елементи
абстрактно
Наличието на шестовалентен хром (Cr (VI)) в отпадъчните води е сериозен екологичен проблем поради неговите вредни свойства и натрупване в отделното тяло по цялата хранителна верига 1, 2. За да се избегнат опасни ефекти, Cr (VI) трябва да се отстрани от отпадъчните води, за да се избегнат възможни рискове за здравето и околната среда. Различни методи, като химично окисляване/редукция, мембранна филтрация, йонен обмен и адсорбция/сорбция, са изследвани за улавяне на тежки метали от водни разтвори и отпадъчни води. Сред различните методи се счита, че адсорбционното разделяне и екстракцията в твърда фаза могат да бъдат конфискувани технология.тежки метали от замърсена вода 3, 4. Публикувани са конвенционални материали (активен въглен, полимерни смоли, глини) и неконвенционални (селскостопански и промишлени отпадъци), които премахват металните замърсители от отпадъчните води 1, 3, 4, 5, 6, 7. Тези материали обаче имат определени вътрешни ограничения, като ниска сорбционна способност, по-дълго време за уравновесяване и т.н. Поради тези причини са необходими нови адсорбенти с изключително висока адсорбционна способност и селективно разделяне.
Различни прекурсори като меламин, урея, цианамид и дицианамид бяха използвани за синтеза на gC3N4 по метода на термична кондензация 16, 17, 19, 20, 21. Насипният gC3N4 има слоеста структура, подобна на графита. Поради пакетираната слоеста структура на gC3N4, активните места между слоевете не включват процес на адсорбция. Някои стратегии, като термично химично офорт 21, 22 или ултразвук 23, са използвани за обелване и модифициране на слоевете gC 3 N4. Niu et al. 21 гласи, че методът на Хамърс не е подходящ за образуване на нанослоеве и че обемът gC3N4 се превръща в наночастици. Li и колеги ексфолират и химически окисляват общия gC3N4, използвайки смес от K2Cr2O7 и H2SO4. Li и колеги твърдят, че смес от K 2 Cr 2 O 7 и H 2 SO 4 може да бъде ефективно използвана при ексфолирането и окисляването на насипни gC3N4 до gC3N4 наночастици 24. Пълното отделяне на наночастиците gC3N4 от водния разтвор може да бъде трудно поради много малки размери, като наночастици графен, които могат да причинят нанотоксичност. За да се преодолее този проблем, нанесените gC3N4 слоеве могат да бъдат декорирани върху повърхността на друг материал, което не само помага за регенерацията на наночастици gC3N4, но също така увеличава неговата адсорбционна способност за метални замърсители.
Полянилинът (Pani) и неговите композити са придобили по-голямо внимание в продължение на няколко десетилетия поради техния лесен синтез, ниска цена и висока адсорбционна способност Pani може лесно да се синтезира чрез полимеризиране на анилин в кисела среда и полученият Pani има нетен положителен заряд върху полимерния си скелет, който може да взаимодейства електростатично с отрицателно заредения Cr (VI) 27, 28. Например Bhaumik et al. 27 синтезирани полипирол-полианилинови нановолокна за отстраняване на Cr (VI) от воден разтвор. Zheng et al. 28 приготви композитен адсорбент от влакна Pani/Kapok за отстраняване на Cr (VI). Предвид простия синтез на Pani и адсорбционните свойства, той може да се използва за създаване на нов нанокомпозитен адсорбент с gC3N4 наночастици.
В този случай тройната смес H 2 SO 4 -HNO 3 -H 2 O 2 се използва за пилинг и окислително превръщане на насипни gC3N4 в Ox-gC3N4 нанослоеве. След това получените нанослоеве Ox-gC3N4 се украсяват върху Pani-NF, за да се развие Ox-gC3N4/Pani-NF за отстраняване на Cr (VI). Предишни проучвания показват, че влакнестият Pani има голяма площ в сравнение с нормалните частици, което може да бъде по-добър адсорбент. По този начин, в тази работа, г-жа влакна бяха приготвени по метода на мекия шаблон. Изследвани са подробно кристалната структура и химичните състояния на синтезираните материали. Накратко бяха проведени адсорбционни изследвания за отстраняване на Cr (VI) от воден разтвор.
