obiecte

abstract

Prezența cromului hexavalent (Cr (VI)) în apele uzate este o problemă gravă de mediu, datorită proprietăților sale dăunătoare și acumulării în corpul individual în întregul lanț alimentar 1, 2. Pentru a evita efectele periculoase, Cr (VI) trebuie îndepărtat din apele uzate pentru a evita posibilele riscuri pentru sănătate și mediu. Diferite metode, cum ar fi oxidarea/reducerea chimică, filtrarea cu membrană, schimbul de ioni și adsorbția/absorbția, au fost cercetate pentru a captura metalele grele din soluțiile apoase și din apele uzate. tehnologie: metale grele din apa contaminată 3, 4. Au fost publicate materiale convenționale (cărbune activ, rășini polimerice, argile) și neconvenționale (deșeuri agricole și industriale) care elimină poluanții metalici din apele uzate 1, 3, 4, 5, 6, 7. Cu toate acestea, aceste materiale au anumite limitări interne, cum ar fi capacitatea redusă de sorbție, timpul de echilibrare mai lung etc. Din aceste motive, sunt necesari noi adsorbanți cu capacitate de adsorbție extrem de mare și separare selectivă.

Diverși precursori, cum ar fi melamina, ureea, cianamida și dicianamida, au fost folosiți pentru sinteza gC3N4 prin metoda de condensare termică 16, 17, 19, 20, 21. Bulk gC3N4 are o structură stratificată similară cu grafitul. Datorită structurii stratificate ambalate a gC3N4, siturile active dintre straturi nu implică un proces de adsorbție. Unele strategii, cum ar fi gravarea chimică termică 21, 22 sau ultrasunetele 23, au fost folosite pentru a curăța și modifica straturile de gC 3 N4. Niu și colab. 21 afirmă că metoda Hummers nu este potrivită pentru formarea nanostraturilor și că gC3N4 în vrac este transformat în nanoparticule. Li și colegii săi au exfoliat și oxidat chimic cantitatea gC3N4 folosind un amestec de K2Cr207 și H2SO4. Li și colegii săi au susținut că un amestec de K 2 Cr 2 O 7 și H 2 SO 4 ar putea fi utilizat în mod eficient în exfolierea și oxidarea gC3N4 în vrac la nanoparticulele gC3N4 24. Cu toate acestea, separarea completă a nanoparticulelor de gC3N4 de soluția apoasă ar putea fi dificilă din cauza dimensiunilor foarte mici, cum ar fi grafenul nanoparticulat, care poate provoca nanotoxicitate. Pentru a depăși această problemă, straturile aplicate de gC3N4 pot fi decorate pe suprafața unui alt material, ceea ce nu numai că ajută la regenerarea nanoparticulelor de gC3N4, ci și mărește capacitatea sa de adsorbție pentru contaminanții metalici.

Polianilina (Pani) și compozitele sale au câștigat mai multă atenție de-a lungul mai multor decenii datorită sintezei lor ușoare, costului redus și capacității mari de adsorbție 25, 26 Pani poate fi ușor sintetizat prin polimerizarea anilinei într-un mediu acid, iar Pani rezultat are o sarcină netă pozitivă pe coloana vertebrală a polimerului, care poate interacționa electrostatic cu Cr (VI) 27, 28 încărcat negativ. De exemplu, Bhaumik și colab. 27 nanofibre sintetizate de polipirol-polianilină pentru a elimina Cr (VI) din soluția apoasă. Zheng și colab. 28 au pregătit un adsorbant compozit din fibre Pani/Kapok pentru a îndepărta Cr (VI). Având în vedere sinteza simplă a Pani și proprietățile de adsorbție, acesta ar putea fi folosit pentru a crea un nou adsorbant nanocompozit cu nanoparticule gC3N4.

