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Insight into sorption mechanism of natural zeolites: Investigation of the bulk structural and surface-modifications after heavy-metal treatment in aqueous solutions

English title Insight into sorption mechanism of natural zeolites: Investigation of the bulk structural and surface-modifications after heavy-metal treatment in aqueous solutions
Applicant Cametti Georgia
Number 173997
Funding scheme Ambizione
Research institution Institut für Geologie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Mineralogy
Start/End 01.05.2018 - 30.04.2021
Approved amount 440'769.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Mineralogy
Physical Chemistry

Keywords (4)

heavy-metals; cation-exchange; X-ray diffraction; zeolites

Lay Summary (Italian)

Lead
Questo progetto mira allo studio dei cambiamenti strutturali avvenenti nelle zeoliti naturali in funzione dell’assorbimento di metalli pesanti. Nello specifico, si prederanno in considerazione Ag+, Cd2+ e Pb2+. L’obiettivo principale è definire l’influenza di questi cationi sulle proprietà strutturali delle zeoliti e sulla loro stabilità termica. Le zeoliti naturali sono minerali microporosi ampiamente diffusi in natura, caratterizate da importanti proprietà quali la capacità di scambio cationico, adsorbimento, capacità di agire come setacci molecolari e catalizzatori. Di conseguenza, sono ampiamente utilizzate nei processi di purificazione e rimedio ambientale, per il trattamento di suoli e acque inquinate e in molti processi industriali. Lo studio del processo di assorbimento di metalli pesanti da parte di zeoliti naturali è di particolare rilevanza principlamente in due campi di ricerca: il rimedio ambientale e i processi di catalisi.
Lay summary

Soggetto e obiettivo

Nonostante la ricerca in questo campo sia particolarmente attiva, molti aspetti restano ancora da chiarire. Tra questi, due punti cruciali necessitano uno studio approfondito: i) una distinta caratterizzazione tra adsorbimento ed effettivo “scambio cationico” e ii) il campo di stabilità della struttura zeolitica dopo essere stata esposta ai metalli pesanti. Di conseguenza, differentemente dalla maggior parte degli studi presenti in questo campo, lo scopo principale non è quello di valutare la capacità di scambio cationico delle zeoliti naturali; al contrario l’obiettivo è investigare la risposta strutturale del framework zeolitico all’assorbimento dei metalli pesanti e, di particolare rilevanza, investigare le conseguenze di tale scambio sulla stabilità termica di questi minerali.

Per raggiungere questi obiettivi verrà impiegata una combinazione di differenti tecniche analitiche per caratterizzare: cambiamenti della strututra di bulk e quelli avvenenti a livello superficiale. Informazioni strutturali dettagliate saranno ottenute da diffrazione da raggi X su cristallo singolo (SC-XRD) mentre la microscopia a forza atomica (AFM) verrà impiegata per l’analisi della superficie cristallina. Inoltre la spettroscopia da raggi X (EXAFS) sarà utilizzata per caratterizzare la struttura locale delle specie assorbite. Per concludere, i meccanismi molecolari e la termodinamica sia della struttura che delle interazioni ioni-superficie verrano estrapolati combinando simulazioni atomistiche e osservazioni sperimentali.

 

Contesto socio-scientifico

L’importanza di focalizzarsi sull’aspetto chimico e strutturale dell’assorbimento di metalli pesanti da parte di zeoliti naturali ha una duplice rilevanza: come ricerca di base, dà l’opportunità di poter produrre ed esplorare nuove fasi cristalline derivanti dallo scambio cationico; da un punto di vista applicativo, questo tipo di ricerca fornisce una solida base per capire se la zeolite in questione è in grado di trattenere i metalli pesanti e, in caso, quali condizioni sono necessarie per sostenere questa immobilizzazione. Nel primo caso, il risvolto è prettamente di tipo  industriale/tecnologico, dando la possiblita’ di ottenere fasi con nuove proprieta’ microporose. Nel secondo caso è chiaro come il lavoro potra’ avere un ruolo significativo nella pianificazione dei programmi di rimedio ambientale.

Parole chiave

Zeoliti, metalli pesanti, scambio cationico, diffrazione da raggi-X

Direct link to Lay Summary Last update: 08.03.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Framework Modifications and Dehydration Path of a Ag + -Modified Zeolite with STI Framework Type
Cametti Georgia, Scheinost Andreas C., Giordani Matteo, Churakov Sergey V. (2019), Framework Modifications and Dehydration Path of a Ag + -Modified Zeolite with STI Framework Type, in The Journal of Physical Chemistry C, 123(22), 13651-13663.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Paul Scherrer Institute Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) France (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
XXII Meeting of the International Mineralogical Association Talk given at a conference New topology of levyne B under quasi-equilibrium conditions: a temperature-dependent in situ single crystal X-ray diffraction study 13.08.2018 Melbourne, Australia Cametti Georgia;
ZEOLITE 2018 Talk given at a conference Framework modification and dehydration path of the Ag-exchanged form of stellerite (STI) 24.06.2018 Krakow, Poland Cametti Georgia;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
177033 A dual wavelength X-ray single crystal diffractometer for accurate investigations at extreme conditions 01.08.2018 R'EQUIP

Abstract

This project is aimed at the investigation of structural changes occurring in natural zeolites as a function of heavy-metal uptake. In particular, the case of Ag+, Cd2+, and Pb2+ will be taken into account. The main goal is to define the influence of such cations on the structural properties of the zeolites and on their thermal stability. Natural zeolites are used in a large number of applications. They are employed as effective sorbents in environmental remediation and in purification processes, such as wastewater treatment and soil depollution. Moreover, in the past decades the interest in natural zeolites has been continuously increasing due to their low-cost and abundancy. Thus, there is extensive research on zeolites worldwide. In particular, the study of heavy-metal sorption pertains mainly to two fields of interest: environmental remediation and catalysis processes. In addition, compared to synthetic zeolites, natural counterparts show greater thermal stability and better resistance to acid environments. Despite many years of active research on this topic several aspects remain to be clarified. Among them two crucial points need further investigation: i) a distinct characterization between adsorption and true “ion-exchange” and, ii) the range of stability of the zeolite structure after the exposure to heavy-metal cations. Therefore, in contrast to most of previous studies, the objective of this project is not to evaluate the heavy-metal sorption capacity of natural zeolites; rather, the main task is to elucidate the structural response of zeolite framework to the heavy-metal uptake and, most important, to understand the consequences on its stability under non-ambient conditions. A multi-methodological approach will be used to achieve these goals. A combination of distinct techniques will be applied to characterize: modifications affecting the bulk and those occurring at surface level. With this purpose, detailed structural information will be extracted by means of single crystal X-ray diffraction (SC-XRD) whereas the analysis of the crystal surfaces will be performed by atomic force microscopy (AFM). Further, Extended X-ray fine absorption structure spectroscopy (EXAFS) will be applied to characterize local structural environment of both adsorbed and true “ion-exchanged” species. Finally, molecular mechanism and thermodynamics of ion-framework and ion-surface interaction will be obtained combining atomistic simulations and experimental observations. The importance of focusing on chemical and structural aspect of heavy-metal uptake by natural zeolites has a double outcome; as a basic research, it gives the opportunity to track differences at structural level and, most relevant, to exploit possible new phases occurring as a function of the cation-exchange. From an applicative point of view (industrial but especially environmental applications) it will provide a solid basis to understand whether the zeolite is able to retain the metals and, if so, which conditions are necessary to sustain such immobilization. Considering the enormous interest in this research field, such approach will lead to ways to improve the use of zeolites in several areas.
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