نوع مقاله : مقاله یادداشت پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه زنجان، زنجان، زنجان، ایران

2 دانشجوی کارشناسی، گروه مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه زنجان، زنجان، زنجان، ایران

10.30501/jamt.2022.292450.1180

چکیده

هیدروکسی‌آپاتیت، یکی از مهم‌ترین و پربازده‌ترین جاذب‌ها در جذب استرانسیم‌ از محلول‌های آبی به‌شمار می‌رود. در این پژوهش، ساختار هیدروکسی‌آپاتیت پس از جذب استرانسیم‌، مطالعه و سازوکار جذب آن بررسی شده است. بدین‌منظور، هیدروکسی‌آپاتیت نانوساختار با روش شیمی تر ساخته شده و پس از حرارت دادن، برای جذب یون‌های استرانسیم‌ در محلول‌های آبی با غلظت‌های مختلف استرانسیم‌ 30، 50 و 70 (میلی‌گرم بر لیتر) استفاده شد. با آنالیزهای پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) به‌همراه طیف‌سنجی انرژی پرتو ایکس (EDS) و آنالیز تبدیل فوریه مادون قرمز (FTIR)، هیدروکسی‌‌آپاتیت، پس از جذب استرانسیم،‌ کاملاً شناسایی شد. کرنش ساختار پس از برازاندن پیک‌های پراش پرتو ایکس، با استفاده از تابع ویت (Voigt)، توسط رابطه ویلیامسون ـ هال بررسی شد. نتایج نشان داد که جذب استرانسیم باعث افزایش کرنش شبکه نمی‌شود. علاوه بر این، اندازه بلورک‌ها و تغییرات ناهمسان‌گردی ساختار نیز، پس از جذب استرانسیم، محاسبه شد و کاهش بلورینگی از 45 درصد به 34 درصد و اندازه بلورک‌ها از 520 انگستروم به 460 انگستروم مشاهده شد. از سوی دیگر، محاسبات، کاهش ناهمسان‌گردی با جذب استرانسیم را نشان دادند. با درنظرگرفتن این اطلاعات درباره ساختار هیدروکسی‌آپاتیت و تطبیق آن با سازوکارهای مختلف پیشنهادشده برای جذب، سازوکار انحلال و رسوب مجدد در جذب استرانسیم‌ توسط هیدروکسی‌آپاتیت پیشنهاد می‌شود. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی و نتایج طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس نیز این سازوکار را ‌تأیید می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Mechanism of Strontium Adsorption on Nanostructured Hydroxyapatite in an Aqueous Solution

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Asjadi 1
  • Amir Hossein Rahmani 2
  • Fatemeh Hadi 2

1 1Assistant Professor, Department of Materials Science and Engineering, Faculty of Engineering, University of Zanjan, Zanjan, Zanjan, Iran

2 Bacholar student, Department of Materials Science and Engineering, Faculty of Engineering, University of Zanjan Zanjan, Iran

چکیده [English]