În acest caz, amestecul ternar H 2 SO 4-HNO 3-H 2 O 2 este utilizat pentru descuamarea și conversia oxidativă a gC3N4 în vrac la nanostraturile Ox-gC3N4. Nanostratele Ox-gC3N4 obținute sunt apoi decorate pe Pani-NF pentru a dezvolta Ox-gC3N4/Pani-NF pentru a elimina Cr (VI). Studiile anterioare indică faptul că Pani fibros are o suprafață mare în comparație cu particulele normale, care pot fi mai bine adsorbante. Astfel, în această lucrare, fibrele doamnei au fost preparate folosind metoda șablonului moale. Structura cristalină și stările chimice ale materialelor sintetizate au fost studiate în detaliu. Pe scurt, s-au efectuat studii de adsorbție pentru a îndepărta Cr (VI) din soluția apoasă.

rezultate si discutii

polianilină

Reprezentarea schematică a sintezei compuse Ox-gC3N4/Pani-NF.

Imagine la dimensiune completă

Analiza TEM a fost efectuată pentru a observa morfologia gC3N4 original; Compoziție Ox-gC3N4, Pani-NF și Ox-gC3N4/Pani-NF. Imaginea TEM a gC3N4 în vrac prezintă aglomerate solide de dimensiunea mai multor microprocesoare (Figura S2a). Din FIG. Din S2b se poate observa că frunzele mici neregulate interconectate, cum ar fi particulele, se obțin după procesul de oxidare acidă. Această imagine TEM confirmă reducerea cu succes a dimensiunii și modificarea nanoparticulelor originale gC3N4. În plus, pentru pulberea Pani pură (Figura S2c), apare o bandă auto-asamblată asemănătoare morfologiei. De asemenea, s-a constatat că frunzele mici legate ale decorului gC3N4 oxidat de acid pe Pani-NF (Fig. 2). Aceste rezultate arată sinteza cu succes a compozitului Ox-gC3N4/Pani-NF.

Imagini TEM ale compozitului Ox-gC 3N4/Pani-NF.

Imagine la dimensiune completă

Structura cristalină și chimică a compozitului original gC3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF și Ox-gC3N4/Pani-NF sunt studiate în detaliu utilizând tehnici XRD, XPS și FTIR. Modelul XRD al Pani-NF este prezentat în FIG. 3. Vârf larg

25 ° confirmă natura amorfă a Pani-NF. Vârfurile XRD pentru gC3N4 intact la aproximativ 12,7 ° și 27,4 °, corespunzătoare pasurilor de 0,693 și 0,632 nm, s-au datorat aranjamentului interliniar al motivului și straturilor de reflecție a nitrurii de carbon între straturile 24. Se observă o ușoară abatere în modelul XRD al nanoparticulelor gC3N4 (Ox-gC3N4) oxidate cu acid. Intensitatea vârfului scade și poziția sa se deplasează de la 27,42 ° la 28,2 ° datorită reducerii distanței galeriei dintre straturile 21, 24. Datorită oxidării chimice și gravării, straturile oxidate de gC3N4 pot fi planificate prin straturi π-π și H -interacțiuni cu legături. Aceste interacțiuni duc la o împachetare mai densă și la o reducere a distanței galeriei între straturi. Intensitatea de vârf XRD pentru compozitul Ox-gC3N4/Pani-NF în comparație cu gC3N4 și Ox-gC3N4 originale este redusă în continuare. Acest lucru se poate datora interacțiunilor dintre Ox-gC 3N4 și Pani-NF. În plus, vârful caracteristic pentru Pani este mai puțin pronunțat în modelul XRD al compozitului Ox-gC 3N4/Pani-NF deoarece Ox-gC3N4 acoperă Pani-NF.

Modelul XRD al compozitului gC3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF și Ox-gC3N4/Pani-NF.

Imagine la dimensiune completă

Analiza datelor XPS pentru compusul Ox-gC3N4 și Ox-gC3N4/Pani-NF. ( A, b ) 0 1 s ( c, d ) Ci s a ( e, f ) N1 s.

