A Hybrid Membrane for the Simultaneous Selective Sorption of Cesium in the Ionic and Colloid Forms

I. I. Vinogradov; Виноградов И. И.; E. V. Andreev; Андреев Е. В.; N. S. Yushin; Юшин Н. С.; A. S. Sokhatskii; Сохацкий А. С.; V. A. Altynov; Алтынов В. А.; M. V. Gustova; Густова М. В.; T. N. Vershinina; Вершинина Т. Н.; I. Zin’kovskaya; Зиньковская И.; A. N. Nechaev; Нечаев А. Н.; P. Yu. Apel’; Апель П. Ю.

doi:10.31857/S0040357123040176

A Hybrid Membrane for the Simultaneous Selective Sorption of Cesium in the Ionic and Colloid Forms

Autores: Vinogradov I.¹^,2, Andreev E.¹, Yushin N.¹, Sokhatskii A.¹, Altynov V.¹, Gustova M.¹, Vershinina T.¹^,2, Zin’kovskaya I.¹, Nechaev A.¹^,2, Apel’ P.¹
Afiliações:
1. Joint Institute for Nuclear Research
2. Dubna State University
Edição: Volume 57, Nº 4 (2023)
Páginas: 479-492
Seção: Articles
##submission.datePublished##: 01.07.2023
URL: https://journals.rcsi.science/0040-3571/article/view/138526
DOI: https://doi.org/10.31857/S0040357123040176
EDN: https://elibrary.ru/ZDRXZY
ID: 138526

Citar

Texto integral

Acesso aberto
Acesso é fechado

Acesso está concedido
Acesso é fechado

Somente assinantes

Resumo
Sobre autores
Bibliografia
Arquivos suplementares
Estatísticas

Resumo

The possibility for the synthesis of a hybrid membrane incorporating a track membrane as a support and a layer of chitosan fibers modified by functional groups selectively sorbing cesium is studied. The layer of chitosan fibers is formed by electromolding. The surface of the nanofibers is modified by copper and potassium ferrocyanide immobilization. The structure of the nanofiber layer modified by copper and potassium ferrocyanide is studied by scanning and transmission electron microscopy and X-ray diffraction analysis. The specific pure water production capacity of the hybrid membrane is much lower as compared to the original track membrane. The data on the sorption capacity of the copper and potassium ferrocyanide layer on the surface of the nanofibers for cesium ions are correlated with literature data. The resulting hybrid membrane is suitable for the simultaneous selective sorption of cesium in the ionic and colloid forms.

Palavras-chave

hybrid membrane, track membrane, nanofiber, chitosan, potassium ferrocyanide, sorption, cesium

