From Chemistry Towards Technology Step-By-Step From Chemistry Towards Technology Step-By-Step От химии к технологии шаг за шагом 2782-1900 80945 10.52957/2782-1900-2024-5-1-48-57 Научные статьи Scientific articles Научные статьи Cu (II) and Fe (II) ion sorption by cotton cellulose modified with diethylenetriamine Сорбция ионов Cu(II) и Fe(II) хлопковой целлюлозой, модифицированной диэтилентриамином Никифорова Татьяна Евгеньевна Nokoforova Tatyana Evgenjevna tatianaenik@mail.ru

доктор химических наук;

doctor of chemical sciences;

 Вокурова Дарья Андреевна Vokurova Daria Andreevna fresh-limon@mail.ru Ивановский государственный химико-технологический университет Ivanovo State University of Chemistry and Technology 23 03 2024 23 03 2024 5 1 48 57 30 01 2024 12 02 2024 https://chemintech.ru/en/nauka/article/80945/view

Разработан новый эффективный сорбент на основе хлопковой целлюлозы в результате ее химического модифицирования. Процесс модифицирования состоит из двух стадий, включающих последовательную обработку целлюлозы эпихлоргидрином и диэтилентриамином. Для полученного сорбента приведены оптимальные условия модифицирования, позволяющие достичь наиболее высоких значений сорбционной емкости при извлечении ионов железа(II) и меди(II) из водных растворов. Были исследованы кинетика и равновесие сорбции ионов тяжелых металлов в системе «целлюлозный сорбент – водный раствор сульфата металла» для исходной и модифицированной хлопковой целлюлозы. Обработка результатов кинетического эксперимента свидетельствует, что наиболее корректно кинетика сорбции ионов металлов описывается в рамках модели кинетики псевдо-второго порядка. Изотермы сорбции ионов тяжелых металлов наглядно свидетельствуют о росте сорбционной емкости модифицированного сорбента по сравнению с исходным. Обработка экспериментальных изотерм в рамках модели Ленгмюра позволила определить величины максимальной сорбционной емкости (А∞) исходной хлопковой целлюлозы и целлюлозы, модифицированной диэтилентриамином, по отношению к ионам Cu(II) и Fe(II). Было обнаружено, что А∞ модифицированного сорбента примерно в 3 раза превышает предельную сорбционную емкость нативной хлопковой целлюлозы по отношению к ионам железа(II) и меди(II). Сравнение ИК-спектров образцов исходной целлюлозы и целлюлозы, обработанной диэтилентриамином, свидетельствует о произошедших в ходе химического модифицирования изменениях. Представлены СЭМ изображения, отражающие изменения структуры поверхности модифицированного сорбента по сравнению с исходным.

The authors have developed new effective sorbent based on chemically modified cotton cellulose. The modification process consists of two stages, including sequential treatment of cellulose with epichlorohydrin and diethylene triamine. The authors present the optimal modification conditions for the obtained sorbent. It allows ones’ to achieve the highest values of sorption capacity for the extraction of iron(II) and copper(II) ions from aqueous solutions. The authors investigated the kinetics and equilibrium of heavy metal ion sorption in the system "cellulose sorbent - aqueous solution of metal sulphate" for original and modified cotton cellulose. Processing of the kinetic experiment results indicates that the kinetics of metal ion sorption is described most correctly in the framework of the pseudo-second-order kinetics model. Isotherms of heavy metal ions sorption clearly indicate the growth of sorption capacity for the modified sorbent in comparison with the original one. Processing of experimental isotherms within the Langmuir model made it possible to determine the values of the maximum sorption capacity (A∞) of original and modified with diethylenetriamine cotton cellulose with respect to Cu(II) and FE(II) ions. It was found that the A∞ of the modified sorbent was about 3 times higher than the ultimate sorption capacity of original cotton cellulose towards iron(II) and Cu(II) IONS. Comparison of IR spectra of the original cellulose samples and cellulose treated with diethylenetriamine indicates the changes that occurred during chemical modification. The paper presents SEM images showing the changes in the surface structure of the modified sorbent compared to the original one.

 хлопковая целлюлоза модифицирование диэтилентриамин сорбция ионы Cu(II) и Fe(II) cotton cellulose modification diethylene triamine sorption ions Cu(II) and Fe(II)