Imagine la dimensiune completă

Spectrele FTIR ale compozitului original gC3N4, Ox-gC 3N4, Pani-NF și Ox-gC3N4/Pani-NF sunt prezentate în FIG. 5. Vârf larg

Spectre FTIR pentru compozitele originale gC3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF și Ox-gC3N4/Pani-NF.

Imagine la dimensiune completă

( A ) Potențial Zeta și ( b ) efectul pH-ului soluției asupra adsorbției Cr (VI) asupra compozitului -C3N4, Ox-gC3N4, Pani-NF și Ox-gC3N4/Pani-NF.

Imagine la dimensiune completă

Figura 7 prezintă cinetica adsorbției Cr (VI) pe compusul Ox-gC3N4/Pani-NF la diferite temperaturi. Adsorbția Cr (VI) crește odată cu creșterea timpului de reacție și echilibrul a fost determinat în 150 de minute. În plus, temperatura de reacție joacă un efect pozitiv asupra atenuării Cr (VI) de către compozitul Ox-gC3N4/Pani-NF. Capacitatea de adsorbție a compozitului Ox-gC3N4/Pani-NF crește de la 174, 43 la 205, 25 mg/g cu creșterea temperaturii soluției de la 30 la 50 ° C, indicând faptul că procesul de adsorbție este de natură endotermă 40. Pentru a confirma natura adsorbției Cr (VI) pe compusul Ox-gC 3N4/Pani-NF, datele sunt date în ecuațiile Gibbs și Van't Hoff.

unde, A °, A ° și AH ° sunt schimbarea energiei libere, schimbarea entropiei și schimbarea entalpiei. T, K și R sunt temperatura de reacție (K), coeficientul de distribuție și constanta gazului (8, 314 J/mol k). Valorile AG ° obținute la 30, 40 și 50 ° C sunt -2, 669, -3, 054 și -4, 307 kJ/mol, ceea ce indică natura spontană a procesului de adsorbție și fezabilitatea adsorbției Cr (VI) pe Ox-gC. 3 N4/Pani-NF compozit 44. Valorile ΔG ° variază de la -20 la 0 kJ/mol și de la -80 la -400 kJ/mol sunt adesea pentru fizorbție și, respectiv, pentru chemisorbție. Valorile A ° obținute în acest studiu indică faptul că adsorbția Cr (VI) pe compusul Ox-gC3N4/Pani-NF este absorbție fizică. O valoare AS pozitivă (80, 988 J/mol k) reflectă o creștere a randomității la interfața solid-soluție prin adsorbție 46. În plus, magnitudinea AH ° reflectă, de asemenea, interacțiunea dintre adsorbant (Ox-gC3N4/Pani-NF) și adsorbat (Cr (VI)). Valoarea AHH pentru chemisorbție este de obicei cuprinsă între 40 și 120 kJ/mol, în timp ce valoarea AHH obținută pentru adsorbția Cr (VI) este de 22,0555 kJ/mol. Eliminarea prin adsorbție a Cr (VI) de către compozitul Ox-gC3N4/Pani-NF se datorează astfel absorbției fizice a 45, 47 .

Influența timpului de reacție și a temperaturii asupra îndepărtării Cr (VI) utilizând compozit Ox-gC3N4/Pani-NF. (conc. -200 mg/l, pH-2, 03, vol. -25 ml, greutate adsorbant - 0, 015 g).

