysed case the value of n = 3.826 confirms good physicochemical conditions in the system for the course of the adsorption process. Favourable physicochemical conditions are especially related to the amorphous structure of the hydrogel mentioned above, confirmed by XRD analysis results (Fig. S2) and the incorporation of the CeO2 phase into this amorphous structure, which is characterized by a very well-developed specific surface and active centres focused on anions adsorption, due to positive charge of the surface in the expected pH range. Thus, a technologically convenient composite system was obtained, represented by the support (hydrogel), which enables the beneficial and stable development of the active surface represented by the adsorption-active CeO2 crystalline phase, actively counteracting the potential adverse phenomena of its aggregation or agglomeration–which could lead to an unfavourable decrease in the area of interfacial contact with the purified aqueous solution of phosphates(V)./p> 1. The following values of the isotherm model (Eq. (12)) parameters were calculated for the analysed system using non-linear regression: qH = 52.666 (mg/g)(dm3/mg)nH, nH = 0.511, KH = 6.783 (mg/dm3)nH (R2 = 0.981). The value of nH = 0.511 < 1, corresponding to the analysed equilibrium experimental data, indicates thus that adsorption in the studied case is a non-cooperative process./p>

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