elemeket

absztrakt

A hat vegyértékű króm (Cr (VI)) jelenléte a szennyvízben kihívást jelentő környezeti probléma, mivel káros tulajdonságai és felhalmozódása az egyes testekben az egész élelmiszerláncban 1, 2. A veszélyes hatások elkerülése érdekében a Cr (VI) -t el kell távolítani a szennyvízből az esetleges egészségügyi és környezeti kockázatok elkerülése érdekében. Különböző módszereket, például kémiai oxidációt/redukciót, membránszűrést, ioncserét és adszorpciót/szorpciót vizsgáltak a nehézfémek vizes oldatokból és szennyvízből történő megkötésére. A különböző módszerek közül az adszorpciós szétválasztást és a szilárd fázisú extrakciót elkobzásra alkalmasnak tartották. szennyezett vízből származó nehézfémek 3, 4. Hagyományos anyagokat (aktív szén, polimer gyanták, agyagok) és nem konvencionális (mezőgazdasági és ipari hulladékokat) tettek közzé, amelyek eltávolítják a fémszennyeződéseket az 1., 3., 4., 5., 6., 7. szennyvízből. Ezeknek az anyagoknak azonban vannak bizonyos belső korlátai, például alacsony szorpciós kapacitás, hosszabb egyensúlyi idő stb. Ezen okok miatt új, rendkívül nagy adszorpciós kapacitású és szelektív elválasztású adszorbensekre van szükség.

Különböző prekurzorokat, például melamint, karbamidot, cianamidot és dicianamidot alkalmaztunk a gC3N4 szintéziséhez a 16., 17., 19., 20., 21. termikus kondenzációs módszerrel. Az ömlesztett gC3N4 réteges szerkezete hasonló a grafithoz. A gC3N4 csomagolt réteges szerkezete miatt a rétegek közötti aktív helyek nem tartalmaznak adszorpciós folyamatot. Néhány stratégiát, például termikus kémiai maratás 21, 22 vagy ultrahang 23 módszereket alkalmaztak a gC 3 N4 rétegek hámozására és módosítására. Niu és mtsai. A 21. ábra kimondja, hogy a Hummers-módszer nem alkalmas nanorétegek kialakítására, és hogy az ömlesztett gC3N4 nanorészecskékké alakul. Li és munkatársai K2Cr207 és H2SO4 keverékével hámozták és kémiailag oxidálták a gC3N4 tömegét. Li és munkatársai azzal érveltek, hogy a K 2 Cr 2 O 7 és a H 2 SO 4 keveréke hatékonyan alkalmazható az ömlesztett gC3N4 hámlasztásához és oxidációjához gC3N4 nanorészecskékké 24. A gC3N4 nanorészecskék teljes elkülönítése a vizes oldattól azonban nagyon kis méretek, például a nanorészecskés grafén miatt nehéz lehet, ami nanotoxicitást okozhat. Ennek a problémának a kiküszöbölése érdekében a felhordott gC3N4 rétegeket egy másik anyag felületére lehet díszíteni, ami nemcsak a gC3N4 nanorészecskék regenerálódását segíti elő, hanem növeli annak fémszennyező anyagok adszorpciós képességét is.

A polianilin (Pani) és kompozitjai több évtized alatt több figyelmet kaptak könnyű szintézisük, alacsony költségük és magas adszorpciós képességük miatt 25, 26. A Pani könnyen szintetizálható az anilin savas közegben történő polimerizálásával, és a kapott Pani polimer gerincén nettó pozitív töltés van, amely elektrosztatikusan kölcsönhatásba léphet a negatív töltésű Cr (VI) 27, 28-tal. Például Bhaumik és mtsai. 27 szintetizált polipirrol-polianilin nanoszál a Cr (VI) eltávolításához vizes oldatból. Zheng és mtsai. 28 Pani/Kapok szálakból kompozit adszorbent készített a Cr (VI) eltávolítására. Figyelembe véve a Pani egyszerű szintézisét és az adszorpciós tulajdonságokat, felhasználható lenne egy új nanokompozit adszorbens létrehozására gC3N4 nanorészecskékkel.