Syeda H.I., Yap P.-S. A review on three-dimensional cellulose-based aerogels for the removal of heavy metals from water // Science of the Total Environment. 2022. Vol. 807. 150606. URL: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150606 Syeda, H.I. & Yap, P.-S. (2022) A review on three-dimensional cellulose-based aerogels for the removal of heavy metals from water, Science of the Total Environment, 807, 150606 [online]. Available at: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150606 Aldaz B., Figueroa F., Bravo I. Cellulose for the effective decontamination of water pollution // Rev. Bionatura. 2020. Vol. 5. Р. 1150-1155. URL: https://doi.org/10.21931/RB/2020.05.02.13 Aldaz, B., Figueroa, F. & Bravo, I. (2020) Cellulose for the effective decontamination of water pollution, Rev. Bionatura, 5, pp. 1150–1155 [online]. Available at: https://doi.org/10.21931/RB/2020.05.02.13 Yadav S., Yadav A., Bagotia N., Sharma A.K., Kumar S. Adsorptive potential of modified plant-based adsorbents for sequestration of dyes and heavy metals from wastewater // A review Journal of Water Process Engineering. 2021. Vol. 42. 102148. URL: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102148 Yadav, S., Yadav, A., Bagotia, N. & Sharma, A.K., Kumar, S. (2021) Adsorptive potential of modified plant-based adsor-bents for sequestration of dyes and heavy metals from wastewater, A review Journal of Water Process Engineering, 42, 102148 [online]. Available at: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102148 Mahurpawar, M. Effects of heavy metals on human health // Ann. Trop. Med. Public Heal. 2020. Vol. 23. URL: https://doi.org/10.36295/asro.2020.231125 Mahurpawar, M. (2020) Effects of heavy metals on human health, Ann. Trop. Med. Public Heal., 23 [online]. Available at: https://doi.org/10.36295/asro.2020.231125 Humelnicu D., Lazar M.M., Ignat M., Dinu I.A., Dragan E.S., Dinu M.V. Removal of heavy metal ions from multi-component aqueous solutions by eco-friendly and low-cost composite sorbents with anisotropic pores // J. Haz. Mat. 2020. Vol. 381. 120980. URL: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.120980 Humelnicu, D., Lazar, M.M., Ignat, M., Dinu, I.A., Dragan, E.S. & Dinu, M.V. (2020) Removal of heavy metal ions from multi-component aqueous solutions by eco-friendly and low-cost composite sorbents with anisotropic pores, J. Haz. Mat., 381, 120980 [online]. Available at: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.120980 Beni A.-A., Esmaeili A. Biosorption, an efficient method for removing heavy metals from industrial effluents: A Review // Environmental Technology & Innovation. 2020. Vol. 17. 100503. URL: https://doi.org/10.1016/j.eti.2019.100503 Beni, A.-A. & Esmaeili, A. (2020) Biosorption, an efficient method for removing heavy metals from industrial effluents: A Review, Environmental Technology & Innovation, 17, 100503 [online]. Available at: https://doi.org/10.1016/j.eti.2019.100503 Aslam A.A., Hassan S.U., Saeed M.H., Kokab O., Ali Z., Nazir M.S., Siddiqi W., Aslam A.A. Cellulose-based adsorbent materials for water remediation: Harnessing their potential in heavy metals and dyes removal // Journal of Cleaner Production. 2023. Vol. 421. 138555. URL: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138555 Aslam, A.A., Hassan, S.U., Saeed, M.H., Kokab, O., Ali, Z., Nazir, M.S., Siddiqi, W. & Aslam, A.A. (2023) Cellulose-based adsorbent materials for water remediation: Harnessing their potential in heavy metals and dyes removal, Journal of Cleaner Production, 421, 138555 [online]. Available at: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138555 Прокофьев В.Ю., Гордина Н.Е. Исследование стадий термической обработки гидротермальной кристаллизации при получении гранулированного цеолита NAА из механоактивированного метакаолина // Журнал прикладной химии. 2013. Т. 86, № 3. С. 360-366. Prokof'ev, V.Yu. & Gordina, N.E. (2013) A study of thermal treatment and hydrothermal crystallization stages in production of granulated zeolite from mechanically activated metakaolin, Zhurnal Prikladnoj Khimii, 86(3), pp. 332–338. DOI: 10.1134/S1070427213030075 (in Russian). Прокофьев В.Ю., Гордина Н.Е., Жидкова А.Б. Синтез гранулированных цеолитов со структурой NAА из каолина // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2011. Т. 54, вып. 12. С. 77-80. Prokof'ev, V.Yu., Gordina, N.E. & Zhidkova, A.B. 2011.Sintez granulirovannyh ceolitov so strukturoj NAA iz kaolina, Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Seriya: Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya, 54(12), pp. 77–80 (in Russian). Burakov, A.E., Galunin, E.V., Burakova, I.V., Kucherova, A.E., Agarwal, S., Tkachev, A.G., Gupta, V.K. Adsorption of heavy metals on conventional and nanostructured materials for wastewater treatment purposes: a review // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2018. Vol. 148. Р. 702-712. URL: https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.11.034 Burakov, A.E., Galunin, E.V., Burakova, I.V., Kucherova, A.E., Agarwal, S., Tkachev, A.G. & Gupta, V.K. (2018) Adsorption of heavy metals on conventional and nanostructured materials for wastewater treatment purposes: a review? Ecotoxicol. Environ. Saf., 148, pp. 702–712 [online]. Available at: https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.11.034 Nazaripour M., Reshadi M.A.M., Mirbagheri S.A., Nazaripour M., Bazargan A. Research trends of heavy metal removal from aqueous environments // Journal of Environmental Management. 