Study of the Surface Charge of a Porous Clay Heterostructure (PCH) and Its Adsorption Capacity of Alkaline Metals

Sofía Arellano–Cárdenas,¹ Tzayhrí Gallardo–Velázquez,^1* Guillermo Osorio–Revilla,² and Ma. del Socorro López–Cortez¹

¹ Departamento de Biofísica. Escuela Nacional de Ciencias Biológicas del Instituto Politécnico Nacional. Plan de Ayala y Carpio, s/n. Col. Casco de Santo Tomás. México, 11340. D. F. Phone: (55) 57296000 ext. 62305. ^*Responsible author: tgallard@encb.ipn.mx.

² Departamento de Ingeniería Bioquímica. Escuela Nacional de Ciencias Biológicas del Instituto Politécnico Nacional.

Received February 3, 2010 ]]> Accepted April 21, 2010

Abstract

A Porous Clay Heterostructure (PCH) was prepared by chemical modification of a natural clay, by intercalation of a cationic surfactant. Its surface charge properties as well as its adsorption capacity for alkali metals were studied using a potentiometric titration method. The PCH developed a pH–dependent charge (σ_H), probably due to the presence of amphoteric silanol groups (SiO₂) coming from the pillars of silica interlayered during the pillared process. The PCH presented a region of zero charge in the range of pH of 4.0 to 7.7. The σ_H acquired by the PCH was adjusted with good correlation to the electric double layer model of Gouy–Chapman (r² = 0.9925). The surface charge conferred the PCH ion exchange capacity for the studied metals (Li, Na, K, Rb and Cs) at high pH values (10 < pH), in comparable quantities (3.5 to 6 meq/g) to some Dowex resins. The results of this study suggest that PCH could have applications in the recovery of toxic metals from waste waters.

Key words: clay, PCH, metal adsorption, surface charge.

Resumen

Se preparó una arcilla porosa de estructura heterogénea (PCH) mediante la modificación química de una arcilla natural, intercalando un surfactante catiónico. Se estudiaron sus propiedades de carga superficial así como su capacidad de adsorción de metales alcalinos utilizando un método de titulación potenciométrica. La PCH desarrolló carga dependiente del pH (σ_H), debido probablemente a la presencia de grupos silanol (SiO₂) provenientes de los pilares de silica intercalados durante el proceso de pilarización. La PCH presentó una región de carga cero en el intervalo de pH de 4.0 a 7.7. La σ_H adquirida por la PCH se ajustó con buena correlación al modelo de doble capa eléctrica de Gouy–Chapman (r² = 0.9925). Esta carga superficial le confirió capacidad de intercambio iónico de los metales estudiados (Li, Na, K, Rb y Cs) a valores de pH altos (10.0 < pH), en cantidades comparables (3.5 a 6 meq/g) con algunas resinas Dowex. Los resultados de este estudio sugieren que la PCH puede tener aplicación en la remoción de metales tóxicos presentes en aguas residuales.

Palabras clave: arcilla, PCH, adsorción de metales, carga superficial.

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