Preconcentration of Toxic Elements on Carbon Nanotubes for Atomic Spectroscopic Methods of Environmental Analysis

A possibility of using carbon nanotubes (CNT) (obtained at different temperatures of synthesis and functionalized in oxidative treatment with concentrated HNO₃) for extraction of toxic elements from aqueous media and their subsequent determination is studied. Sorption of Be, Bi, Cd, Cr, and Pb ions from aqueous solutions is studied as a function of their concentration, pH of the solution, temperature and modification time and compared with the same sorption characteristics of activated carbon. Optimal conditions of preconcentration are specified for further analysis of the concentrate both as a solid phase isolated from the column (using arc atomic emission spectroscopy (AES)) and as an eluate (using atomic absorption analysis (AAA)). The determination limits at a preconcentration coefficient C_conc = 300 range within 1 X 10⁸ - 3 X 10⁷ % wt. (AES) and 0.1- 0.5 ng/ml (AAA), respectively. Accuracy of the determinations is proved in spiking tests and by comparison of AAA and AES data. The obtained results can be used in the analysis and purification of different process media and for environmental protection as well.

sorption, carbon nanotubes, ions of toxic elements, flame atomization, atomic absorption analysis, arc atomic emission spectrometry, сорбция, углеродные нанотрубки, ионы токсичных элементов, атомно-абсорбционный анализ, атомизация в пламени, дуговая атомно-эмиссионная спектрометрия

1. Крамаренко В. Ф. Токсикологическая химия. - М.:Химия, 1998. - 411 с.

2. Израэльсом З. И., Могилевская О. Я., Суворов С. В. Вопросы гигиены труда и профессиональной патологии при работе с редкими металлами. - М.: Медицина, 1973. С. 78.

3. Мамырбаев А. А. Токсикология хрома и его соединений. - Актобе, 2012. 284 с.

4. Золотов Ю. А., Цизин Г. И., Дмитриенко С. Г., Моросанова Е. И. / Сорбционное концентрирование микрокомпонентов из растворов. Применение в неорганическом анализе. - М.: Наука, 2007. - 320 с.

5. Stafiej A., Pyrzynska K. Adsorption of heavy metal ions with carbon nanotubes / Separ. Purific. Technol. 2007. Vol. 58. P. 49 - 52.

6. Rao G. P., Lu C., Su F. Sorption of divalent metal ions from aqueous solution by carbon nanotubes: A review / Separ. Purific. Technol. 2007. Vol. 58. P. 224 230.

7. Tofighy M. A., Mohammadi T. Adsorption of divalent heavy metal ions from water using carbon nanotube sheets / J. Hazard. Mater. 2011. Vol. 185. P. 140 146.

8. Valcarcel M., Cardenas S., Simone B. M., et al. Carbon nanostructures as sorbent materials in analytical processes / TrAC. Trends Anal. Chem. 2008. Vol. 27. P. 34 - 41.

9. Гражулене С. С., Редькин А. Н. Сорбенты на основе углеродных нанотрубок. / В кн. Нанообъекты и нанотехнологии в химическом анализе. Под ред. С. Н. Штыкова. - М.: Наука, 2015. С. 375 - 425.

10. Li Y. H., Wang S., Wei J., et al. Lead adsorption on carbon nanotubes / Chem. Phys. Lett. 2002. Vol. 357. P. 263 - 266.

11. LiY. H., Zhu Y., Zhao Y., et al. Different morphologies of carbon nanotubes effect onthe leadremoval from aqueous solution / Diamond Relat. Mater. 2006. Vol. 15. P. 90 94.

12. Li Y. H., Di Z., Ding J., et al. Adsorption thermodynamic, kinetic and desorption studies of Pb2+ on carbon nanotubes / Water Res. 2005. Vol. 39. P. 605 609.