Ebben az esetben a H2S04-HNO3-H2O2 háromkomponensű elegyet használjuk a tömeges gC3N4 hámozásához és oxidatív átalakításához Ox-gC3N4 nanorétegekké. A kapott Ox-gC3N4 nanorétegeket ezután Pani-NF-en díszítjük, hogy a Cr (VI) eltávolításához Ox-gC3N4/Pani-NF fejlődjön. Korábbi tanulmányok azt mutatják, hogy a szálas Paninak nagy területe van a normál részecskékhez képest, amelyek jobban adszorbeálhatnak. Így ebben a munkában Ms. rostokat készítettünk lágy stencil módszerrel. Részletesen tanulmányoztuk a szintetizált anyagok kristályszerkezetét és kémiai állapotát. Röviden, adszorpciós vizsgálatokat végeztek a Cr (VI) vizes oldatból történő eltávolítására.

Eredmények és vita

kompozit

Az Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit szintézis sematikus ábrázolása.

Teljes méretű kép

TEM elemzést végeztünk az eredeti gC3N4 morfológiájának megfigyelésére; Összetétel: Ox-gC3N4, Pani-NF és Ox-gC3N4/Pani-NF. Az ömlesztett gC3N4 TEM képe több mikroprocesszor méretű szilárd agglomerátumot mutat (S2a ábra). A 2. ábra alapján Az S2b-ből látható, hogy a savas oxidációs folyamat után összekapcsolt, szabálytalan kis levelek, például részecskék keletkeznek. Ez a TEM kép megerősíti az eredeti gC3N4 nanorészecskék sikeres méretcsökkentését és megváltoztatását. Ezenkívül a tiszta Pani porhoz (S2c ábra) egy önállóan összeállított morfológia-szerű szalag jelenik meg. Megállapították azt is, hogy a sav összekapcsolt kis levelei oxidálták a gC3N4 dekorációt Pani-NF-en (2. ábra). Ezek az eredmények az Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit sikeres szintézisét mutatják.

Ox-gC 3N4/Pani-NF kompozit TEM képei.

Teljes méretű kép

Az eredeti gC3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF és Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit kristály- és kémiai szerkezetét részletesen tanulmányozzuk XRD, XPS és FTIR technikák alkalmazásával. A Pani-NF XRD mintázatát a 2. ábra mutatja. 3. Széles csúcs

25 ° igazolja a Pani-NF amorf jellegét. Az intakt gC3N4 XRD-csúcsai körülbelül 12,7 ° és 27,4 ° -on, 0,693 és 0,632 nm magasságoknak felelnek meg, a motívum és a szén-nitrid reflexiós rétegek interlineáris elrendezésének köszönhetők a 24 rétegek között. A savval oxidált gC3N4 (Ox-gC3N4) nanorészecskék XRD mintázatában enyhe eltérés figyelhető meg. A csúcs intenzitása csökken és helyzete 27, 42 ° -ról 28, 2 ° -ra tolódik a 21, 24 rétegek közötti galériatávolság csökkenése miatt. A kémiai oxidáció és maratás miatt az oxidált gC3N4 rétegeket π- π rétegek és H-kötés kölcsönhatások. Ezek az interakciók sűrűbb tömörüléshez és a galéria rétegek közötti távolságának csökkenéséhez vezetnek. Az Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit XRD csúcsintenzitása az eredeti gC3N4 és Ox-gC3N4-hez képest tovább csökken. Ennek oka lehet az Ox-gC 3N4 és a Pani-NF közötti kölcsönhatás. Ezenkívül a Pani jellegzetes csúcsa kevésbé hangsúlyos az Ox-gC 3N4/Pani-NF kompozit XRD mintázatában, mivel az Ox-gC3N4 lefedi a Pani-NF-et.

GC3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF és Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit XRD mintázata.

Teljes méretű kép

XPS adatelemzés Ox-gC3N4 és Ox-gC3N4/Pani-NF kompozitokhoz. ( a, b ) 0 1 s ( c, d ) Ci s a ( e, f ) N1 s.

Teljes méretű kép

Az eredeti gC3N4, Ox-gC 3N4, Pani-NF és Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit FTIR spektrumát a 3. ábra mutatja. 5. Széles csúcs

Az eredeti gC3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF és Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit FTIR spektrumai.

Teljes méretű kép

( a ) Zeta-potenciál és ( b ) az oldat pH-jának hatása a Cr (VI) adszorpcióra a -C3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF és Ox-gC3N4/Pani-NF kompozitokon.