Bibliografia

Коренков И.П., Лащенова Т.Н., Шандала Н.К., Киселев С.М. Основы радиоэкологического и гигиенического мониторинга окружающей среды. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2021.
Калмыков С.Н. Миграция радионуклидов через геохимические барьеры Дис. канд. хим. наук: 02.00.14. М.: Ин-т, 2000.
Василенко И.Я., Василенко О.И. “Радиоактивный цезий.” // Энергия: экономика, техника, экология. 2001. № 7. С. 16–22.
Khulbe K.C., Matsuura T. Removal of heavy metals and pollutants by membrane adsorption techniques // Appl. Water Sci. Springer Berlin Heidelberg, 2018. V. 8. № 1. P. 1–30.
Sharma S., Bhattacharya A. Drinking water contamination and treatment techniques // Appl. Water Sci. Springer Berlin Heidelberg, 2017. V. 7. № 3. P. 1043–1067.
Samstag R.W., Ducoste J.J., Griborio A., Nopens I., Batstone D.J., Wicks J.D., Saunders S., Wicklein E.A., Kenny G., Laurent J. CFD for wastewater treatment: An overview // Water Sci. Technol. 2016. V. 74. № 3. P. 549–563.
Gebreeyessus G.D. Status of hybrid membrane–ion-exchange systems for desalination: a comprehensive review // Appl. Water Sci. Springer International Publishing. 2019. V. 9. № 5.
Никифоров А.С., Куличенко В.В., Жихарев М.М. Обезвреживание жидких радиоактивных отходов. М.: Энергоатомиздат, 1985.
Zheleznov V.V., Vysotskii V.L. Application of fibrous carbon ferrocyanide sorbents for removing cesium and cobalt from large volumes of sea water // At. Energy. 2002. V. 92. № 6. P. 493–500.
El-Shazly E., Dakroury G.A., Someda H.H. Sorption of 134Cs radionuclide onto insoluble ferrocyanide loaded silica-gel // J. Radioanal. Nucl. Chem. Springer International Publishing. 2021. V. 329. № 1. P. 437–449.
Watari K., Imai K., Ohmomo Y., Muramatsu Y., Nishimura Y., Izawa M., Baciles L.R. Simultaneous adsorption of Cs-137 and I-131 from water and milk on “metal ferrocyanide-anion exchange resin” // J. Nucl. Sci. Technol. 1988. V. 25. № 5. P. 495–499.
Mimura H., Ikarashi Y., Ishizaki E., Matsukura M. Selective decontamination and stable solidification of Cs-insoluble ferrocyanide by zeolites // 6th Forum New Mater. Part B. 2014. V. 94. P. 75–84.
Ikarashi Y., Mimura H., Nakai T., Niibori Y., Ishizaki E., Matsukura M. Selective cesium uptake behavior of insoluble ferrocyanide loaded zeolites and development of stable solidification method // J. Ion Exch. 2014. V. 25. № 4. P. 212–219.
Bykov G.L., Milyutin V.V., Ershov B.G., Korchagin Yu.P., Gelis V.M., Bessonov A.A. Radiation resistance of a composite ferrocyanide-silica gel sorbent // Radiochemistry. 2011. V. 53, № 2. P. 191–195.
Rumyantseva E.V., Veleshko A.N., Kulyukhin S.A., Veleshko I.E., Shaitura D.S., Rozanov K.V., Dmitrieva N.A. Preparation and properties of modified spherically granulated chitosan for sorption of 137Cs from solutions // Radiochemistry. 2009. V. 51. № 5. P. 496–501.
Egorin A.M., Didenko N.A., Kaidalova T.A., Zemskova L.A. Preparation and properties of chitosan-containing ferrocyanide sorbents for the sorption of 137Cs from liquid media // Radiochemistry. 2014. V. 56. № 3. P. 275–282.
Lee J.H., Suh D.H. Entropy, enthalpy, and gibbs free energy variations of 133Cs via CO2-activated carbon filter and ferric ferrocyanide hybrid composites // Nucl. Eng. Technol. Elsevier Ltd. 2021. V. 53. № 11. P. 3711–3716.
Gaur S. Determination of Cs-137 in environmental water by ion-exchange chromatography // J. Chromatogr. A. 1996. V. 733. № 1–2. P. 57–71.
Egorin A., Tokar E., Zemskova L. Chitosan-ferrocyanide sorbent for Cs-137 removal from mineralized alkaline media // Radiochim. Acta. 2016. V. 104. № 9. P. 657–661.
Pereao O., Uche C., Bublikov P.S., Bode-Aluko C., Rossouw A., Vinogradov I.I., Nechaev A.N., Opeolu B., Petrik L. Chitosan/PEO nanofibers electrospun on metallized track-etched membranes: fabrication and characterization // Mater. Today Chem. Elsevier Ltd. 2021. V. 20. P. 100416.
Vinogradov I.I., Petrik L., Serpionov G.V., Nechaev A.N. Composite membrane based on track-etched membrane and chitosan nanoscaffold // Membr. Membr. Technol. 2021. V. 3. № 6. P. 400–410.
Berber M.R. Current advances of polymer composites for water treatment and desalination // J. Chem. 2020. V. 2020. P. 1–19.
Mchedlishvili B., Beryozkin V. V., Oleinikov V., Vilensky A., Vasilyev A. Structure, physical and chemical properties and applications of nuclear filters as a new class of membranes // J. Memb. Sci. 1993. V. 79. № 2–3. P. 285–304.
Veleshko I., Veleshko A., Rumjantseva E.V. Method of producing chitosan-containing sorbent: Pat. 2430777 Russia. 2011.
Артошина О.В., Россоу А., Семина В.К., Нечаев А.Н., Апель П.Ю. Структурные и физико-химические свойства тонких пленок диоксида титана, полученных методом реактивного магнетронного напыления, на поверхности трековых мембран // Мембраны и Мембранные технологии. 2015. Т. 5. № 4. С. 243–253. [Artoshina O.V., Semina V.K., Nechaev A.N., Apel P.Y., Rossouw A. Structural and physicochemical properties of titanium dioxide thin films obtained by reactive magnetron sputtering, on the surface of track-etched membranes // Petroleum Chemistry. 2015. V. 55. № 10. P. 759–768.]
Mekahlia S., Bouzid B. Chitosan-Copper (II) complex as antibacterial agent: synthesis, characterization and coordinating bond- activity correlation study // Phys. Procedia. Elsevier, 2009. V. 2. № 3. P. 1045–1053.
Дмитриев Ю.А., Шиповская А.Б., Коссович Л.Ю. Влияние харектеристик прядильного раствора и параметров электроформирования на скорость образования и диаметр волокон из хитозана // Химия и химические технологии. 2011. Т. 54. № 11. С. 109–112.
Хоменко А.Ю., Попрядухин П.В., Богомолова Т.Б., Добровольская И.П., Мамагулашвили В.Г., Шепелев А.Д., Чвалун С.Н., Юдин В.Е., Иванькова Е.М. Матрицы на основе нановолокон хитозана для клеточных технологий // Российские нанотехнологии. 2013. Т. 9. С. 41–45. [Khomenko A.Y., Bogomolova T.B., Mamagulashvili V.G., Shepelev A.D., Popryadukhin P.V., Dobrovol’skaya I.P., Yudin V.E., Ivan’kova E.M., Chvalun S.N. Matrices based on chitosan nanofibers for cell technologies // Nanotechnologies in Russia. 2013. V. 8. № 9–10. P. 639–643.]
Li Bin, Shan Chang-Lin, Zhou Qing, Fang Yuan, Wang Yang-Li, Xu Fei, Han Li-Rong, Ibrahim Muhammad, Guo Long-Biao, Xie Guan-Lin, Sun Guo-Chang. Synthesis, characterization, and antibacterial activity of cross-linked chitosan-glutaraldehyde // Mar. Drugs. 2013. V. 11. № 5. P. 1534–1552.
Панарин Е.Ф., Нудьга Л.А., Петрова В.А., Бочек А.М., Гофман И.В, Лебедева М.Ф., Блинова М.И., Спичкина О.Г., Юдинцева Н.М., Пинаев Г.Л. Матрицы для культивирования клеток кожи человека на основе природных полисахаридов – хитина и хитозана // Клеточная трансплантология и тканевая инженерия. 2009. Т. 4. № 3. С. 42–46.
Liu A., Berglund L.A. Clay nanopaper composites of nacre-like structure based on montmorrilonite and cellulose nanofibers—Improvements due to chitosan addition // Carbohydr. Polym. Elsevier Ltd., 2012. V. 87. № 1. P. 53–60.
Густова М.В., Виноградов И.И., Густова Н.С., Нечаев А.Н. Изучение сорбции цезия модифицированной трековой мембраной // Тез. докл. X Российская конференция с международным участием “Радиохимия-2022”. М.: Адмирал Принт, 2022. С. 86.
Березкин В.В., Васильев А.Б., Цыганова Т.В., Мчедлишвили Б.В., Апель П.Ю., Орелович О.Л., Олейников В.А., Простякова А.И., Хохлова Т.Д. Асимметричные/трековые мембраны: поверхностные и эксплуатационные свойства // Мембраны. 2008. Т. 4. № 40. С. 3–4.
Виноградов И.И., Еремин П.С., Поддубиков А.В., Гильмутдинова И.Р., Нечаев А.Н. Биопластичный материал на основе ионно-трековых раневых покрытий и нанокаркаса хитозана // Биотехнология. 2021. Т. 37. № 5. С. 55–60.
Rigamonti R. Structure of cupriferrocyanides I. copper ferrocyanide and potassium copper ferrocyanide // Gazz. Chim. Ital. 1937. V. 67. P. 137–146.
Loos-neskovic C., Ayrault S., Badillo V., Jimenez B., Garnier E., Fédoroff M., Deborah Jones J., Merinov B. Structure of copper-potassium hexacyanoferrate (II) and sorption mechanisms of cesium // J. Solid State Chem. 2004. V. 177. № 6. P. 1817–1828.
Зоткин М.А., Вихорева Г.А., Кечекьян А.С. Термомодификация хитозановых пленок в форме солей с различными кислотами // Высокомолекулярные соединения. 2004. Т. 46. № 2. С. 359–363.
Ojwang D., Grins J., Wardecki D., Valvo M., Renman V., Häggström L., Ericsson T., Gustafsson T., Mahmoud A., P Hermann R., Svensson G. Structure characterization and properties of k-containing copper hexacyanoferrate // Inorg. Chem. 2016. V. 55., № 12. P. 5924–5934.
Irina Malakhova, Yuliya Privar, Yuliya Parotkina, Aleksandr Mironenko, Marina Eliseikina, Denis Balatskiy, Alexey Golikov, Svetlana Bratskaya Rational design of polyamine-based cryogels for metal ion sorption // Molecules. 2020. V. 25. № 20. P. 1–17.
Таганов И.В., Сейфер Г.Б, Харитонов Ю.Я., Кузнецов В.Г., Корольков А.П. Химия ферроцианидов. М.: “Наука”, 1971.
Панасюгин А.С., Цыганов А.Р., Машеров Н.П., Григорьев С.В. Адсорбционно-структурные свойства интеркалированных ферроцианидов кобальта // Труды БГТУ. Серия 2 Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2018. Т. 2. № 1. С. 128–134.
Guibal E. Interactions of metal ions with chitosan-based sorbents: A review // Sep. Purif. Technol. 2004. V. 38. № 1. P. 43–74.
Lima I.S., Airoldi C. Interaction of copper with chitosan and succinic anhydride derivative – A factorial design evaluation of the chemisorption process // Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. 2003. V. 229. № 1–3. P. 129–136.
Gellings P.J. Structure of some Hexacyanoferrates (II) of the Type K2MIIFe(CN)6 // Zeitschrift für Phys. Chemie. 1967. V. 54. № 5–6. P. 296–301.
Артошина О.В., Милович Ф.О., Россоу А., Горберг Б.Л., Исхакова Л.Д., Емаков Р.П., Семина В.К., Кочнев Ю.К., Нечаев А.Н., Апель П.Ю. Структура и фазовый состав тонких пленок TiO2, нанесенных на металлизированные трековые мембраны из полиэтилентерефталата методом реактивного магнетронного напыления // Неорганические материалы. 2016. Т. 52. № 9. С. 1010–1020. [Artoshina O.V., Semina V.K., Kochnev Y.K., Nechaev A.N., Apel P.Y., Milovich F.O., Iskhakova L.D., Ermakov R.P., Rossouw A., Gorberg B.L. Structure and phase composition of thin TiO2 films grown on the surface of metallized track-etched polyethylene terephthalate membranes by reactive magnetron sputtering // Inorganic Materials. 2016. V. 52. № 9. P. 945–954.]
Avramenko V., Bratskaya S., Zheleznov V., Sheveleva I., Voitenko O., Sergienko V. Colloid stable sorbents for cesium removal: Preparation and application of latex particles functionalized with transition metals ferrocyanides // J. Hazard. Mater. 2011. V. 186. № 2–3. P. 1343–1350.