предметів
реферат
Наявність шестивалентного хрому (Cr (VI)) у стічних водах є серйозною екологічною проблемою через його шкідливі властивості та накопичення в організмі по всьому харчовому ланцюгу 1, 2. Щоб уникнути небезпечних наслідків, Cr (VI) слід видалити зі стічних вод, щоб уникнути можливих ризиків для здоров’я та навколишнього середовища. Різні методи, такі як хімічне окислення/відновлення, мембранна фільтрація, іонообмін та адсорбція/сорбція, були досліджені для захоплення важких металів з водних розчинів та стічних вод. важкі метали із забрудненої води 3, 4. Опубліковано звичайні матеріали (активоване вугілля, полімерні смоли, глини) та нетрадиційні (сільськогосподарські та промислові відходи), що видаляють металеві забруднення зі стічних вод 1, 3, 4, 5, 6, 7. Однак ці матеріали мають певні внутрішні обмеження, такі як низька сорбційна здатність, більший час врівноваження тощо. З цих причин необхідні нові адсорбенти з надзвичайно високою адсорбційною здатністю та селективним розділенням.
Різні попередники, такі як меламін, сечовина, ціанамід та диціанамід, використовувались для синтезу gC3N4 методом термічної конденсації 16, 17, 19, 20, 21. Сипучий gC3N4 має шарувату структуру, подібну до графіту. Через упаковану шарувату структуру gC3N4 активні ділянки між шарами не передбачають процесу адсорбції. Деякі стратегії, такі як термічне хімічне травлення 21, 22 або ультразвукові методи 23, використовувались для очищення та модифікації шарів gC 3 N4. Ніу та співавт. 21 стверджує, що метод Хаммера не придатний для формування наношарів і що основна маса gC3N4 перетворюється на наночастинки. Li та співробітники відшарували та хімічно окислили основну частину gC3N4, використовуючи суміш K2Cr2O7 та H2SO4. Лі та співробітники стверджували, що суміш K 2 Cr 2 O 7 та H 2 SO 4 може бути ефективно використана для відлущування та окислення об'ємного gC3N4 до наночастинок gC3N4 24. Однак повне відокремлення наночастинок gC3N4 від водного розчину може бути важким через дуже малі розміри, такі як наночастинки графен, які можуть спричинити нанотоксичність. Для подолання цієї проблеми нанесені шари gC3N4 можна нанести на поверхню іншого матеріалу, що не тільки сприяє регенерації наночастинок gC3N4, але й збільшує його адсорбційну здатність до забруднень металів.
Поліанілін (Пані) та його композити за кілька десятиліть привертали більше уваги завдяки легкому синтезу, низькій вартості та високій адсорбційній здатності 25, 26. Пані можна легко синтезувати шляхом полімеризації аніліну в кислому середовищі, і отриманий в результаті Пані має чистий позитивний заряд на своєму полімерному каркасі, який може електростатично взаємодіяти з негативно зарядженим Cr (VI) 27, 28. Наприклад, Bhaumik et al. 27 синтезованих поліпірол-поліанілінових нановолокон для видалення Cr (VI) з водного розчину. Чжен та ін. 28 підготували композитний адсорбент з волокон Пані/Капок для видалення Cr (VI). Беручи до уваги простий синтез Пані та адсорбційні властивості, він може бути використаний для створення нового нанокомпозитного адсорбенту з наночастинками gC3N4.
У цьому випадку потрійна суміш H 2 SO 4 -HNO 3 -H 2 O 2 використовується для відшаровування та окисного перетворення об'ємного gC3N4 в наношари Ox-gC3N4. Потім отримані наношари Ox-gC3N4 наносять на Pani-NF для розвитку Ox-gC3N4/Pani-NF для видалення Cr (VI). Попередні дослідження вказують, що волокнистий Пані має велику площу порівняно з нормальними частинками, які можуть бути кращими адсорбентами. Таким чином, у цій роботі волокна пані готувались методом м’якого трафарету. Детально вивчено кристалічну структуру та хімічний стан синтезованих матеріалів. Коротко, були проведені адсорбційні дослідження для видалення Cr (VI) з водного розчину.