Резултати и дискусия
Схематично представяне на композитния синтез Ox-gC3N4/Pani-NF.
Изображение в пълен размер
Извършен е ТЕМ анализ, за да се наблюдава морфологията на оригиналния gC3N4; Състав Ox-gC3N4, Pani-NF и Ox-gC3N4/Pani-NF. TEM изображението на насипни gC3N4 показва твърди агломерати с размера на няколко микропроцесора (Фигура S2a). От фиг. От S2b се вижда, че след процеса на киселинно окисление се получават взаимно свързани неправилни малки листа, като частици. Това TEM изображение потвърждава успешното намаляване на размера и промяна на оригиналните наночастици gC3N4. В допълнение, за чистия прах Pani (Фигура S2c) се появява самосглобена морфологична лента. Също така беше установено, че свързаните малки листа от киселинно-окислената gC3N4 декорация върху Pani-NF (фиг. 2). Тези резултати показват успешния синтез на композита Ox-gC3N4/Pani-NF.
TEM изображения на композит Ox-gC 3N4/Pani-NF.
Изображение в пълен размер
Кристалната и химична структура на оригиналния композит gC3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF и Ox-gC3N4/Pani-NF са подробно проучени с помощта на XRD, XPS и FTIR техники. XRD моделът на Pani-NF е показан на ФИГ. 3. Широк връх
25 ° потвърждава аморфната природа на Pani-NF. XRD пиковете за непокътнат gC3N4 при около 12,7 ° и 27,4 °, съответстващи на височини на тона от 0, 693 и 0,332 nm, се дължат на междулинейното разположение на мотива и отражателните слоеве на въглероден нитрид между слоевете 24. Наблюдава се леко отклонение в XRD модела на киселинно-окислените gC3N4 (Ox-gC3N4) наночастици. Интензивността на пика намалява и позицията му се измества от 27, 42 ° до 28, 2 ° поради намаляването на разстоянието между галериите между слоеве 21, 24. Поради химичното окисление и офорт, окислените слоеве gC3N4 могат да се планират от π- π слоеве и взаимодействия на H-връзка. Тези взаимодействия водят до по-плътно опаковане и намаляване на разстоянието на галерията между слоевете. Пиковият интензитет на XRD за композит Ox-gC3N4/Pani-NF в сравнение с оригиналния gC3N4 и Ox-gC3N4 е допълнително намален. Това може да се дължи на взаимодействия между Ox-gC 3N4 и Pani-NF. В допълнение, характерният пик за Pani е по-слабо изразен в XRD модела на композита Ox-gC 3N4/Pani-NF, тъй като Ox-gC3N4 покрива Pani-NF.
XRD модел на композит gC3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF и Ox-gC3N4/Pani-NF.
Изображение в пълен размер
XPS анализ на данни за композитен материал Ox-gC3N4 и Ox-gC3N4/Pani-NF. ( а, б ) 0 1 s ( ° С, д ) Ci s a ( д, е ) N1 s.
Изображение в пълен размер
FTIR спектрите на оригиналния композит gC3N4, Ox-gC 3N4, Pani-NF и Ox-gC3N4/Pani-NF са показани на ФИГ. 5. Широк връх
FTIR спектри за оригинални композитни gC3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF и Ox-gC3N4/Pani-NF.
Изображение в пълен размер
( а ) Зета потенциал и ( б ) ефект на рН на разтвора върху адсорбцията на Cr (VI) върху композитни -C3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF и Ox-gC3N4/Pani-NF.