Teljes méretű kép

A 7. ábra bemutatja a Cr (VI) adszorpció kinetikáját az Ox-gC3N4/Pani-NF kompoziton különböző hőmérsékleteken. A Cr (VI) adszorpciója növekszik a reakcióidő növekedésével, és az egyensúlyt 150 percen belül meghatározták. Ezenkívül a reakció hőmérséklete pozitív hatással van az Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit Cr (VI) mérséklésére. Az Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit adszorpciós kapacitása 174, 43-ról 205, 25 mg/g-ra növekszik az oldat hőmérsékletének 30 és 50 ° C közötti emelkedésével, ami azt jelzi, hogy az adszorpciós folyamat endoterm jellegű 40. A Cr (VI) adszorpció jellegének megerősítéséhez az Ox-gC 3N4/Pani-NF kompoziton az adatokat a Gibbs és a Van't Hoff egyenletben adjuk meg.

ahol A °, A ° és AH ° a szabad energia változása, az entrópia változása és az entalpia változása. T, K és R a reakcióhőmérséklet (K), az eloszlási együttható és a gázállandó (8, 314 J/mol k). A 30, 40 és 50 ° C-on kapott AG ° értékek -2, 669, -3, 054 és -4, 307 kJ/mol, ami jelzi az adszorpciós folyamat spontán jellegét és a Cr adszorpciójának megvalósíthatóságát. (VI) ox-gC-on. 3 N4/Pani-NF kompozit 44. A ΔG ° értékek -20 és 0 kJ/mol, illetve -80 és -400 kJ/mol között mozognak gyakran a fizizorpció és a kemiszorpció szempontjából. Az ebben a vizsgálatban kapott A ° értékek azt mutatják, hogy a Cr (VI) adszorpciója az Ox-gC3N4/Pani-NF kompoziton fizikai abszorpció. A pozitív AS-érték (80, 988 J/mol k) a véletlenszerűség növekedését tükrözi a szilárd oldat határfelületén a 46-os adszorpció révén. Ezenkívül az AH ° nagysága tükrözi az adszorbens (Ox-gC3N4/Pani-NF) és az adszorbát (Cr (VI)) közötti kölcsönhatást is. A kemoszorpció AHH értéke általában 40 és 120 kJ/mol között van, míg a Cr (VI) adszorpcióra kapott AHH érték 22,0555 kJ/mol. A Cr (VI) adszorpciós eltávolítása az Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit segítségével tehát a 45, 47 .

A reakcióidő és a hőmérséklet hatása a Cr (VI) eltávolítására Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit alkalmazásával. (koncentráció -200 mg/l, pH-2, 03, térfogat -25 ml, adszorbens tömege - 0, 015 g).

Teljes méretű kép

Ábrán bemutatott kísérleti adatok. A 7. ábrát kinetikai modellhez is illesztjük, hogy meghatározzuk a szabályozás mechanizmusát és sebességi lépését a Cr (VI) adszorpciójában Ox-gC3N4/Pani-NF-en. A pszeudo-első rendű 48 és a pszeudo-másodrendű 49 modelleket alkalmazzák, és a kinetikai modell egyenletei a következők:

ahol qe és qt a Cr (VI) adszorbeált mennyisége (mg/g) egyensúlyi állapotban és a t (perc) időpontban. k1 és k2 az ál-első rendű (L/min) és az ál-másodrendű (g/mg perc) sebességi állandó. Az ál-elsőrendű és az ál-másodrendű kinetikai modellek grafikonjait az S4a, b ábrák mutatják, valamint a sebességi állandók és a számított egyensúlyi adszorpciós kapacitások értékei, az ál-első rendű qe cal (mg/g) és az ál-első a másodrendű kinetikai modelleket az 1. táblázat mutatja. Az ál-másodrendű modell jól alkalmazkodik a kísérleti adatokhoz, mint ál-első rendű kinetikai adatok minden vizsgált hőmérsékleten, a magas R2-értékek miatt. Az ál-másodperces kinetikai modellből feltételezve az Ox-gC 3N4/Pani-NF kompozit Cr (VI) adszorpcióra számított adszorpciós kapacitása sokkal közelebb áll a kísérleti adszorpciós kapacitáshoz. Ez megerősíti az ál-másodrendű kinetikai modell jobb adaptációját az 50 adszorpciós folyamathoz. Ezenkívül az aktiválási energia (Ea) és az adszorpciós erők típusának meghatározásához az Arrayius (5) egyenlet segítségével meghatározzuk az ál-másodrendű sebességi állandó (k2) és a hőmérséklet (T) közötti lineáris kapcsolatot.