Результати і обговорення
Схематичне зображення композиційного синтезу Ox-gC3N4/Pani-NF.
Повнорозмірне зображення
ТЕМ-аналіз проводили для спостереження за морфологією вихідного gC3N4; Склад Ox-gC3N4, Pani-NF та Ox-gC3N4/Pani-NF. На ТЕМ-зображенні об’ємного gC3N4 видно тверді агломерати розміром з кілька мікропроцесорів (рис. S2a). З фіг. З S2b видно, що після процесу кислотного окислення отримують взаємопов’язані нерівні дрібні листки, такі як частинки. Це ТЕМ-зображення підтверджує успішне зменшення розміру та зміну вихідних наночастинок gC3N4. Крім того, для чистого порошку Пані (малюнок S2c) з’являється самосборна морфологічна стрічка. Також було встановлено, що пов’язані дрібні листки окисленого кислотою gC3N4 оздоблення на Pani-NF (рис. 2). Ці результати показують успішний синтез композиту Ox-gC3N4/Pani-NF.
ТЕМ-зображення композиту Ox-gC 3N4/Pani-NF.
Повнорозмірне зображення
Кристалічна та хімічна структура вихідного композиту gC3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF та Ox-gC3N4/Pani-NF детально вивчаються за допомогою методів XRD, XPS та FTIR. Шаблон XRD для Pani-NF показаний на фіг. 3. Широкий пік
25 ° підтверджує аморфну природу Пані-НФ. Піки XRD для інтактного gC3N4 при приблизно 12,7 ° та 27,4 °, що відповідає смолам 0,693 та 0,632 нм, були зумовлені міжлінійним розташуванням мотиву та відбивних шарів нітриду вуглецю між шарами 24. Спостерігається незначне відхилення в діапазоні XRD наночастинок окислених кислотою gC3N4 (Ox-gC3N4). Інтенсивність піку зменшується, а його положення зміщується з 27, 42 ° до 28, 2 ° за рахунок зменшення галерейної відстані між шарами 21, 24. Завдяки хімічному окисленню та травленню окислені шари gC3N4 можна планувати на π- π-шари та взаємодії H-зв’язків. Ці взаємодії призводять до більш щільної упаковки та зменшення відстані галереї між шарами. Пікова інтенсивність XRD для композиту Ox-gC3N4/Pani-NF порівняно з вихідними gC3N4 та Ox-gC3N4 додатково знижується. Це може бути пов'язано з взаємодією між Ox-gC 3N4 та Pani-NF. Крім того, характерний пік для Пані менш виражений у рентгенограмі структури композиту Ox-gC 3N4/Pani-NF, оскільки Ox-gC3N4 покриває Pani-NF.
XRD-малюнок композиту gC3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF та Ox-gC3N4/Pani-NF.
Повнорозмірне зображення
Аналіз даних XPS для композитів Ox-gC3N4 та Ox-gC3N4/Pani-NF. ( a, b ) 0 1 с ( c, d ) Ci s a ( e, f ) N1 с.
Повнорозмірне зображення
Спектри FTIR вихідного композиту gC3N4, Ox-gC 3N4, Pani-NF та Ox-gC3N4/Pani-NF показані на фіг. 5. Широкий пік
Спектри FTIR для оригінального композиту gC3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF та Ox-gC3N4/Pani-NF.
Повнорозмірне зображення
( a ) Зета-потенціал та ( b ) вплив рН розчину на адсорбцію Cr (VI) на композиті -C3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF та Ox-gC3N4/Pani-NF.
