Сравнительное исследование адсорбционных свойств оксида кремния при удалении органических загрязнителей и тяжелых металлов
DOI:
https://doi.org/10.18321/cpc24(2)211-221Ключевые слова:
оксид кремния, адсорбция, ионы меди, ароматические углеводороды, селективность, пористая структураАннотация
Удаление смешанных загрязнений (ионы тяжелых металлов и ароматические углеводороды) из водных систем требует разработки эффективных и селективных адсорбентов. В настоящей работе проведено сравнительное исследование адсорбционных свойств оксида кремния различной степени чистоты (80% и 100%) в отношении ионов Cu2+ и ароматических углеводородов (бензол, этилбензол, м, п-ксилолы). Исследована кинетика адсорбции, пористая структура материалов охарактеризована методом низкотемпературной адсорбции-десорбции азота. Результаты выявили парадоксальное превосходство технического оксида кремния (80%) над высокочистым образцом (100%) при адсорбции ионов меди, максимальная степень сорбции составила 36,90% против 32,37%, время достижения равновесия – 10 мин против 30 мин. Для ароматических углеводородов наблюдается обратная тенденция: высокочистый SiO2 проявляет высокую селективность к адсорбции бензола, степень удаления возрастает от 17до 79% за 40 мин с одновременной десорбцией более объемных молекул. Анализ пористой структуры выявил снижение объема микропор в 4,75 раза и кардинальное перераспределение мезопор при очистке, исчезновение пика при 5-10 нм и появление нового максимума при 40-60 нм. Кинетика адсорбции бензола на техническом SiO2 описывается моделью псевдо-второго порядка (R2 = 0,992), что указывает на хемосорбционный механизм. Установлена взаимосвязь между архитектурой пор и селективностью адсорбции: технический SiO2 с развитой микропористостью и узким распределением мезопор (5-10 нм) эффективен для быстрого удаления ионов металлов, высокочистый SiO2 с полимодальным распределением мезопор (20-100 нм) обеспечивает молекулярно-ситовую селективность для органических соединений. Полученные результаты позволяют оптимизировать выбор адсорбента в зависимости от типа загрязнителя и открывают возможности для экономически эффективного дизайна адсорбционных материалов без дополнительной очистки исходного сырья.
Библиографические ссылки
(1) M. Khan, М. Shafi, J. Ahmed, I.A. Ahmed, A. Zada, et al. Mechanistic breakthroughs in affordable adsorbents for heavy metal remediation: An in-depth exploration of next-generation sustainable water purification technologies. Journal of Hazardous Materials Advances 19 (2025). 100847. Crossref
(2) H. Perroud, J. Miraux, M. Lions, T. Caillot, C. Ferronato, et al. Combustion of volatile organic compounds in a domestic microwave oven using regenerable sorbent-catalyst combinations. Separation and Purification Technology 330 (2024) 125387. Crossref
(3) M. Gheibi, S. Masoomi, M. Eftekhari, et al. Heavy metals adsorption using CDW adsorbents: A sustainable path for water purification. Journal of Hazardous Materials Advances 20 (2025) 100883. Crossref
(4) M. Behpour, M. Shadi, S. Nojavan. Preparation of an efficient magnetic nano-sorbent based on modified cellulose and carboxylated carbon nano-tubes for extraction of pesticides from food and agricultural water samples before GC-FID analysis. Food Chemistry 407 (2023) 135067. Crossref
(5) G. Pandey, N. Rajput, U. Sharma, M.S. Chauhan, N.P. Lamba. Remediation of environmental issues using graphene based materials for water purification: Synthesis, kinetics, and factors effecting the removal of heavy metal ions. Next Materials 8 (2025) 100765. Crossref
(6) M. Yuan, L. Yang, Z. Wang, J. Du, S. Shang, et al. Dual-functional GO composite aerogels for water purification and desalination via heavy metal adsorption and solar evaporation. Desalination 613 (2025) 119113. Crossref