Asztal teljes méretben

Az Ea nagysága tisztázza az adszorpcióban részt vevő erőket. A fizikai abszorpció Ea értéke 5 és 40 kJ/mol között, az Ea kemorszorpció esetében pedig 40 és 800 kJ/mol között van. Az Ea Cr (VI) adszorpciója az Ox-gC3N4/Pani-NF kompoziton 20,660 kJ/mol, ami azt jelzi, hogy a fizikai erők részt vesznek az adszorpciós folyamatban 45 .

A kezdeti Cr (VI) koncentrációk hatását az adszorpciós folyamatra megvizsgáljuk, hogy meghatározzuk a Cr (VI) eltávolításának maximális adszorpciós kapacitását és adszorpciós mechanizmusát az Ox-gC 3N4/Pani-NF kompozit alkalmazásával. Amint az a 2. ábrán látható. A 8. ábra szerint az adszorpciós kapacitás a Cr (VI) kezdeti koncentrációjával 200 mg/l-ig nő, majd az adszorpció a rendelkezésre álló adszorpciós helyek telítettsége miatt elérte a fennsíkot. A Cr (VI) és az Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit közötti kölcsönhatás nagyobb lehetősége a Cr (VI) magas kezdeti koncentrációjánál az, hogy a tömegátadási hajtóerők növekedése 51. Ábrán bemutatott egyensúlyi adszorpciós adatok. A 8. ábrát Langmuir és Freundlich izoterm modellekkel elemezzük. A Langmuir izoterm modell egyrétegű lefedettségen alapszik, míg a Freundlich izoterm modell egyensúlyt ad az adszorbens heterogén felületén. Langmuir egyenlete a következőképpen ábrázolható:

ahol qm az egyréteg maximális adszorpciós kapacitása (mg/g) és Ce a Cr (VI) koncentrációja egyensúlyi állapotban (mg/l), és b az adszorpciós energiához (L/mg) viszonyított állandó. q m és b kiszámítása a C e/q e és a lineáris gráf meredekségéből és metszéspontjából történik. C e (S5a ábra).

A Cr (VI) kezdeti koncentrációjának hatása az Ox-gC 3N4/Pani-NF kompozit adszorpciójára. (idő-210 ​​perc, hőmérséklet -30 ° C, pH-2, 03, térfogat -25 ml, adszorbens tömege - 0, 015 g).

Teljes méretű kép

A Freundlich izoterm modell a következőképpen ábrázolható:

ahol qe az egyensúlyi adszorpciós kapacitás (mg/g), KF és n a kapacitást és intenzitást képviselő konstansok. A Freundlich izoterm modell paramétereit az lnqe vs. lnCe (S5b kép).

A qm és b Langmuir izoterm paraméterek számított értéke 178, 57 mg/g és 0,370 l/mg. Másrészt a Freundlich n és Kf izoterm paramétereinek értéke 5, 238 és 72, 893 L/mg. Meg kell jegyezni, hogy a korrelációs együttható (R 2) értéke a Freundlich izotermára alacsonyabb (0, 7247), mint a Langmuir izotermáé (R 2 - 0,9986). Ez arra utal, hogy a Freundlich izoterm modell nem alkalmas a Cr (VI) eltávolításának leírására az Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit segítségével. A Langmuir izoterm modell nagyon jól alkalmazkodik a Cr (VI) adszorpciójához az Ox-gC3N4/Pani-NF összetétel által. Így a Cr (VI) adszorpciós viselkedése az Ox-gC3N4/Pani-NF kompoziton egyrétegűnek tűnik, és a szomszédos Cr (VI) -ionok közötti interakciók lehetősége elhanyagolható 51, 52. Ezenkívül a Langmuir izoterm modell lényeges jellemzője a dimenzió nélküli elválasztási tényező (RL) szempontjából. Az Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit kedvező Cr (VI) adszorpciójához az RL-értékeknek 0 és 1 között kell lenniük. RL> 1 és RL = 0 az 53 és az irreverzibilis adszorpciót jelzik. R L a következőképpen határozható meg:

A $ config [ads_text16] nem található

ahol C ° a Cr (VI) kezdeti koncentrációja (mg/l) és b a Langmuir-állandó (L/mg). Az Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit segítségével a Cr (VI) adszorpcióhoz kapott RL-értékek 0,097 és 0,010 tartományban vannak, ami a Cr (VI) számára kedvező adszorpciós folyamatot és a Langmuir izoterm modell alkalmasságát jelzi adszorpciós egyensúlyi adatok.