Повнорозмірне зображення
На рисунку 7 показана кінетика адсорбції Cr (VI) на композиті Ox-gC3N4/Pani-NF при різних температурах. Адсорбція Cr (VI) зростає із збільшенням часу реакції, і рівновага визначається протягом 150 хвилин. Крім того, температура реакції позитивно впливає на пом'якшення Cr (VI) композитом Ox-gC3N4/Pani-NF. Адсорбційна здатність композиту Ox-gC3N4/Pani-NF збільшується з 174, 43 до 205, 25 мг/г із підвищенням температури розчину з 30 до 50 ° C, що вказує на те, що процес адсорбції має ендотермічну природу 40. Для підтвердження природи адсорбції Cr (VI) на композиті Ox-gC 3N4/Pani-NF дані наведені в рівняннях Гіббса та Вант-Гоффа.
де, A °, A ° і AH ° - це зміна вільної енергії, зміна ентропії та зміна ентальпії. T, K і R - температура реакції (K), коефіцієнт розподілу та газова константа (8, 314 Дж/моль k). Значення AG °, отримані при 30, 40 і 50 ° C, становлять -2, 669, -3, 054 та -4, 307 кДж/моль, що вказує на стихійний характер процесу адсорбції та доцільність адсорбції Cr (VI) на Ox-gC. 3 композит N4/Pani-NF 44. Значення ΔG ° коливаються від -20 до 0 кДж/моль та від -80 до -400 кДж/моль часто для фізичної та хемосорбції відповідно. Значення A °, отримані в цьому дослідженні, вказують на те, що адсорбція Cr (VI) на композиті Ox-gC3N4/Pani-NF є фізичним поглинанням. Позитивне значення AS (80, 988 Дж/моль k) відображає збільшення випадковості на межі розділу твердого розчину за допомогою адсорбції 46. Крім того, величина AH ° також відображає взаємодію між адсорбентом (Ox-gC3N4/Pani-NF) та адсорбатом (Cr (VI)). Значення AHH для хемосорбції зазвичай становить від 40 до 120 кДж/моль, тоді як отримане значення AHH для адсорбції Cr (VI) становить 22,0555 кДж/моль. Таким чином, адсорбційне видалення Cr (VI) композитом Ox-gC3N4/Pani-NF відбувається завдяки фізичному поглинанню 45, 47 .
Вплив часу реакції та температури на видалення Cr (VI) з використанням композиту Ox-gC3N4/Pani-NF. (конц. -200 мг/л, рН-2, 03, об. -25 мл, маса адсорбенту - 0,015 г).
Повнорозмірне зображення
Експериментальні дані, показані на фіг. 7 також пристосовані до кінетичної моделі для визначення механізму та швидкості кроку регуляції в адсорбції Cr (VI) на Ox-gC3N4/Pani-NF. Використовуються моделі псевдопершого порядку 48 та псевдодругого порядку 49, а рівняння кінетичної моделі такі:
де qe і qt - адсорбована кількість Cr (VI) (мг/г) при рівновазі та час t (хв). k1 і k2 - константи швидкості псевдопершого порядку (л/хв) та псевдодругого порядку (г/мг хв). Графіки кінетичних моделей псевдо першого та псевдо другого порядку представлені на малюнках S4a, b, а також значення констант швидкості та обчислених рівноважних потужностей адсорбції, qe cal (мг/г) для псевдопершого порядку та псевдо- Кінетичні моделі другого порядку наведені в таблиці 1. Модель псевдо-другого порядку добре адаптована до експериментальних даних як кінетичні дані псевдо-першого порядку при всіх досліджуваних температурах через високі значення R2. Розрахункові адсорбційні здатності композиту Ox-gC 3N4/Pani-NF для адсорбції Cr (VI), як передбачається з псевдосекундної кінетичної моделі, набагато ближчі до експериментальної адсорбційної здатності. Це підтверджує кращу адаптацію кінетичної моделі псевдодругого порядку для процесу адсорбції 50. Крім того, щоб знайти енергію активації (Ea) та тип сил адсорбції, лінійну залежність між константою швидкості псевдодругого порядку (k2) та температурою (T) визначають за допомогою рівняння Арреніуса (5).
