Институт металлургии Уральского отделения РАН, Екатеринбург, Россия:

О. В. Мельчакова, старший научный сотрудник, лаб. аналитической химии
Н. В. Печищева, старший научный сотрудник, лаб. аналитической химии, эл. почта: pechischeva@gmail.com

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия:
А. Д. Коробицына, инженер, лаб. перспективных функциональных неорганических материалов

С целью улучшения сорбционных свойств проведена механоактивация (МА) диоксида титана модификации рутила в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице. Полученный материал охарактеризован методами рентгеновской дифракции и БЭТ, исследована его способность сорбировать галлий (III) и германий (IV) из водного раствора. Показано, что в процессе МА кристаллическая модификация диоксида титана не меняется, средние размеры кристаллитов рутила уменьшаются до 15 нм в течение 150 мин МА. Установлено, что МА рутила в сочетании с ультразвуковой обработкой значительно повышает степень сорбции германия, вплоть до 97 % (рН 4–10), галлия — до 99 % (рН 3–4) из искусственных водных растворов, содержащих 5 мг/дм³ галлия и германия. Определены степень сорбции 5 мг/дм³ галлия при рН 3 и содержании в растворе от 2- до 200-кратных массовых избытков алюминия (III), свинца (II), цинка (II), железа (III), а также степень сорбции 5 мг/дм³ германия при рН 6 и таких же избытках свинца (II), цинка (II) и железа (III). Все исследуемые металлы, кроме железа, оказывают незначительное влияние на степень сорбции галлия и германия, она сохраняется на уровне 90 %. Присутствие железа в растворах почти в два раза сокращает степень сорбции германия и практически полностью препятствует сорбции галлия. Получены изотермы сорбции галлия и германия. Они удовлетворительно описываются уравнением Тота, что указывает на энергетическую неоднородность поверхности сорбента. Предельные значения сорбционной емкости, полученные для механоактивированного рутила с использованием уравнения Тота, для германия составляют 38,7 мг/г, для галлия — 27,4 мг/г, что превышает соответствующие значения для наноразмерного анатаза в 2,0 и в 3,3 раза.

Работа выполнена в рамках проекта Программы УрО РАН «Новые материалы и технологии» № 18-10-3-28 с использованием оборудования ЦКП «Урал М» ИМЕТ УрО РАН и ЦКП «Состав вещества» ИВТЭ УрО РАН, при финансовой поддержке постановления № 211 Правительства РФ, контракт № 02.А03.21.0006.
Благодарим канд. хим. наук С. Х. Эстемирову за проведение механоактивации и рентгенодифракционного анализа исследуемого сорбента.

1. Amore S., Giuranno D., Novakovic R. et al. Thermodynamic and surface properties of liquid Ge – Si alloys // Calphad. 2014. Vol. 44. P. 95–101.
2. Zhang Y., Gao T., Liu X. Influence of Ge content on the microstructure, phase formation and microhardness of hype reutectic Al – Si alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2014. Vol. 585. P. 442–447.
3. Shpotyuk Ya., Boussard-Pledel C., Nazabal V. et al. Gamodi fied As₂Se₃ – Te glasses for active applications in IR photonics // Optical Materials. 2015. Vol. 46. P. 228–232.
4. Cho Y. Gu., Shin S. Y., Lee J. H. et al. Microstructural evolution of solution-processed Li – Ge – Ga – S chalcogenide powders for Li⁺ ion battery applications // Journal of Non-Crystalline Solids. 2016. Vol. 431. P. 57–60.
5. Qian M. F., Zhang X. X., Wei L. S. et al. Microstructural evolution of Ni – Mn – Ga microwires during the melt-extraction process // Journal of Alloys and Compounds. 2016. Vol. 660. Р. 244–251.
6. Wu D., Ouyang L., Wu C. et al. Phase transition and hydrogen storage properties of Mg – Ga alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 642. P. 180–184.
7. Илларионов Э. И., Колобнев Н. И., Горбунов П. З. Алюминиевые сплавы в авиакосмической технике. — М. : Наука, 2001. — 192 с.
8. Špendlíková I., Raindl J., Němec M. et al. Preparation of pure TiO₂ sorption material // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2014. Vol. 300, Iss. 3. P. 1151–1158.