Imagine la dimensiune completă

Datele experimentale prezentate în FIG. 7 sunt, de asemenea, adaptate la un model cinetic pentru a determina mecanismul și pasul de reglare în timpul adsorbției Cr (VI) pe Ox-gC3N4/Pani-NF. Se folosesc modelele de pseudo-primul ordin 48 și pseudo-al doilea ordin 49 și ecuațiile modelului cinetic sunt:

unde qe și qt sunt cantitatea adsorbită de Cr (VI) (mg/g) la echilibru și timpul t (min). k1 și k2 sunt constantele ratei pseudo-primului ordin (L/min) și pseudo-al doilea ordin (g/mg min). Graficele modelelor cinetice de pseudo-primul ordin și pseudo-al doilea ordin sunt prezentate în figurile S4a, b și valorile constantelor de viteză și ale capacităților de adsorbție de echilibru calculate, qe cal (mg/g) pentru pseudo-primul ordin și pseudo- modelele cinetice de ordinul doi sunt prezentate în tabelul 1. Modelul de pseudo-al doilea ordin este bine adaptat la datele experimentale ca date cinetice de pseudo-ordinul întâi la toate temperaturile studiate datorită valorilor ridicate ale R2. Capacitățile de adsorbție calculate ale compozitului Ox-gC 3N4/Pani-NF pentru adsorbția Cr (VI), așa cum se presupune din pseudo-al doilea model cinetic, sunt mult mai apropiate de capacitatea de adsorbție experimentală. Aceasta confirmă o mai bună adaptare a modelului cinetic de pseudo-al doilea ordin pentru procesul de adsorbție 50. În plus, pentru a găsi energia de activare (Ea) și tipul forțelor de adsorbție, relația liniară dintre constanta de rată a ordinii pseudo-secundare (k2) și temperatura (T) este determinată folosind ecuația Arrhenius (5).

Tabel în dimensiune completă

Magnitudinea Ea clarifică forțele implicate în adsorbție. Ea pentru absorbția fizică este cuprinsă între 5 și 40 kJ/mol și pentru chemisorbție Ea în intervalul de la 40 la 800 kJ/mol. Adsorbția lui Ea pentru Cr (VI) pe compusul Ox-gC3N4/Pani-NF este de 20,660 kJ/mol, ceea ce indică implicarea forțelor fizice în procesul de adsorbție 45 .

Efectul concentrațiilor inițiale de Cr (VI) asupra procesului de adsorbție este investigat pentru a determina capacitatea maximă de adsorbție și mecanismul de adsorbție pentru îndepărtarea Cr (VI) utilizând compozitul Ox-gC 3N4/Pani-NF. Așa cum se arată în FIG. 8, capacitatea de adsorbție crește cu o concentrație inițială de Cr (VI) până la 200 mg/l și apoi adsorbția a ajuns pe platou datorită saturației locurilor de adsorbție disponibile. O posibilitate mai mare de interacțiune între compusul Cr (VI) și compusul Ox-gC3N4/Pani-NF la o concentrație inițială ridicată de Cr (VI) este acela că creșterea forțelor motrice de transfer de masă 51. Datele de adsorbție în echilibru prezentate în FIG. 8 sunt analizate folosind modelele de izotermă Langmuir și Freundlich. Modelul izoterm Langmuir se bazează pe acoperirea monostrat, în timp ce modelul izoterm Freundlich postulează echilibru pe suprafața eterogenă a adsorbantului. Ecuația lui Langmuir poate fi reprezentată ca:

unde qm este capacitatea maximă de adsorbție a monostratului (mg/g) și Ce este concentrația de Cr (VI) la echilibru (mg/l) și b este o constantă legată de energia de adsorbție (L/mg). q m și b se calculează din panta și intersecția graficului liniar C e/q e vs. C e (Figura S5a).

Influența concentrației inițiale de Cr (VI) asupra adsorbției sale asupra compozitului Ox-gC 3N4/Pani-NF. (timp-210 minute, temperatura -30 ° C, pH-2, 03, volum -25 ml, greutate adsorbant - 0, 015 g).

Imagine la dimensiune completă

Modelul izoterm Freundlich poate fi reprezentat ca:

unde qe este capacitatea de adsorbție la echilibru (mg/g), KF și n sunt constante care reprezintă capacitatea și intensitatea. Parametrii pentru modelul izotermic Freundlich sunt calculați din graficul lnqe vs. lnCe (Imaginea S5b).