Hydroxyapatite (HA) is one of the effective and efficient adsorbents of strontium ions in aqueous solutions. Considering this fact, the current study put its main focus on investigating the structure of hydroxyapatite after strontium adsorption to better understand the mechanism of this process. Nanostructured hydroxyapatite was prepared using a wet chemical method used for the adsorption of strontium ions with various initial concentrations after calcination. The structure of hydroxyapatite was well characterized after adsorption based on X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS), and Fourier Transform Infrared Spectrometer (FTIR) analyses. The micro-strain of the structure was also investigated based on fitting the XRD patterns by Voigt function and Williamson-Hall analysis. The crystallite size and degree of anisotropy in the presence of Sr were measured. Interpreting the obtained data and comparing it with different existing adsorption mechanisms suggested dissolution-precipitation as an effective mechanism for strontium adsorption by hydroxyapatite. The SEM images and EDS results also confirmed this mechanism.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Strontium
  • Hydroxyapatite
  • Mechanism
  • Adsorption
  1. Bigi, , Boanini, E., Capuccini, C., Gazzano, M., "Strontium-substituted hydroxyapatite nanocrystals", Inorganica Chimica Acta, Vol. 3, No. 3, (2007), 1009-1016. https://doi.org/10.1016/j.ica.2006.07.074
  2. Zanotto, A., Saladino, M., Martino, D., Caponetti, E., "Influence of temperature on calcium hydroxyapatite nanopowders", Advances in Nanoparticles, Vol. 1, (2012), 21-28. https://doi.org/4236/anp.2012.13004
  3. Yazdani, N., Javadpour, J., Eftekhari Yekta, B., "Chemical synthesis and characterization of physical and magnetic properties of cobalt doped hydroxyapatite nanoparticles", Journal of Advanced Materials and Technologies (JAMT), Vol. 5, (2016), 1-8. (In Farsi). https://doi.org/30501/JAMT.2637.70326
  4. Asjadi, F., Salahi, E., Mobasherpour, I., "Removal of reactive red 141 dye from aqueous solution by titanium hydroxyapatite pellets", Journal of Dispersion Science and Technology, Vol. 37, No. 1, (2016), 14-22. https://doi.org/10.1080/01932691.2015.1018423
  5. Asjadi, F., Salahi, E., Mobasherpour, I., "Titanium and fluoride co-substitution in hydroxyl apatite", Advanced Ceramics Progress, Vol. 2, (2015), 18-23. http://doi.org/10.30501/ACP.2015.70002
  6. Tudorache, F., Petrila, I., Popa, K., Catargiu, A. M., "Electrical properties and humidity sensor characteristics of lead hydroxyapatite material", Applied Surface Science, Vol. 303, (2014), 175-179. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.02.138
  7. Hu, W., Ma, J., Wang, J., Zhang, S., "Fine structure study on low concentration zinc substituted hydroxyapatite nanoparticles", Materials Science and Engineering: C, Vol. 32, No. 8, (2012), 2404-2410. https://doi.org/10.1016/j.msec.2012.07.014
  8. Klemme, S., John, T., Wessels, M., Kusebauch, C., Berndt, J., Rohrbach, A., "Synthesis of trace element bearing single crystals of chlor-apatite (Ca(5)(PO(4))(3)Cl) using the flux growth method", Chemistry Central Journal, Vol. 7, No. 1, (2013), 56-62. https://doi.org/1186/1752-153X-7-56
  9. Luo, Y., Hughes, J. M., Rakovan, J., Pan, Y., "Site preference of U and Th in Cl, F and Sr apatites", American Mineralogist, Vol. 94, No. 2-3, (2009), 345-351. https://doi.org/10.2138/am.2009.3026
  10. Skwarek,, "Adsorption of Zn on synthetic hydroxyapatite from aqueous solution", Separation Science and Technology, Vol. 49, No. 11, (2014), 1654-1662. https://doi.org/10.1080/01496395.2014.906466
