научная статья по теме ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ НАНОПОРОШКОВ МАГНЕТИТА ПОСЛЕ СОРБЦИИ ШЕСТИВАЛЕНТНОГО ХРОМА ИЗ ВОДНОГО РАСТВОРА Химия

Текст научной статьи на тему «ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ НАНОПОРОШКОВ МАГНЕТИТА ПОСЛЕ СОРБЦИИ ШЕСТИВАЛЕНТНОГО ХРОМА ИЗ ВОДНОГО РАСТВОРА»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 2, с. 180-183

УДК 543.552:544.7

ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ НАНОПОРОШКОВ МАГНЕТИТА ПОСЛЕ СОРБЦИИ ШЕСТИВАЛЕНТНОГО ХРОМА

ИЗ ВОДНОГО РАСТВОРА

© 2015 г. Л. Ю. Булдакова, О. Д. Линников, И. В. Родина, М. Ю. Янченко

Институт химии твердого тела УрО Российской академии наук, Екатеринбург

e-mail: linnikov@mail.ru Поступила в редакцию 19.02.2014 г.

Методом вольтамперометрии изучены нанопорошки магнетита (Fe3O4) до и после сорбции на них шестивалентного хрома из водного раствора. Показано, что при взаимодействии находящегося в растворе Cr(VI) с осадком магнетита на его поверхности протекает окислительно-восстановительная реакция: окисление Fe(II) до Fe(III) и восстановление Cr(VI) до Cr(III).

DOI: 10.7868/S0002337X15010030

ВВЕДЕНИЕ

Очистка природных и сточных вод от ионов шестивалентного хрома представляет собой важную экологическую задачу ввиду чрезвычайно высокой токсичности последнего. Одним из очень перспективных способов решения этой задачи является сорбционный метод. Главное достоинство этого способа очистки заключается в том, что он практически не вносит в очищаемый раствор новых посторонних веществ и ионов и поэтому не увеличивает его солесодержание и не меняет химический состав по основным компонентам. Это позволяет использовать данный метод для регенерации ряда технологических растворов (например, в гальванике), а также для переработки и очистки сточных и загрязненных природных вод с целью их последующего использования в коммунальном хозяйстве.

Нами были проведены исследования по изучению возможности применения порошков нано-размерного (16—54 нм) магнетита (Ре304), синтезированных тремя разными способами: методом газофазного синтеза, методом химического осаждения из водных растворов и методом лазерного распыления, в качестве сорбентов для удаления хрома(У1) из водных растворов [1, 2]. Было изучено влияние размера и структуры наночастиц магнетита, а также температуры проведения процесса на эффективность удаления хрома(У1) из водного раствора, моделирующего грунтовые и сточные воды (400 мг/л №2804 + 50 мг/л Сг(У1) в виде К2Сг04). Результаты этих исследований свидетельствуют о том, что магнетит является эффективным сорбентом для удаления токсичного хрома(У1) из сточных и загрязненных природных

вод. Причем процесс сорбции шестивалентного хрома магнетитом носит необратимый и хемо-сорбционный характер, в частности, даже небольшое повышение температуры при проведении процесса сорбции резко увеличивает его эффективность [1, 2]. Можно предположить, что хемосорбционный характер взаимодействия магнетита с ионами хрома(У1) в водном растворе обусловлен протеканием на поверхности магнетита окислительно-восстановительного процесса, в результате которого хром(У1) восстанавливается до трехвалентного состояния и, возможно, даже замещает ионы железа в решетке магнетита. При этом в качестве восстановителя выступают ионы двухвалентного железа, входящие в состав магнетита, которые в свою очередь окисляются до трехвалентного состояния.

Целью настоящей работы было проверить данное предположение. Для этого был использован метод вольтамперометрии, с помощью которого были изучены нанопорошки магнетита до и после сорбции на них Сг(У1).

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для исследования использовали порошок на-норазмерного (53 нм) магнетита, синтезированный методом химического осаждения из водного раствора при повышенной температуре (термогидролиз). Суть этого метода заключается в осаждении гидроксида железа(11) из водного раствора Бе804 при рН 10—12 с последующей аэрацией и нагревом суспензии до температуры 60—90°С [3]. Методика проведения сорбционных экспери-

ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ НАНОПОРОШКОВ МАГНЕТИТА 181

I, мкА

1000 г

900 -

800 -

700 -600 500

400 -

300 -

200 -100

0

♦ Фон Д Fe2O3 OCr(OH)3

-0.8 E, B

Рис. 1. Вольтамперограммы оксида железа (III) и гидроксида хрома (III).

I, мкА

90

80 70 60 50 40 30 20 10

Фон

; ) Fe3O4 + Cr(OH)3

о о

о о

о о

0.6 -0.8 E, B

1.0

1.2

1.4

Рис. 2. Вольтамперограмма механической смеси магнетита и гидроксида хрома(Ш).

ментов и свойства синтезированного нанопо-рошка магнетита описаны в [1, 2].

Вольтамперометрические исследования проводили на полярографе ПУ-1. Скорость изменения потенциалов составляла 30 мВ/с. Индикаторным электродом служил угольно-пастовый электроактивный электрод (УПЭЭ) [4], активная

часть которого состояла из смеси изучаемого вещества (например, порошка магнетита или гидроксида трехвалентного хрома), спектрально чистого графита и связующего — вазелинового масла, взятых в соотношении 1 : 9 : 3 по массе соответственно. Площадь видимой поверхности УПЭЭ была равна 0.031 см2. В качестве электрода сравнения и вспомо-

0

182

БУЛДАКОВА и др.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Сг, мас. %

Рис. 3. Зависимость тока поляризационной кривой при потенциале Е = —1.05 В от концентрации трехвалентного хрома в механической смеси Бе304 + + Сг(0Н)3.