9. Jegadeesan G., Al-Abed S. R., Sundaram V. et al. Arsenic sorption on TiO₂ nanoparticles: Size and crystallinity effects // Water Research. 2010. Vol. 44. P. 965–973.
10. Кузьмичева Г. М., Савинкина Е. В., Оболенская Л. Н. и др. Получение, характеризация и свойства наноразмерных модификаций диоксида титана со структурами анатаза и η-TiO₂ // Кристаллография. 2010. Т. 55, № 5. С. 919–924.
11. Uzunova-Bujnova M., Dimitrov D., Radev D. Effect of the mechanoactivation on the structure, sorption and photocatalytic properties of titanium dioxide // Materials Chemistry and Physics. 2008. Vol. 110. P. 291–298.
12. Bożena G., Zakrzewska D., Szymczycha B. Sorption of Cr, Pb, Cu, Zn, Cd, Ni, and Co to nano-TiO₂ in seawater // Water science and technology. 2018. Vol. 77, No 1. P. 145–158.
13. Ayoub H., Kassir M., Raad M. et al. Effect of Dye Structure on the Photodegradation Kinetic Using TiO₂ Nanoparticles // Journal of Materials Science and Chemical Engineering. 2017. Vol. 5. P. 31–45.
14. Poursani A. S., Nilchi A., Hassani A. et al. The synthesis of nano TiO₂ and its use for removal of lead ions from aqueous solution // Journal of Water Resource and Protection. 2016. Vol. 8. P. 438–448.
15. Онорин С. А., Ходяшев М. Б., Денисова Т. А. и др. Влияние условий синтеза на строение и сорбционные свойства гидратированного диоксида титана // Журнал неорганической химии. 1992. T. 37, № 6. C. 1218–1222.
16. Chen X., Mao S. S. Titanium dioxide nanomaterials: synthesis, properties, modification, and application // Chemical Review. 2007. Vol. 107, No. 7. P. 2891–2959.
17. Васильева К. Л., Ищенко О. М., Захарова Н. В. и др. Изучение фазовых превращений в поверхностном слое диоксида титана // Журнал прикладной химии. 2009. Т. 82, № 5. С. 731–736.
18. Ridley M. K., Machesky M. L., Kubicki J. D. Experimental study of strontium adsorption on anatase nanoparticles as a function of size with a density functional theory and CD model interpretation // Langmuir. 2015. Vol. 31, No. 2. P. 703–713.
19. Setvin M., Hulva J., Wang H. et al. Formaldehyde adsorption on the anatase TiO₂ (101) surface: experimental and theoretical investigation // Journal of Physical Chemistry: C. 2017. Vol. 121, No. 16. P. 8914–8922.
20. Wahi R., Liu Y., Falkner J., Colvin V. Solvothermal synthesis and characterization of anatase TiO2 nanocrystals with ultrahigh surface area // Journal of Colloid Interface Science. 2006. Vol. 302, Iss. 2. P. 530–536.
21. Guan X., Du J., Meng X. et al. Application of titanium dioxide in arsenic removal from water: a review // Journal of Hazardous Materials. 2012. Vol. 215–216. P. 1–16.
22. Zhang L., Guo X., Li H. et al. Separation of trace amounts of Ga and Ge in aqueous solution using nano-particles microcolumn // Talanta. 2011 . Vol. 85, No. 5. P. 2463–2469.
23. Zhang L., Zhu Y., Li H. et al. Kinetic and thermodynamic studies of adsorption of gallium (III) on nano-TiO2 // Rare metals. 2010. Vol. 29, No. 1. P. 16–20.
24. Lu S., Ma B., Wu S. et al. Comparison sorption properties of Eu (III) on titanate nanotubes and rutile studied by batch technique // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2015. Vol. 306, No. 2. P. 527–534.
25. Piasecki W., Sverjensky D. Speciation of adsorbed yttrium and rare earth elements on oxide surfaces // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2008. Vol. 72, Iss. 16. P. 3964–3979.
26. Luan Y., Jing L., Meng Q. et al. Synthesis of Efficient Nanosized Rutile TiO₂ and Its Main Factors Determining Its Photodegradation Activity: Roles of Residual Chloride and Adsorbed Oxygen // Journal of Physical Chemistry. C. 2012. Vol. 116 (32). P. 17094–17100.
27. Болдырев В. В. Механохимия и механическая активация твердых веществ // Успехи химии. 2006. Т. 75, № 3. С. 203–216.
28. Фундаментальные основы механической активации, механосинтеза и механохимических технологий / под ред. Е. Г. Аввакумова. — Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2009. — 342 с.
29. Зырянов В. В. Механохимический синтез сложных оксидов // Успехи химии. 2008. Т. 77, № 2. С. 107–137.
30. Evdokimova O., Pechischeva N., Estemirova S., Shunyaev K. Sorption of some rare elements using modified titanium oxide // Proceedings of 9^th International Conference on Material Technologies and Modeling (MMT-2016). — Ariel : Ariel University, 2016. Р. 1-17–1-27.
31. Mustafa S., Dilara B., Nargis K., Naeem A., Shahida P. Surface properties of the mixed oxides of iron and silica // Colloids and Surfaces: A. 2002. Vol. 205, Iss. 3. P. 273–282.
32. Zhang L., Li H., Liu X., Kang P. Sorption behavior of germanium (IV) on titanium dioxide nanoparticles // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2012. Vol. 57, Iss. 4. P. 622–628.
33. Petrova Yu. S., Kapitanova E. I., Neudachina L. K., Pestov A. V. Sorption isotherms of metal ions onto an N-(2-sulfoethyl)chitosan-based material from single- and multicomponent solutions // Separation Science and Technology. 2017. Vol. 52, Iss. 15. P. 2375–2394.
34. Benzaoui T., Selatni A., Djabali D. Adsorption of copper (II) ions from aqueous solution using bottom ash of expired drugs incineration // Adsorption Science & Technology. 2017. Vol. 36. P. 114–129.