Theoretical modelling of immobilization of cadmium and nickel in soil using iron nanoparticles

Abstract

Immobilization using zero valent using iron nanoparticles is a soil remediation technology that reduces concentrations of dissolved contaminants in soil solution. Immobilization of heavy metals in soil can be achieved through heavy metals adsorption and surface complexation reactions. These processes result in adsorption of heavy metals from solution phase and thus reducing their mobility in soil. Theoretical modelling of heavy metals, namely, cadmium and nickel, adsorption using zero valent iron nanoparticles was conducted using Visual MINTEQ. Adsorption of cadmium and nickel from soil solutions were modelled separately and when these metals were dissolved together. Results have showed that iron nanoparticles can be successfully applied as an effective adsorbent for cadmium and nickel removal from soil solution by producing insoluble compounds. After conducting the modelling of dependences of Cd+2 and Ni+2 ions adsorption on soil solution pH using iron nanoparticles, it was found that increasing pH of solution results in the increase of these ions adsorption. Adsorption of cadmium reached approximately 100% when pH ≥ 8.0, and adsorption of nickel reached approximately 100% when pH ≥ 7.0. During the modelling, it was found that adsorption of heavy metals Cd and Ni mostly occur, when one heavy metal ion is chemically adsorbed on two sorption sites. During the adsorption modelling, when Cd+2 and Ni+2 ions were dissolved together in acidic phase, it was found that adsorption is slightly lower than modelling adsorption of these metals separately. It was influenced by the competition of Cd+2 and Ni+2 ions for sorption sites on the surface of iron nanoparticles.

Article in Lithuanian.

Kadmio ir nikelio imobilizavimo dirvožemyje, panaudojant geležies nanodaleles, teorinis modeliavimas

Santrauka

Imobilizacija geležies nanodalelėmis – tai dirvožemio remediacijos technika, kuri sumažina ištirpusių teršalų koncentraciją dirvožemio tirpale. Sunkiųjų metalų imobilizavimas dirvožemyje gali būti pasiektas dėl sunkiųjų metalų adsorbcijos, redukcijos ir paviršiaus kompleksodaros reakcijų. Šie procesai lemia sunkiųjų metalų adsorbciją iš tirpalo fazės, kartu sumažina jų mobilumą dirvožemyje. Teorinis sunkiųjų metalų – kadmio ir nikelio – adsorbcijos modeliavimas, naudojant nulinio valentingumo geležies nanodaleles, buvo atliktas taikant Visual MINTEQ programą. Kadmio ir nikelio adsorbcija iš dirvožemio tirpalo buvo modeliuojama atskirai ir kai šie metalai yra ištirpę kartu. Rezultatai parodė, kad geležies nanodalelės gali būti sėkmingai naudojamos kaip efektyvus adsorbentas kadmiui ir nikeliui pašalinti iš dirvožemio tirpalo sudarant netirpius junginius. Atlikus Cd+2 ir Ni+2 jonų adsorbcijos naudojant geležies nanodaleles priklausomybės nuo dirvožemio tirpalo pH modeliavimą, nustatyta, kad didėjant tirpalo pH šių sunkiųjų metalų adsorbcija didėja. Kadmio adsorbcija apytiksliai siekė 100 %, kai pH ≥ 8,0, nikelio adsorbcija apytiksliai siekė 100 %, kai pH ≥ 7,0. Modeliuojant nustatyta, kad sunkiųjų metalų Cd ir Ni adsorbcija daugiausiai vyksta, kai vienas sunkiojo metalo jonas yra chemiškai adsorbuojamas ant dviejų sorbcijos vietų. Modeliuojant Cd+2 ir Ni+2 adsorbciją, kai šie jonai yra kartu rūgštinėje terpėje, gauta adsorbcija yra nežymiai mažesnė nei modeliuojant šių jonų adsorbciją atskirai. Tai lėmė Cd+2 ir Ni+2 jonų konkurencija dėl sorbcijos vietų ant geležies nanodalelių paviršiaus.

Reikšminiai žodžiai: adsorbcija; imobilizacija; pH; nulinio valentingumo geležis; Visual MINTEQ.

Keyword : adsorption, immobilization, pH, zero valent iron nanoparticles, Visual MINTEQ