Изображение в пълен размер
Фигура 7 показва кинетиката на адсорбцията на Cr (VI) върху композит Ox-gC3N4/Pani-NF при различни температури. Адсорбцията на Cr (VI) се увеличава с увеличаване на времето за реакция и равновесието се определя в рамките на 150 минути. В допълнение, реакционната температура играе положителен ефект върху смекчаването на Cr (VI) от композита Ox-gC3N4/Pani-NF. Капацитетът на адсорбция на композита Ox-gC3N4/Pani-NF се увеличава от 174, 43 на 205, 25 mg/g с повишаване на температурата на разтвора от 30 до 50 ° C, което показва, че адсорбционният процес е ендотермичен по своята природа 40. За да се потвърди естеството на адсорбцията на Cr (VI) върху композита Ox-gC 3N4/Pani-NF, данните са дадени в уравненията на Гибс и Вант Хоф.
където A °, A ° и AH ° са промяната в свободната енергия, промяната в ентропията и промяната в енталпията. T, K и R са реакционната температура (K), коефициентът на разпределение и газовата константа (8, 314 J/mol k). Получените стойности на AG ° при 30, 40 и 50 ° C са -2, 669, -3, 054 и -4, 307 kJ/mol, което показва спонтанния характер на процеса на адсорбция и възможността за адсорбция на Cr (VI) на Ox-gC. 3 N4/Pani-NF композитен 44. Стойностите на ΔG ° варират от -20 до 0 kJ/mol и -80 до -400 kJ/mol често са съответно за физиосорбция и хемосорбция. Стойностите A °, получени в това проучване, показват, че адсорбцията на Cr (VI) върху композита Ox-gC3N4/Pani-NF е физическа абсорбция. Положителната стойност на AS (80, 988 J/mol k) отразява увеличаване на случайността на интерфейса на твърдия разтвор чрез адсорбция 46. В допълнение, величината на AH ° също отразява взаимодействието между адсорбента (Ox-gC3N4/Pani-NF) и адсорбата (Cr (VI)). Стойността на AHH за хемосорбцията обикновено е между 40 и 120 kJ/mol, докато получената стойност на AHH за адсорбцията на Cr (VI) е 22.0555 kJ/mol. По този начин адсорбционното отстраняване на Cr (VI) от композита Ox-gC3N4/Pani-NF се дължи на физическата абсорбция на 45, 47 .
Влияние на времето за реакция и температурата върху отстраняването на Cr (VI), използвайки композит Ox-gC3N4/Pani-NF. (конц. -200 mg/l, pH-2, 03, обем -25 ml, тегло на адсорбента - 0, 015 g).
Изображение в пълен размер
Експерименталните данни, показани на фиг. 7 също са адаптирани към кинетичен модел за определяне на механизма и скоростта на регулиране по време на адсорбцията на Cr (VI) върху Ox-gC3N4/Pani-NF. Използват се моделите от псевдо първи ред 48 и псевдо втори ред 49 и уравненията на кинетичния модел са:
където qe и qt са адсорбираното количество Cr (VI) (mg/g) в равновесие и времето t (min). k1 и k2 са константи на скоростта на псевдо първи ред (L/min) и псевдо втори ред (g/mg min). Графики на кинетични модели на псевдо първи и псевдо втори ред са показани на фигури S4a, b и стойностите на константите на скоростта и изчислените равновесни адсорбционни способности, qe cal (mg/g) за псевдо първи ред и псевдо- Кинетичните модели от втори ред са показани в Таблица 1. Моделът на псевдо-втори ред е добре адаптиран към експерименталните данни като кинетични данни на псевдо-първи ред при всички изследвани температури поради високи стойности на R2. Изчислените адсорбционни способности на Ox-gC 3N4/Pani-NF композит за адсорбция на Cr (VI), както се предполага от псевдо-втория кинетичен модел, са много по-близо до експерименталната адсорбционна способност. Това потвърждава по-добра адаптация на кинетичния модел на псевдо-втори ред за процеса на адсорбция 50. В допълнение, за да се намери енергията на активиране (Ea) и вида на адсорбционните сили, линейната връзка между константата на скоростта на псевдо-втори ред (k2) и температурата (T) се определя с помощта на уравнението на Арениус (5).