  11. Iconaru, S. L., Motelica-Heino, M., Guegan, R., Beuran, M., Costescu, A., Predoi, D., "Adsorption of Pb (II) ions onto hydroxyapatite nanopowders in aqueous solutions", Materials, Vol. 11, No. 11, (2018), 2204-2221. https://doi.org/3390/ma11112204
  12. Skwarek, E., Gładysz-Płaska, A., Choromańska, B., Broda, E., "Adsorption of uranium ions on nano-hydroxyapatite and modified by Ca and Ag ions", Adsorption, Vol. 25, No. 3, (2019), 639-647. https://doi.org/10.1007/s10450-019-00063-z
  13. Ferri, M, Campisi, S., Gervasini, A., "Nickel and cobalt adsorption on hydroxyapatite: A study for the de-metalation of electronic industrial wastewaters", Adsorption, 25, No. 3, (2019), 649-660. https://doi.org/10.1007/s10450-019-00066-w
  14. Nishiyama, Y., Hanafusa, T., Yamashita, J., Yamamoto, Y., Ono, T., "Adsorption and removal of strontium in aqueous solution by synthetic hydroxyapatite", Journal of Radio Analytical and Nuclear Chemistry, Vol. 307, No. 2, (2016), 1279-1285. https://doi.org/10.1007/s10967-015-4228-9
  15. Xu, Y., An, L., Chen, L., Xu, H., Zeng, D., Wang, G., "Controlled hydrothermal synthesis of strontium-substituted hydroxyapatite nanorods and their application as a drug carrier for proteins", Advanced Powder Technology, Vol. 29, No. 4, (2018), 1042-1048. https://doi.org/10.1016/j.apt.2018.01.008
  16. Asjadi, F., Yaghoobi, M., "Strontium-substituted hydroxyapatite: review on structure, synthesize method, and applications as biomaterial", Journal of Iranian Ceramic Society, 54, (1397), 60-70. (In Persian). http://jicers.ir/article-1-250-fa.html
  17. Garbo, C., Locs, J., D’Este, M., Demazeau, G., Mocanu, A., Roman, C., Horovitz, O., Tomoaia-Cotisel, M., "Advanced Mg, Zn, Sr, Si multi-substituted hydroxyapatites for bone regeneration", International Journal of Nanomedicine, Vol. 15, (2019), 1037-1058. https://doi.org/10.2147/IJN.S226630
  18. Tütken, T., Vennemann, T., Pfretzschner, H., "Nd and Sr isotope compositions in modern and fossil bones–proxies for vertebrate provenance and taphonomy", Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol. 75, No. 20, (2011), 5951-5970. https://doi.org/10.1016/j.gca.2011.07.024
  19. Sekine, Y., Motokawa, R., Kozai, N., Ohnuki, T., Matsumura, D., Tsuji, T., Kawasaki, R., Akiyoshi, K. ,"Calcium-deficient hydroxyapatite as a potential sorbent for strontium", Scientific Reports, Vol. 7, No. 1, (2017), 1-8. https://doi.org/1038/s41598-017-02269-z
  20. Janusz, W., Skwarek, E., "Study of sorption processes of strontium on the synthetic hydroxyapatite", Adsorption, Vol. 22, No. 4-6, (2016), 697-706. https://doi.org/10.1007/s10450-016-9761-5
  21. Salahi, E., Mobasherpour, I., Asjadi, F., "Removal of fluoride ions from aqueous solution by nanostructured hydroxyapatite", Journal of Dispersion Science and Technology, Vol. 37, (2016), 14-22. (In Persian). http://ijcse.ir/article-1-262-fa.html
  22. Holland, T. J. B., Redfern, S. A. T., "Unit cell refinement from powder diffraction data: the use of regression diagnostics", Mineralogical Magazine, Vol. 61, No. 404, (1997), 65-77. https://doi.org/10.1180/minmag.1997.061.404.07
  23. Williamson, G. K., Hall, W. H., "X-Ray line broadening from filed aluminium and wolfram", Acta Metallurgica, Vol. 1, No. 1, (1953), 22-31. https://doi.org/10.1016/0001-6160(53)90006-6
  24. Rusu, V. M., Ng, C. H., Wilke, M., Tiersch, B., Fratzl, P., Peter, M. G., "Size-controlled hydroxyapatite nanoparticles as self-organized organic-inorganic composite materials", Biomaterials, Vol. 26, No. 26, (2005), 5414-5426. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.01.051
  25. Farlay, , Panczer, G., Rey, C., Delmas, P. D., Boivin, G., "Mineral maturity and crystallinity index are distinct characteristics of bone mineral", Journal of Bone and Mineral Metabolism, Vol. 28, No. 4, (2010), 433-445. https://doi.org/10.1007/s00774-009-0146-7