Стіл в натуральну величину
Величина Еа уточнює сили, що беруть участь в адсорбції. Еа для фізичного поглинання становить від 5 до 40 кДж/моль, а для хемосорбції Еа в діапазоні від 40 до 800 кДж/моль. Адсорбція Ea для Cr (VI) на композиті Ox-gC3N4/Pani-NF становить 20,660 кДж/моль, що вказує на участь фізичних сил у процесі адсорбції 45 .
Досліджено вплив початкових концентрацій Cr (VI) на процес адсорбції для визначення максимальної адсорбційної здатності та механізму адсорбції для видалення Cr (VI) за допомогою композиту Ox-gC 3N4/Pani-NF. Як показано на фіг. 8, адсорбційна здатність зростає з початковою концентрацією Cr (VI) до 200 мг/л, а потім адсорбція досягла плато завдяки насиченню доступних сайтів адсорбції. Більш високою можливістю взаємодії між Cr (VI) та композитом Ox-gC3N4/Pani-NF при високій початковій концентрації Cr (VI) є збільшення збільшення рушійних сил масопереносу 51. Дані про рівноважну адсорбцію, представлені на фіг. 8 проаналізовано за допомогою моделей ізотерми Ленгмюра та Фройндліха. Модель ізотерми Ленгмюра базується на одношаровому покритті, тоді як модель ізотерми Фрейндліха постулює рівновагу на неоднорідній поверхні адсорбенту. Рівняння Ленгмюра можна представити у вигляді:
де qm - максимальна адсорбційна здатність моношару (мг/г), а Ce - концентрація Cr (VI) в рівновазі (мг/л), а b - константа, яка пов'язана з енергією адсорбції (л/мг). q m і b обчислюються з нахилу та перетину лінійного графіка C e/q e vs. C e (малюнок S5a).
Вплив початкової концентрації Cr (VI) на його адсорбцію на композиті Ox-gC 3N4/Pani-NF. (час-210 хвилин, температура -30 ° С, рН-2, 03, об'єм -25 мл, вага адсорбенту - 0,015 г).
Повнорозмірне зображення
Модель ізотерми Фройндліха може бути представлена у вигляді:
де qe - адсорбційна здатність у рівновазі (мг/г), KF та n - константи, що представляють ємність та інтенсивність. Параметри ізотермічної моделі Фрейндліха розраховуються з графіка lnqe vs. lnCe (Зображення S5b).
Розрахункові значення параметрів ізотерми Ленгмюра qm і b становлять 178, 57 мг/г та 0,370 л/мг. З іншого боку, значення параметрів ізотерми Фрейндліха n і Kf становлять 5, 238 та 72, 893 л/мг. Слід зазначити, що значення коефіцієнта кореляції (R 2) для ізотерми Фройндліха нижче (0, 7247), ніж значення для ізотерми Ленгмюра (R 2 - 0,9986). Це свідчить про те, що модель ізотерми Фрейндліха не підходить для опису видалення Cr (VI) за допомогою композиту Ox-gC3N4/Pani-NF. Модель ізотерми Ленгмюра дуже добре адаптована до адсорбції Cr (VI) композицією Ox-gC3N4/Pani-NF. Таким чином, адсорбційна поведінка Cr (VI) на композиті Ox-gC3N4/Pani-NF представляється одношаровою, і можливість взаємодії між сусідніми іонами Cr (VI) є незначною 51, 52. Крім того, це є важливою особливістю моделі ізотерми Ленгмюра з точки зору безрозмірного коефіцієнта поділу (RL). Для сприятливої адсорбції Cr (VI) на композиті Ox-gC3N4/Pani-NF значення RL повинні бути від 0 до 1. RL> 1 і RL = 0 свідчать про несприятливу та незворотну адсорбцію 53, відповідно. R L можна визначити як:
$ config [ads_text16] не знайдено
де С ° - початкова концентрація Cr (VI) (мг/л), а b - постійна Ленгмюра (Л/мг). Значення RL, отримані для адсорбції Cr (VI) з використанням композиту Ox-gC3N4/Pani-NF, знаходяться в діапазоні 0,097 і 0,010, що вказує на сприятливий процес адсорбції Cr (VI) та придатність моделі ізотерми Ленгмюра для дані про адсорбційну рівновагу.