Маса в пълен размер
Мащабът на Еа изяснява силите, участващи в адсорбцията. Ea за физическа абсорбция е между 5 и 40 kJ/mol, а за хемосорбция Ea в диапазона от 40 до 800 kJ/mol. Адсорбцията на Ea за Cr (VI) върху композит Ox-gC3N4/Pani-NF е 20.660 kJ/mol, което показва участието на физически сили в процеса на адсорбция 45 .
Ефектът на първоначалните концентрации на Cr (VI) върху процеса на адсорбция се изследва, за да се определи максималният адсорбционен капацитет и адсорбционният механизъм за отстраняване на Cr (VI), като се използва композитът Ox-gC 3N4/Pani-NF. Както е показано на ФИГ. 8, адсорбционната способност се увеличава с първоначална концентрация на Cr (VI) до 200 mg/l и след това адсорбцията е достигнала платото поради наситеността на наличните места за адсорбция. По-висока възможност за взаимодействие между Cr (VI) и Ox-gC3N4/Pani-NF композит при висока първоначална концентрация на Cr (VI) е, че увеличаването на движещите сили на пренос на маса 51. Данните за равновесната адсорбция, представени на фиг. 8 са анализирани с помощта на изотермните модели на Лангмюр и Фройндлих. Моделът на изотермата на Лангмюр се основава на еднослойно покритие, докато моделът на изотермата на Фройндлих постулира равновесие върху хетерогенната повърхност на адсорбента. Уравнението на Лангмюр може да бъде представено като:
където qm е максималният адсорбционен капацитет на монослоя (mg/g), а Ce е концентрацията на Cr (VI) в равновесие (mg/l), а b е константата, свързана с енергията на адсорбция (L/mg). q m и b се изчисляват от наклона и пресечната точка на линейната графика C e/q e vs. C e (Фигура S5a).
Влияние на първоначалната концентрация на Cr (VI) върху неговата адсорбция върху композита Ox-gC 3N4/Pani-NF. (време-210 минути, температура -30 ° C, pH-2, 03, обем -25 ml, тегло на адсорбента - 0, 015 g).
Изображение в пълен размер
Моделът на изотермата на Freundlich може да бъде представен като:
където qe е адсорбционната способност в равновесие (mg/g), KF и n са константи, които представляват капацитет и интензитет. Параметрите за изотермичния модел на Freundlich се изчисляват от графиката lnqe vs. lnCe (Картина S5b).
Изчислените стойности на параметрите на изотермата на Langmuir qm и b са 178, 57 mg/g и 0,370 l/mg. От друга страна, стойностите на параметрите на изотермата на Freundlich n и Kf са 5, 238 и 72, 893 L/mg. Трябва да се отбележи, че стойността на коефициента на корелация (R 2) за изотермата на Freundlich е по-ниска (0, 7247) от стойността за изотермата на Langmuir (R 2 - 0,9986). Това предполага, че моделът на изотерма на Freundlich не е подходящ за описване на отстраняването на Cr (VI) с помощта на композит Ox-gC3N4/Pani-NF. Моделът на изотермата на Langmuir е много добре адаптиран към адсорбцията на Cr (VI) от състава Ox-gC3N4/Pani-NF. По този начин адсорбционното поведение на Cr (VI) върху композицията Ox-gC3N4/Pani-NF изглежда е еднослойно и възможността за взаимодействия между съседни йони Cr (VI) е незначителна 51, 52. В допълнение, това е съществена характеристика на изотермния модел на Langmuir по отношение на безразмерния коефициент на разделяне (RL). За благоприятна адсорбция на Cr (VI) върху композит Ox-gC3N4/Pani-NF, стойностите на RL трябва да бъдат между 0 и 1. RL> 1 и RL = 0 показват съответно неблагоприятна и необратима адсорбция 53 и 53. R L може да се определи като:
$ config [ads_text16] не е намерен
където C ° е началната концентрация на Cr (VI) (mg/l), а b е константата на Лангмюр (L/mg). Стойностите на RL, получени за адсорбцията на Cr (VI), използвайки композит Ox-gC3N4/Pani-NF, са в диапазона от 0.097 и 0.010, което показва благоприятен процес на адсорбция за Cr (VI) и пригодността на изотермния модел на Лангмюр за данни за адсорбционното равновесие.