(7) M. Shilpa, K.S. Harisha, S. Thripthi, M.A. Arpitha, Y. Sangappa. Eco-friendly magnetic silk fibroin films for heavy metal adsorption in water purification. Next Materials 9 (2025) 101062. Crossref
(8) A. Adylkanova, M. Kunarbekova, A. Uali. A hydrophobic PMS-biochar-coated sponge sorbent for pre-purification of heavily oil-polluted waters. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 720 (2025) 137154. Crossref
(9) C.T.G. Hua, L.D. Ngiyen, N.K. Bo, P.H. Tran. Saccharine-based ionic liquid functionalized silica gel as an efficient sorbent for heavy metal ion extraction. Journal of Molecular Liquids 439 (2025) 128881. Crossref
(10) K. Al-Ghamdi, A.A. Suhaimi, K.A. Mohaimadi, Y.T.H. Mehdar, S.K. Alharbi, et al. Applications of Lactobacillus bulgaricus (Lactic Acid Bacteria) as dispersive solid phase sorbent for sample preparation of heavy metals from aqueous samples. Green Analytical Chemistry 15 (2025) 100308. Crossref
(11) J. Sulejmanović, M. Memić, E. Šehović, R. Omanović, S. Begić, et al. Synthesis of green nano sorbents for simultaneous preconcentration and recovery of heavy metals from water. Chemosphere 296 (2022) 133971. Crossref
(12) M.K. Hussain, S.K. Hatoon, G. Nizami, U.K. Fatma, M. Ali, et al. Unleashing the power of bio-adsorbents: efficient heavy metal removal for sustainable water purification. Journal of Water Process Engineering 64 (2024) 105705. Crossref
(13) M.F. Irfan, T. Siddique, A. Ullah. Utilizing surface modified poultry feathers for senary multi-metal water purification: kinetic and thermodynamic behavior of heavy metal-laden biosorbent. RSC advances 15 (2025) 25450-25472. Crossref
(14) K. Rashitova, S. Gerasimov, N. Bobrysheva, Q. Wang, B. Noskov, et al. Multifunctional sorbent and photocatalyst material for complex water remediation based on Cu/Cr doped Mg-Al LDHs. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 728 (2025) 138745. Crossref
(15) M. Zarabadipour, M. Soleimani, M.G. Afshar. Application of functionalized Fe3O4@ SiO2 nanoparticles as an adsorbent for heavy metal removal. Results in Chemistry 17 (2025) 102514. Crossref
(16) D. Pilnaj, P. Kuráň, M. Št’astný, V. Pilařová, P. Janoš, et al. C18-functionalized Fe3O4/SiO2 magnetic nano-sorbent for PAHs removal from water. Environmental Technology & Innovation 24 (2021) 101905. Crossref
(17) A. Esrafili, S. Bagheri, M. Kermani, M. Gholami, M. Moslemzadeh, et al. Simultaneous adsorption of heavy metal ions (Cu2+ and Cd2+) from aqueous solutions by magnetic silica nanoparticles (Fe3O4@SiO2) modified using edta. Desalination and Water Treatment 158 (2019) 207-215. Crossref
(18) Y. Harinath, D.H.K. Reddy, L.S. Sharma, K. Seshaiah, et al. Development of hyperbranched polymer encapsulated magnetic adsorbent (Fe3O4@SiO2–NH2-PAA) and its application for decontamination of heavy metal ions. Journal of Environmental Chemical Engineering 5 (2017) 4994-5001. Crossref
(19) N. Zouli. Synthesis of high-ordered mesoporous aluminosilica monoliths using triblock copolymer and application in the water purification. Ain Shams Engineering Journal 15 (2024) 103011. Crossref
(20) M. Faizan, M.Y. Naz, S.A. Shah, I. Shakir, M. Khaliq, et al. Mesoporous magnetic MnFe2O4@SiO2-chitosan nanocomposite for efficient adsorptive removal of Zn (II) and Cd (II) ions from aqueous media. Desalination and Water Treatment 324 (2025) 101488. Crossref
(21) M.K. Perumal, D. Gandhi, R.R. Renuka, A. Lakshminarayanan, N. Thiyagarajulu, et al. Advanced nano-based adsorbents for purification of pharmaceutical residue polluted water: A critical review. Process Safety and Environmental Protection 186 (2024) 552-565. Crossref
(22) H.J. Kim, M.G. Mohamed, H.J. Yuet, S.H. Baek, I. Hossain, et.al. Silica-Based Gas Separation Membranes: Structure-Performance Relationships Across the Si-O Continuum from Polysilsesquioxanes to Amorphous SiO2. Journal of Membrane Science 740 (2025) 124907. Crossref