A szintetizált anyag hatékonyságának meghatározásához az Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit adszorpciós képességét összehasonlítottuk a Cr (VI) eltávolítására használt, korábban leírt adszorbensekkel. A különböző adszorbensek egyrétegű maximális adszorpciós kapacitását és az alkalmazott kísérleti körülményeket a 2. táblázat tartalmazza. A 2. táblázat eredményei azt mutatták, hogy az adszorbensek adszorpciós kapacitása nagymértékben függ a kísérleti körülményektől és az alkalmazott adszorbenstől. Az Ox-gC3N4/Pani-NF kompozit adszorpciós kapacitása viszonylag nagyobb, mint a fent említett adszorbensek.

Asztal teljes méretben

következtetés

Új anionos szelektív pozitív töltésű Ox-gC3N4/Pani-NF kompozitot szintetizáltunk és jellemeztünk különböző hangszeres technikák alkalmazásával. Az eredmények megmutatják a H 2 SO 4-HNO 3-H 2 O 2 képességét a gC3N4 tömegének hámozására, vágására és oxidálására oxidált gC3N4 nanorészecskékké. A TEM kép egyértelműen mutatja az ömlesztett gC3N4 nanorészecskék változását. Az XPS analízist a gC3N4 tömegének oxidációja igazolja kémiai módosítást követően. A jellemzési eredmények bemutatják a multifunkcionális Ox-gC3N4/Pani-NF sikeres szintézisét és szelektivitását a Cr (VI) adszorpcióhoz vizes oldatból. A Cr (VI) adszorpció jelentősen megnő, ha a gC3N4 funkcionalitása gC3N4 1-re változik Perkin Elmer Spectrum 100 FTIR spektrométerrel. Az Ox-gC3N4 és az Ox-gC3N4/Pani-NF kémiai állapotát és felületi összetételét röntgen fotoelektron spektroszkópiás spektrometriával (XPS), SPECS GmbH (Németország) spektrométerrel elemeztük Mg-Ka (1253, 6 eV röntgen) felhasználásával. forrás) 13, 5 kV, 150 W röntgenteljesítmény mellett.

Hat vegyértékű króm adszorpciója

A Cr (VI) adszorpcióját úgy vizsgáltuk, hogy 0,015 g szintetizált anyagokat összekevertünk 25 ml metálion-oldatban, amelyet 200 fordulat/perc sebességgel kevertünk sötétben. Az oldat pH-jának hatását úgy vizsgáltuk, hogy az oldat pH-ját 2-ről 10-re változtattuk, majd az oldat pH-ját 0,1 M HCl vagy NaOH oldattal állítottuk be. A Cr (VI) kezdeti koncentrációjának hatását különböző koncentrációkban, 25 ° C és 300 mg/l között vizsgálták 30 ° C-on. Az egyensúly elérése után az adszorbeálószeren adszorbeált Cr (VI) mennyiségét az LCK313 HACH-kürettával ( teljes króm-analízis). Az adszorbens adszorpciós kapacitását az adszorbens súlyegységére számítottuk.

A Cr (VI) redukciója Cr (III) -ra általában alacsony pH-n és adszorbens, például polianilin 28 jelenlétében figyelhető meg. Bár a két mechanizmus, a Cr (VI) adszorpcióját és redukcióját nehéz szétválasztani. Ezért egy teljes króm-analízist végeztünk az oldatban fennmaradó krómmennyiség és az adszorbeált Cr (VI)/Cr (III) teljes mennyiségének elemzéséhez, amely a Cr (VI) eltávolítására szolgál az adszorbens felületén.

köszönöm

Ezt a projektet a tudományos kutatások dékánsága (DSR) finanszírozta a jeddai Abdulziz King Egyetemen, az 1. sz. (G-318-155-37). A szerzők ezért köszönetet mondanak a DSR-nek a technikai és pénzügyi támogatásért.

Elektronikus kiegészítő anyag

További információ

Hozzászólások

Megjegyzés beküldésével vállalja, hogy betartja Általános Szerződési Feltételeinket és közösségi irányelveinket. Ha ezt sértő cselekedetnek találja, amely nem felel meg feltételeinknek vagy irányelveinknek, kérjük, jelölje meg nem megfelelőnek.