13. Shao D. D., Ren X. M., Hu J., et al. Preconcentration of Pb2+ from aqueous solution using poly(acrylamide) and poly(N,N-dimethylacryl-amide) grafted multiwalled carbon nanotubes / Colloids Surf. A. 2010. Vol. 360. P. 74 84.

14. Wang H. J., Zhou A. L., Peng F., et al. Mechanism study on adsorption of acidified multiwalled carbon nanotubes to Pb (II) / J. Colloid Interface Sci. 2007. Vol. 316. P. 277 283.

15. Li Y. H., Ding J., Luan Z., et al. Competitive adsorption of Pb, Cu and Cd ions from aqueous solutions by multiwalled carbon nanotubes / Carbon. 2003. Vol. 41. P. 2787 2797.

16. Li Y. H., Wang S., Luan Z., et al. Adsorption of cadmium (II) from aqueous solution by surface oxidized carbon nanotubes / Carbon. 2003. Vol. 41. P. 1057 1062.

17. Cho H. H., Wepasnick K., Smith B. A., et al. Sorption of aqueous Zn [II] and Cd[II] by multiwalled carbon nanotubes: the relative roles of oxygen-containing functional groups and graphenic carbon / Langmuir. 2010. Vol. 26. P. 967 981.

18. Гражулене С. С., Редькин А. H., Телегин Г. Ф., Золотарева Н. И. Исследование углеродных наноматериалов как потенциальных сорбентов для концентрирования примесей в атомно-спектроскопических методах анализа / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74. №9.С.7 - 11.

19. Tuzen M., Soylak M. Multiwalled carbon nanotubes for speciation of chromium in environmental samples / J. Hazard. Mater. 2007. Vol. 147. P. 219 225.

20. Chen S., Zhu L., Lu D., et al. Separation and chromium speciation by single-wall carbon nanotubes microcolumn and inductively coupled plasma mass spectrometry / Microchim. Acta. 2010. Vol. 169. P. 123 128.

21. Hu J., Chen C., Zhu X., Wang X. Removal of chromium from aqueous solution by using oxidized multiwalled carbon nanotubes / J. Hazard. Mater. 2009. Vol. 162. P. 1542 1550.

22. Гражулене С. С., Редькин А. H., Телегин Г. Ф. Исследование корреляций между физико-химическими свойствами углеродных нанотрубок и типом катализатора для их синтеза / Журн. аналит. химии. 2012. Т. 67. № 5. С. 479 - 484.

23. Редькин А. H., Кипин В. А., Маляревич Л. В. Синтез углеродных волокнистых наноматериалов из паров этанола на никелевом катализаторе / Неорг. материалы. 2006. Т. 42. № 3. С. 284 - 287.

24. Гражулене С. С., Редькин А. H., Телегин Г. Ф. и др. Сорбционные свойства углеродных нанотрубок в зависимости от температуры их синтеза и последующей обработки / Журн. аналит. химии. 2010. Т. 65. №7. С. 699-706.

25. Bazhenov A. V., Fursova T. N., Grazhulene S. S., et al. Sorption of Metal Ions on Multi-Walled СагЬоп Nanotubes / Fullerenes Nanotubes СагЬоп Nanostruct. 2010. Vol. 18. P. 564 - 568.

26. Бурмий Ж. П., Золотарева Н. И., Хвостиков В. А., Гражулене С. С. Фотоэлектрическая регистрация эмиссионных спектров на основе приборов с зарядовой связью / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74. № 6. С. 26 - 29.

27. Экспериандова Л. П., Беликов K. H., Химченко С. В., Бланк Т. А. Еще раз о пределах обнаружения и определения / Журн. аналит. химии. 2010. Т. 65. № 3. С. 229 - 234.

28. Ding Q., Liang P., Song F., Xiang A. M. Separation and Preconcentration of Silver Ion using Multiwalled carbon nanotubes as solid phase extraction sorbent / Separ. Sci. Technol. 2006. Vol. 41. P. 2723 - 2732.