(23) S.M.E. Rahman, Md.A. Rahman, S. Vijayalakshmi, M. Paul, R. Chelliah, et al. Exploring agro-waste derived inorganic nanoparticles (Ag, ZnO, and SiO2) in the food industry: Green synthesis, characteristics, and applications -A comprehensive review. Science of The Total Environment 1008 (2025) 181009. Crossref
(24) C.G. Morales-Amaya, P.D. Astudillo-Sánchez, L. Reynoso-Cuevas, R. Herrera-Mendoza, S.A. Lozano-Morales. A short review of immobilized nanostructured systems for arsenic removal in water purification. Environmental Research. 285 (2025) 122319. Crossref
(25) D. Zhao, Y. Liu, C. Wu. Adsorption of Cr (VI) polluted water by Fe3O4@SiO2-APTMS nanocomposites prepared in the presence of ultrasonic irradiation for sustainable water resources utilization. Ultrasonics Sonochemistry 96 (2023) 106439. Crossref
(26) G. Ashokan, M.K. Tiwari, V. Racherla, B.K. Dubey. Clay for Clean Water: A Review on Low-Cost Ceramic Filters for Household Drinking Water Purification. Journal of Environmental Chemical Engineering 13 (2025) 119150. Crossref
(27) B. Sarma, R. Kumar, D.N. Gupta. Nitrogen plasma treated cotton fabrics coated with SiO2 followed by RGO deposition for water purification process. Chemical Physics Impact 8 (2024) 100612. Crossref
(28) Z-Y. Wang, L. Xu, C-H Liu, M-L. Fu, B. Yuan. The photothermal hydrogels based on dual-active centers for volatile organic compound simultaneous removal in efficient water purification production. Journal of Colloid and Interface Science 705 (2025) 139511. Crossref
(29) A. Ouchene, H. Khelili, M. Guellal, N. Zouaoui, A. Amraneand. Preparation and characterization of new adsorbents of pea and bean agricultural peels for water purification loaded with organic tryptophan compound. Desalination and Water Treatment 234 (2021) 206-221. Crossref
(30) R. Ni, W. Xu, C. Wang, Zh. Man, X. Cheng. The application of iron-manganese compounds towards micropollutants purification in water: A critical review. Chemical Engineering Journal 493 (2024) 152553. Crossref
(31) H. Tahir, A.H. Dar, K.K. Dash, T. Majeed, S. Srivastava, et al. Subcritical Water Extraction as a Green Technology for the Recovery of Bioactive Compounds from Algae: A Comprehensive Review. Food Physics 3 (2025) 100077. Crossref
(32) M. Rahbari-Sisakht, A.F. Ismail, P.S. Goh, M.S. Abdullah, Y. Raharjo. Two-dimensional nanomaterials in membrane-based water purification: Advances, challenges, and future perspective. Desalination 625 (2026) 119935. Crossref
(33) M. Hasanah, A. Manalu, D. Puspitasari, I. Zahar, R. Zhulyan, et al. Sustainable photocatalyst fabrication from Silau River-derived SiO2: PVA/TiO2/SiO2 for water purification. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering 11 (2025) 101059. Crossref
(34) X. Li, A. Janke, P. Formanek, A. Fery, M. Stamm, et al. One pot preparation of polysulfone-amino functionalized SiO2 nanoparticle ultrafiltration membranes for water purification. Journal of Environmental Chemical Engineering 6 (2018) 4598-4604. Crossref
(35) J. Liu, Q.-Y. Hu, M.-J. Chang, X. Li, Sh.-Sh. Cao. Water glass-based aerogel monolith prepared with formamide catalyst and SiO2 nanofiber reinforcement: Nanoarchitectonics and enhanced mechanical property. Journal of Solid State Chemistry 353 (2025) 125651. Crossref
(36) Y. Li, S.Yumin, D. Xiongfei, R. Tian, P. Zhang, et al. PVDF/Ag@ SiO2 nanofiber membranes with surface substructure for dye catalytic degradation and oil-water separation. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers 169 (2025) 105977. Crossref
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2026 Г.Е. Ергазиева, Л.К. Мылтыкбаева, І. Қуаныш, А.М. Асылхан, Ж.А. Назарбаева, Н.В. Идрисов, А. Баратов, Д. Есенкелдина, С. Капан
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Как цитировать