гательного электрода использовали насыщенные хлорсеребряные электроды ЭВЛ-1М3. Фоновым электролитом служил 0.05 М раствор №2804.

Вольтамперограммы регистрировали в двух режимах поляризации УПЭЭ: 1) при изучении восстановительных процессов задавали катодную поляризацию электрода от +0.4 до —1.2 В и 2) при изучении окислительных процессов задавали анодную поляризацию от —1.2 до +0.4 В. Отнесение потенциалов токов восстановления и окисления исследуемых образцов проводили согласно вольтамперограммам индивидуальных соединений: Бе203 и Сг(0Н)3.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Порошки индивидуальных соединений Fe2O3 и

Типичные вольтамперограммы индивидуальных соединений представлены на рис. 1. Как видно, на катодной вольтамперограмме Бе203 имеются две волны, одна из которых соответствует процессу восстановления железа(Ш) до железа(11) при потенциале Е = —0.4 В, а вторая — восстановлению железа(11) до железа (0) при Е = —0.85 В. Восстановление же Сг(0Н)3 протекает при потенциале Е = —1.2 В.

В отличие от индивидуальных соединений на вольтамперограммах механических смесей магнетита, Ре203 и Сг(0Н)3 в дополнение к волнам восстановления железа(Ш) и железа(11) при Е = = —0.4 В и Е = —0.85 В была обнаружена хорошо выраженная волна Е = —1.05 В (рис. 2). Высота

этой волны прямо пропорциональна концентрации хрома (III) в образце (рис. 3). Поэтому эту волну можно отнести к восстановлению хрома (III) в присутствии двух- и трехвалентного железа. При сравнении с вольтамперограммой индивидуальных соединений (рис. 1) можно заметить, что в смеси с магнетитом потенциал восстановления хрома (VI) сдвинулся с Е = = —1.2 В до Е = —1.05 В. Подобный эффект сдвига потенциала восстановления одного (более электроотрицательного) элемента смеси в присутствии другого (более электроположительного) описан в литературе [4, 5].

Еще одна волна зафиксирована при Е = —1.6 В (на рис. 2 не показана). Высота этой волны (примерно 1700 мкА) была также пропорциональна содержанию хрома(Ш) в образце и она, по-видимому, является каталитической волной восстановления водорода. В некоторых образцах эта волна сливалась с волной выделения водорода.

Порошки магнетита до и после сорбции на них хрома(У!). Все изученные образцы магнетита до сорбции на них Сг(У0 были электроактивны, на их вольтамперограммах наблюдался пик восстановления железа(Ш) до железа(П) при потенциале Е = —0.4 В и пик восстановления в области Е = —0.85 В, соответствующий процессу восстановления железа(П) до железа(0) (см. рис. 1 и 4).

Исследование магнетита после сорбции на нем хрома (VI) показало, что значения потенциалов волн всех форм железа после сорбции хрома (VI) не изменились и совпали с потенциалами форм железа исходного магнетита (рис. 4). Однако величины соответствующих токов уменьшились. Причем уменьшение величины тока волны железа (II) при Е = —0.85 В было пропорционально количеству хрома (VI), осажденного на образце. Кроме того, после сорбции Сг(У0 на вольтампе-рометрической кривой появился дополнительный пик при Е = —1.0 В. Его можно отнести к переходу Сг(Ш) в Сг(П). Из сравнения с вольтампе-рограммами индивидуальных соединений (рис. 1) и их механических смесей (рис. 2) видно, что в данном случае произошло дальнейшее уменьшение потенциала восстановления хрома (III). Высота этого пика пропорциональна количеству поглощенного из раствора Сг(У!). Все это однозначно указывает на присутствие Сг(Ш) на поверхности магнетита после сорбции на нем Сг(У0 из водного раствора и на снижение содержания ионов Бе(Н) в поверхностном слое магнетита.

ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ НАНОПОРОШКОВ МАГНЕТИТА 183

I, мкА

E, B

Рис. 4. Вольтамперограммы магнетита до (исходный Fe3O4) и после сорбции на нем хрома(УГ) (Fe3O4 + Сг).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что при взаимодействии находящегося в растворе Сг(У1) с осадком магнетита на поверхности последнего протекает окислительно-восстановительная реакция: окисление БеЩ) до Ре(Ш) и восстановление Сг(У1) до Сг(Ш). При этом Сг(Ш) осаждается на поверхности магнетита, возможно, с образованием смешанного феррита. Все это хорошо согласуется с ранее проведенными РФЭС-исследованиями поверхности нанопо-рошков магнетита до и после сорбции на них хро-ма(У1) из водного раствора [6] и совпадает с данными работы [7], где тоже обнаружено, что при сорбции магнетитом хрома(У1) последний восстанавливается до трехвалентного состояния и, возможно, замещает Ре(Ш) в решетке магнетита.

Работа выполнена в рамках проектов УрО РАН "Разработка новых сорбентов на основе нанокри-сталлических ферромагнетиков для очистки природных и сточных вод от ионов тяжелых металлов" и "Разработка физико-химических основ технологии очистки сточных и загрязненных природных вод от ионов тяжелых металлов (Сг, Си, N1) наноразмерным магнетитом".

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Линников О.Д., Родина И.В., Шевченко В.Г., Ермаков А.Е., Медведева И.В., Мысик А.А., Уймин М.А., Щеголева Н.Н., Платонов В.В., Осипов В.В. Сорбция шестивалентного хрома из водного раствора наноразмерным магнетитом // Вода: химия и экология. 2011. № 4. С. 68-75.

2. Linnikov O., Rodina

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком