Intercalation mechanism of hexavalent chromium with Mg2Al-NO3 layered double hydroxide nanoparticles
Mécanisme d'intercalation du chrome hexavalent avec des nanoparticules d'hydroxyde double lamellaire Mg2Al-NO3
Résumé
Hexavalent chromium (Cr (VI)) is a hazardous substance. Since 1991, the US Environmental Protection Agency has established an upper limit contamination level of 100 ppb for total chromium in drinking water [1]. Layered double hydroxide (LDH) is one of the promising materials eliminating the water contaminants due to the high anionic exchange capacity [2, 3]. This research aims to synthesize nanoparticles of Al-Mg LDH intercalated with nitrate to understand the interaction between LDH and Cr(IV) based on spectroscopy and analytical measurements. The LDH nanoparticles were produced utilizing a fast co-precipitation process assisted by hydrothermal treatment and characterized by a variety of characterization techniques (PXRD, Raman and IR spectroscopy, BET, SEM, Zeta potential, DLS and ICP). Various steps of the synthesis were adjusted to reduce the leaching of Mg and the formation of Gibbsite (Al(OH)3). The effects of those steps will be discussed. The adsorption of Cr(VI) was studied from both the thermodynamic and the kinetic points of view. Firstly, the stopped flow technique allowed to study the kinetics of adsorption of Cr(VI) on colloidal LDH nanoparticles. It is based on the observed change in absorbance during the adsorption. It allowed to distinguish two steps, an extremely fast one and a slower one. The absorbance of the solution changes. The extremely fast step which takes place within the first milliseconds can be attributed to a surface adsorption driven by the strong electrostatic interaction (ζ ~ +50 mV). The second step, the absorbance keeps evolving for at least 40 minutes at pH = 4 showing that the reaction which continues could be attributed to an internal rearrangement. This spectrophotometric study also gives some insights on the Cr(VI) protonation state once adsorbed. This was done in two distinct pH media to compare the two primary forms of Cr (IV) in solution, HCrO4- and CrO42-. Secondly, the ultrafiltration technique was used to determine the efficiency of Cr(VI) removal from the initial solution. After 7 minutes, the decontamination efficiency was examined in the range of Cr(VI) [2.5-100 mg/L] and achieved more than 99% with a concentration of 0.25 g/L of LDH at concentrations lower than 30 mg/L of Cr(VI). The ultrafiltration allowed at the same to characterize the loss of LDH contents during the sorption process, The resulted LDH solid containing Cr(VI) which was characterized in order to investigate the structural and chemical modifications caused by this interaction. References: [1] M.-N. Georgaki and M. Charalambous, J. Water Health, 2023, doi: 10.2166/wh.2022.214. [2] S. Singh et al., Chemosphere, 2022, doi: 10.1016/j.chemosphere.2022.135804. [3] H. N. Tran et al., J. Hazard. Mater., vol. 373, pp. 258–270, Jul. 2019, doi: 10.1016/J.JHAZMAT.2019.03.018.
Le chrome hexavalent (Cr (VI)) est une substance dangereuse. Depuis 1991, l'Agence américaine de protection de l'environnement a fixé à 100 ppb la limite supérieure de contamination pour le chrome total dans l'eau potable [1]. L'hydroxyde double stratifié (LDH) est l'un des matériaux prometteurs pour éliminer les contaminants de l'eau en raison de sa forte capacité d'échange anionique [2, 3]. Cette recherche vise à synthétiser des nanoparticules de LDH Al-Mg intercalées avec du nitrate pour comprendre l'interaction entre le LDH et le Cr(IV) sur la base de mesures spectroscopiques et analytiques. Les nanoparticules de LDH ont été produites à l'aide d'un processus de co-précipitation rapide assisté par un traitement hydrothermal et caractérisées par une variété de techniques de caractérisation (PXRD, spectroscopie Raman et IR, BET, SEM, potentiel Zeta, DLS et ICP). Plusieurs étapes de la synthèse ont été ajustées pour réduire la lixiviation du Mg et la formation de gibbsite (Al(OH)3). Les effets de ces étapes seront discutés. L'adsorption du Cr(VI) a été étudiée d'un point de vue thermodynamique et cinétique. Tout d'abord, la technique du flux arrêté a permis d'étudier la cinétique de l'adsorption du Cr(VI) sur les nanoparticules colloïdales de LDH. Elle est basée sur le changement d'absorbance observé au cours de l'adsorption. Elle a permis de distinguer deux étapes, l'une extrêmement rapide et l'autre plus lente. L'absorbance de la solution change. L'étape extrêmement rapide qui a lieu dans les premières millisecondes peut être attribuée à une adsorption de surface entraînée par la forte interaction électrostatique (ζ ~ +50 mV). Lors de la deuxième étape, l'absorbance continue d'évoluer pendant au moins 40 minutes à pH = 4, ce qui montre que la réaction qui se poursuit peut être attribuée à un réarrangement interne. Cette étude spectrophotométrique donne également des indications sur l'état de protonation du Cr(VI) une fois adsorbé. Cette étude a été réalisée dans deux milieux de pH différents afin de comparer les deux formes primaires de Cr (IV) en solution, HCrO4- et CrO42-. Deuxièmement, la technique d'ultrafiltration a été utilisée pour déterminer l'efficacité de l'élimination du Cr(VI) de la solution initiale. Après 7 minutes, l'efficacité de la décontamination a été examinée dans la gamme de Cr(VI) [2,5-100 mg/L] et a atteint plus de 99% avec une concentration de 0,25 g/L de LDH à des concentrations inférieures à 30 mg/L de Cr(VI). L'ultrafiltration a permis en même temps de caractériser la perte du contenu des LDH au cours du processus de sorption. Le solide LDH résultant contenant du Cr(VI) a été caractérisé afin d'étudier les modifications structurelles et chimiques causées par cette interaction. Références : [1] M.-N. Georgaki and M. Charalambous, J. Water Health, 2023, doi: 10.2166/wh.2022.214. [2] S. Singh et al., Chemosphere, 2022, doi: 10.1016/j.chemosphere.2022.135804. [3] H. N. Tran et al., J. Hazard. Mater., vol. 373, pp. 258–270, Jul. 2019, doi: 10.1016/J.JHAZMAT.2019.03.018.
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