2021. Vol. 287. 112322. URL: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112322 Nazaripour, M., Reshadi, M.A.M., Mirbagheri, S.A., Nazaripour, M. & Bazargan, A. (2021) Research trends of heavy metal removal from aqueous environments, Journal of Environmental Management, 287, 112322 [online]. Available at: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112322 Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Родионова М.В., Модина Е.А. Сорбция ионов цинка продуктами, содержащими целлюлозную и белковую составляющие // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52, вып. 3. С. 27-31. Nikiforova, T.E., Kozlov, V.A., Rodionova, M.V. & Modina, Ye.A. (2009) Sorption of zinc ions by products containing cellulose and protein components, Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Seriya: khimiya i khimicheskaya tekhnologiya, 52(3), pp. 27–31 (in Russian). Dey P., Mahapatra B.S., Juyal V.K., Pramanick B., Negi M.S., Paul J., Singh S.P. Flax processing waste – A low-cost, potential biosorbent for treatment of heavy metal, dye and organic matter contaminated industrial wastewater // Industrial Crops & Products. 2021. Vol. 174. 114195. URL: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.114195 Dey, P., Mahapatra, B.S., Juyal, V.K., Pramanick, B., Negi, M.S., Paul, J. & Singh, S.P. (2021) Flax processing waste – A low-cost, potential biosorbent for treatment of heavy metal, dye and organic matter contaminated industrial wastewater, Industrial Crops & Products, 174, 114195 [online]. Available at: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.114195 Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Вокурова Д.А. Сорбция ионов меди (II) в гетерофазной системе «водный раствор – модифицированная целлюлоза» // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66, вып. 12. С. 91-100. DOI: 10.6060/ivkkt.20236612.6814. Nikiforova, T.E., Kozlov, V.A &, Vokurova, D.A. (2023) Sorption of copper(II) ions in a heterophase system "aqueous solution - modified cellulose", Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Seriya: khimiya i khimicheskaya tekhnologiya, 66(12), pp. 91–100. DOI: 10.6060/ivkkt.20236612.6814 (in Russian). Nikiforova, T.E. Kozlov V.A., Loginova V.A. Peculiarities of the adsorption of heavy-metal ions from aqueous media by modified cellulose // Adsorption Science & Technology. 2014. Vol. 32, no. 5. Р. 389-402. Nikiforova, T.E. Kozlov V.A. & Loginova V.A. (2014) Peculiarities of the adsorption of heavy-metal ions from aqueous media by modified cellulose, Adsorption Science & Technology, 32(5), pp. 389–402. Никифорова Т.Е., Вокурова Д.А., Софронов А.Р. Извлечение ионов меди сорбентом на основе льняного волокна, модифицированного L-аргинином // От химии к технологии шаг за шагом. 2022. Т. 3, вып. 3. С. 17-26. DOI: 10.52957/27821900_2022_03_17. URL: http://chemintech.ru/index.php/tor/2022tom3no3 Nikiforova, T.E., Vokurova, D.A. & Sofronov, A.R. (2022) Extraction of copper ions by a sorbent based on flax fiber modified with L-arginine, From Chemistry Towards Technology Step-By-Step, 3(3), pp. 78–86. DOI: 10.52957/27821900_2022_03_78 [online]. Available at: http://chemintech.ru/index.php/tor/2022tom3no3 (in Russian). Anantha R.K., Kota S. Bio-composites for the sorption of copper from aqueous solution: A comparative study // Groundwater for Sustainable Development. 2018. Vol. 7. Р. 265–276. URL: https://doi.org/10.1016/j.gsd.2018.06.007 Anantha, R.K. & Kota, S. (2018) Bio-composites for the sorption of copper from aqueous solution: A comparative study, Groundwater for Sustainable Development, 7, pp. 265–276 [online]. Available at: https://doi.org/10.1016/j.gsd.2018.06.007 Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Сионихина А.Н. Особенности сорбции ионов меди (II) модифицированным кератином шерсти // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2019. Т. 55, № 5. С. 496-506. Nikiforova, T.E., Kozlov, V.A. & Sionikhina, A.N. (2019) Peculiarities of Sorption of Copper(II) Ions by Modified Wool Keratin, Fizikohimiya poverhnosti i zashchity materialov, 55(5), pp. 849–857 [online]. Available at: https://doi.org/10.1134/S2070205119050186 (in Russian). Кокотов Ю.А., Пасечник В.А. Равновесие и кинетика ионного обмена. Л.: Химия, 1970. 336 с. Kokotov, Yu.A. & Pasechnik, V.A. (1970) Equilibrium and kinetics of ion exchange. L.: Khimiya (in Russian). Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. М.: Высшая школа, 1985. 327 с. Ahnazarova, S.L. & Kafarov, V.V. (1985) Methods of Optimizing Experiments in Chemical Technology. Moscow: Vysshaya shkola (in Russian).