За да се определи ефективността на синтезирания материал, адсорбционната способност на композита Ox-gC3N4/Pani-NF се сравнява с описаните по-рано адсорбенти, използвани за отстраняване на Cr (VI). Максималните адсорбционни способности на монослоя на различните адсорбенти и използваните експериментални условия са дадени в таблица 2. Резултатите в таблица 2 показват, че адсорбционната способност на адсорбенти силно зависи от експерименталните условия и използвания адсорбент. Капацитетът на адсорбция на композита Ox-gC3N4/Pani-NF е сравнително по-висок от посочените по-горе адсорбенти.
Маса в пълен размер
заключение
Беше синтезиран нов анионно селективно положително зареден композит Ox-gC3N4/Pani-NF, характеризиращ се с различни инструментални техники. Резултатите показват способността на H 2 SO 4 -HNO 3 -H 2 O 2 да обелва, нарязва и окислява насипни gC3N4 до окислени gC3N4 наночастици. TEM изображението ясно показва промяната в общите наночастици gC3N4. XPS анализът се потвърждава чрез окисляване на насипни gC3N4 след химическа модификация. Резултатите от характеризирането демонстрират успешния синтез на многофункционален Ox-gC3N4/Pani-NF и неговата селективност за адсорбцията на Cr (VI) от воден разтвор. Адсорбцията на Cr (VI) се увеличава значително, когато функционалността на gC3N4 се промени на gC3N4 1 с помощта на спектрометър Perkin Elmer Spectrum 100 FTIR. Химичното състояние и повърхностния състав на Ox-gC3N4 и Ox-gC3N4/Pani-NF са анализирани с рентгенова фотоелектронна спектроскопия (XPS), SPECS GmbH, (Германия) спектрометър, използвайки Mg-Ka (1253, 6 eV рентгенова снимка източник) при 13, 5 kV, 150 W рентгенова мощност.
Адсорбция на шестовалентен хром
Адсорбцията на Cr (VI) беше изследвана чрез смесване на 0,015 g синтезирани материали в 25 ml разтвор на метални йони, разбърквани при 200 rpm на тъмно. Ефектът на рН на разтвора се изследва чрез промяна на рН на разтвора от 2 на 10 и рН на разтвора се регулира с 0.1 М разтвор на НС1 или NaOH. Ефектът от първоначалната концентрация на Cr (VI) е изследван при различни концентрации от 25 до 300 mg/l при 30 ° C. След достигане на равновесие количеството Cr (VI), адсорбирано върху адсорбента, се определя с помощта на кюрета HACH LCK313 ( анализ на общия хром). Капацитетът на адсорбция на адсорбента се изчислява на единица тегло на адсорбента.
Намаляването на Cr (VI) до Cr (III) обикновено се наблюдава при ниско рН и в присъствието на адсорбент като полианилин 28. Въпреки че двата механизма, адсорбцията и редукцията на Cr (VI) са трудни за разделяне. Следователно беше извършен анализ на общия хром, за да се анализира останалото количество хром в разтвора и общото количество адсорбирано Cr (VI)/Cr (III), за което се смята, че отстранява Cr (VI) на повърхността на адсорбента.
Благодаря
Този проект е финансиран от Deanship of Scientific Research (DSR) в университета King Abdulziz, Джеда, под грант №. (G-318-155-37). Поради това авторите благодарят на DSR за техническа и финансова подкрепа.
Електронен допълнителен материал
Допълнителна информация
Коментари
Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако смятате, че това е обидно действие, което не отговаря на нашите условия или насоки, моля, сигнализирайте за неподходящо.