Surface complexation models(SCMs) have been performed to predict metal ion adsorption behavior onto the mineral surface. Application of SCMs, however, requires a self-consistent approach to determine model parameter values.
In this paper, in order to determine the metal ion adsorption parameters for the triple layer model(TLM) version of the SCM, we used the zeta potential data for Zeolite and Kaolinite, and the metal ion adsorption data for Pb(II) and Cd(II).
Fitting parameters determined for the modeling were as follows ; total site concentration, site density, specific surface area, surface acidity constants, etc. Zeta potential as a new approach other than the acidic-alkalimetric titration method was adopted for simulation of adsorption phenomena. Some fitting parameters were determined by the trial and error method. Modeling approach was successful in quantitatively simulating adsorption behavior under various geochemical conditions.
Surface complexation models employ mass law equations to describe the reaction of surface functional groups with ions in the solution and also Gouy-Chapman theory to consider the electrostatic effects in the surface reactions. In current surface complexation models, however, the coulombic factors used are not wholly consistent with the Gouy-Chapman model of the surface. This study was to provide the derivation of the coulombic term usually employed and then a revised coulombic term completely consistent with Gouy-Chapman Theory. The electrical potential energy. zF${\psi}$, in current surface complexation models is not consistent with the Gouy-Chapman theory with the potential gradient close to the charged surface but with the Donnan model with the uniform potential. Even though the new coulombic factor yielded lower surface potential, it provided worse fits for acid-base titration data of the goethite suspensions.
The influence of adsorption on cadmium toxicity to soil microorganisms in smectite-rich soils and sediments was quantified as a function of solution and sorbent characteristics. Adsorption and surface complexation experiments were conducted to infer Cd sorption mechanisms to a reference smectite and three fractions of a Veritsol soil, and to elucidate the effects of the surface complexation on Cd bioavailability and toxicity in soils and sediments. Cadmium adsorption isotherms conformed to the Langmuir adsorption model, with adsorptive capacities of the different samples dependent on their characteristics. Equilibrium geochemical modeling (MINTEQA2) was used to predict the speciation of Cd in the soil suspensions using Langmuir and Triple Layer surface complexation models. The influence of adsorption and surface complexation on cadmium toxicity to soil microorganisms was assessed indirectly through the relative change in microbial hydrolysis of fluorescein diacetate (FDA) as a function of total Cd concentration and sorbent characteristics. Adsorption decreased the toxicity of Cd to soil microorganisms. Inner-sphere complexation is more effective than outer-sphere complexation in reducing the bioavailability and toxicity of heavy metals in soils and sediments.
The sorption of UO$_2$$^{2+}$showed ionic strength independece for goethite and dependence for kaolinite. In the presence of carbonate, the sorption decreased in the weakly alkaline pH range becase of the formation of aqueous U(VI)-carbonate complexes. The sorption of UO$_2$$^{2+}$onto goethite and kaolinite under various experimental conditions was successfully interpreted using a surface complexation modeling, named triple layer model (TLM). The best fit to the experimental data was obtained by the FITEQL program, and then evaluated with available spectroscopic data. The results showed the versatility of surface complexation modeling over empirical one to predict UO$_2$$^{2+}$ sorption behavior.avior.
Thermodynamic sorption modeling can enhance confidence in assessing and demonstrating the radionuclide sorption phenomena onto various mineral adsorbents. In this work, Ca-montmorillonite was successfully purified from Bentonil-WRK bentonite by performing the sequential physical and chemical treatments, and its geochemical properties were characterized using X-ray diffraction, Brunauer-Emmett-Teller analysis, cesium-saturation method, and controlled continuous acid-base titration. Further, batch experiments were conducted to evaluate the adsorption properties of Cs(I) and Sr(II) onto the homoionic Ca-montmorillonite under ambient conditions, and the diffuse double layer model-based inverse analysis of sorption data was performed to establish the relevant surface reaction models and obtain corresponding thermodynamic constants. Two types of surface reactions were identified as responsible for the sorption of Cs(I) and Sr(II) onto Ca-montmorillonite: cation exchange at interlayer site and complexation with edge silanol functionality. The thermodynamic sorption modeling provides acceptable representations of the experimental data, and the species distributions calculated using the resulting reaction constants accounts for the predominance of cation exchange mechanism of Cs(I) and Sr(II) under the ambient aqueous conditions. The surface complexation of cationic fission products with silanol group slightly facilitates their sorption at pH > 8.