Для визначення ефективності синтезованого матеріалу адсорбційну здатність композиту Ox-gC3N4/Pani-NF порівнювали з описаними раніше адсорбентами, що використовувались для видалення Cr (VI). Максимальна адсорбційна здатність моношару різних адсорбентів та використовувані експериментальні умови наведені в таблиці 2. Результати таблиці 2 показали, що адсорбційна здатність адсорбентів сильно залежить від експериментальних умов та використовуваного адсорбенту. Адсорбційна здатність композиту Ox-gC3N4/Pani-NF порівняно вище, ніж згадані вище адсорбенти.
Стіл в натуральну величину
висновок
Новий аніонно-селективно позитивно заряджений композит Ox-gC3N4/Pani-NF був синтезований та охарактеризований за допомогою різних інструментальних методів. Результати показують здатність H2SO4-HNO3-H2O2 відшаровувати, розрізати та окислювати основну частину gC3N4 до окислених наночастинок gC3N4. На зображенні TEM чітко видно зміну об’ємних наночастинок gC3N4. Аналіз XPS підтверджується окисленням основного складу gC3N4 після хімічної модифікації. Результати характеристики демонструють успішний синтез багатофункціонального Ox-gC3N4/Pani-NF та його селективність щодо адсорбції Cr (VI) з водного розчину. Адсорбція Cr (VI) значно збільшується, коли функціональність gC3N4 змінюється на gC3N4 1 за допомогою спектрометра Perkin Elmer Spectrum 100 FTIR. Хімічний статус та поверхневий склад Ox-gC3N4 та Ox-gC3N4/Pani-NF аналізували за допомогою рентгенівської фотоелектронної спектроскопічної спектрометрії (XPS), SPECS GmbH, (Німеччина), за допомогою Mg-Ka (1253, 6 еВ рентгенівських променів) джерело) при 13, 5 кВ, потужність рентгенівського випромінювання 150 Вт.
Адсорбція шестивалентного хрому
Адсорбцію Cr (VI) вивчали шляхом змішування 0,015 г синтезованих матеріалів у 25 мл розчину іонів металів, перемішуваних при темп. 200 об/хв. Вплив рН розчину досліджували шляхом зміни рН розчину від 2 до 10, і рН розчину регулювали 0,1 М розчином HCl або NaOH. Вплив початкової концентрації Cr (VI) досліджували при різних концентраціях від 25 до 300 мг/л при 30 ° C. Дослідження часу рівноваги проводили в серії конічних колб, перемішуваних протягом 5 - 210 хвилин при різних температурах 30, 40 і 50 ° C. Після досягнення рівноваги кількість Cr (VI), адсорбованого на адсорбенті, визначали за допомогою кюретки HACH LCK313 (аналіз загального хрому). Адсорбційну здатність адсорбенту розраховували на одиницю ваги адсорбенту.
Зниження Cr (VI) до Cr (III) зазвичай спостерігається при низькому рН та у присутності адсорбенту, такого як поліанілін 28. Хоча обидва механізми, адсорбцію та відновлення Cr (VI) важко розділити. Тому був проведений загальний аналіз хрому для аналізу залишкової кількості хрому в розчині та загальної кількості адсорбованого Cr (VI)/Cr (III), який, як вважається, видаляє Cr (VI) на поверхні адсорбенту.
Дякую
Цей проект фінансувався Деканством наукових досліджень (DSR) при Університеті короля Абдулзіза, Джидда, за грантом №. (G-318-155-37). Тому автори дякують DSR за технічну та фінансову підтримку.
Електронний додатковий матеріал
Додаткова інформація
Коментарі
Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватися наших Загальних положень та умов та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте, що це образливий вчинок, який не відповідає нашим умовам чи інструкціям, повідомте про це як про недоречний.