다성분 양이온 교환을 위한 평형과 동역학 데이터는 질량 작용 법칙과 표면 착화 모델을 이용하여 수행 및 평가하였다. 양이온 흡착의 평형과 칼럼 실험은 양이온 교환 합성 수지 IRN 77로 H/sup +/, Li/sup +/, Na/sup +/, NH₄/sup +/, Mg²/sup +/ 이용하여 2, 3, 4, 5 성분 양이온 교환을 수행하였다. 질량 작용 법칙과 표면 착화 모델은 이온 선택도와 경쟁적 양이온 교환을 조사하기 위하여 데이터에 대해 시험하였다. 표면 착화 모델은 질량 작용 모델보다 평형과 동역학 실험 데이터를 정확히 예측하였다.
The adsorption of Cs-137 and Sr-90 onto kaolinite in prescence of major groundwater cations (Ca2+, K+, Na+) with different concentrations was simulated by using triple-layer surface complexation model (TL-SCM). The site density (8.73 sites/nm2) of kaolinite used for TL-SCM was calculated from it's CEC and specific surface area. TL-SCM modeling results indicate that concentrations dependence on 137Cs and 90Sr adsorption onto kaolinite as a function of pH is best modeled as an outer-sphere surface reaction. This suggests that Cs+ and Sr2+ are adsorbed at the $\beta$-layer in kaolinite-water interface where the electrolytes, Nacl, KCl and CaCl2, bind. However, TL-SCM results on Sr adsorption show a discrepancy between batch data and fitting data in alkaline condition. This may be due to precipitation of SrCO3 and complexation such as SrOH+. Intrinsic reaction constants of ions obtained from model fit are as follows: Kintcs=10-2.10, KintSr=10-2.30, KintK=10-2.80, KintCa=10-3.10 and KintNa=10-3.32. The results are in the agreement with competition order among groundwater ions (K+>Ca2+>Na+) and sorption reference of nuclides (Cs-137>Sr-90) at kaolinite-water interface showed in batch test.
The sorption of UO$_{2}$$^{2+}$ onto goethite and kaolinite under various experimental conditions was successfully interpreted using surface complexation modeling (SCM). The SCM approach used in this work is the triple-layer model (TLM) in which weakly bonded ions are modeled as outer-sphere (ion-pair) complexes and strongly bonded ions as inner-sphere (surface coordination) complexes. The change of ionic strength did not affect the U(VI) sorption onto goethite, thus the formation of inner-sphere surface complexes, (FeO)$_2$UO$_2$ and (FeO)$_2$(UO$_2$)$_3$OH$_{5}$ was assumed to simulate the effects of ionic strength and goethite concentration. On the other hand, the U(VI) sorption onto kaolinite showed ionic strength dependence, thus the formation of AlO-UO$_{2}$$^{2+}$(outer-sphere complex) and SiO(UO$_2$)$_3$OH$_{5}$ (inner-sphere complex) was assumed to simulate the experimental data. In the presence of carbonates, the sorption of U(VI) onto kaolinite decreased in the weakly alkaline pH range. This was well simulated assuming the formation of a outer-sphere surface complex, A1OH$^{2+}$- (UO$_2$)$_2$CO$_3$OH$_3$. Since SCM approach uses thermodynamic data such as surface complexation constants, it is more predictive than empirical modeling approach in which conditional values such as partition coefficient are used. used.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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