Valorile calculate ale parametrilor izotermi Langmuir qm și b sunt 178, 57 mg/g și 0,370 l/mg. Pe de altă parte, valorile parametrilor izotermei Freundlich n și Kf sunt 5, 238 și 72, 893 L/mg. Trebuie remarcat faptul că valoarea coeficientului de corelație (R 2) pentru izoterma Freundlich este mai mică (0, 7247) decât valoarea pentru izoterma Langmuir (R 2 - 0,9986). Acest lucru sugerează că modelul izoterm Freundlich nu este potrivit pentru descrierea îndepărtării Cr (VI) utilizând compozitul Ox-gC3N4/Pani-NF. Modelul izoterm Langmuir este foarte bine adaptat la adsorbția Cr (VI) prin compoziția Ox-gC3N4/Pani-NF. Astfel, comportamentul de adsorbție a Cr (VI) pe compusul Ox-gC3N4/Pani-NF pare a fi monostrat și posibilitatea interacțiunilor între ionii adiacenți Cr (VI) este neglijabilă 51, 52. În plus, este o caracteristică esențială a modelului izoterm Langmuir în ceea ce privește factorul de separare adimensional (RL). Pentru adsorbția favorabilă a Cr (VI) pe compozitul Ox-gC3N4/Pani-NF, valorile RL trebuie să fie cuprinse între 0 și 1. RL> 1 și RL = 0 indică adsorbția defavorabilă și ireversibilă 53 și respectiv 53 R L poate fi definit ca:

$ config [ads_text16] nu a fost găsit

unde C ° este concentrația inițială de Cr (VI) (mg/l) și b este constanta Langmuir (L/mg). Valorile RL obținute pentru adsorbția Cr (VI) folosind compozitul Ox-gC3N4/Pani-NF sunt în intervalul 0,097 și 0,010, indicând un proces de adsorbție favorabil pentru Cr (VI) și adecvarea modelului izoterm Langmuir pentru date de echilibru de adsorbție.

Pentru a determina eficacitatea materialului sintetizat, capacitatea de adsorbție a compozitului Ox-gC3N4/Pani-NF a fost comparată cu adsorbanții descriși anterior folosiți pentru îndepărtarea Cr (VI). Capacitățile maxime de adsorbție ale monostratului diferiților adsorbanți și condițiile experimentale utilizate sunt date în Tabelul 2. Rezultatele din Tabelul 2 au arătat că capacitatea de adsorbție a adsorbanților este foarte dependentă de condițiile experimentale și de adsorbantul utilizat. Capacitatea de adsorbție a compozitului Ox-gC3N4/Pani-NF este comparativ mai mare decât adsorbanții menționați mai sus.

Tabel în dimensiune completă

concluzie

Un nou compozit Ox-gC3N4/Pani-NF încărcat pozitiv anionic a fost sintetizat și caracterizat folosind diverse tehnici instrumentale. Rezultatele arată capacitatea H2SO4-HNO3-H2O2 de a curăța, tăia și oxida gC3N4 în vrac în nanoparticule gC3N4 oxidate. Imaginea TEM arată în mod clar modificarea nanoparticulelor gC3N4 în vrac. Analiza XPS este confirmată de oxidarea gC3N4 în vrac după modificarea chimică. Rezultatele caracterizării demonstrează sinteza cu succes a Ox-gC3N4/Pani-NF multifuncțională și selectivitatea sa pentru adsorbția Cr (VI) dintr-o soluție apoasă. Adsorbția Cr (VI) este semnificativ crescută atunci când funcționalitatea gC3N4 se schimbă în gC3N4 1 utilizând un spectrometru Perkin Elmer Spectrum 100 FTIR. Starea chimică și compoziția suprafeței Ox-gC3N4 și Ox-gC3N4/Pani-NF au fost analizate prin spectrometrie cu spectroscopie fotoelectronică cu raze X (XPS), spectrometru SPECS GmbH, (Germania), utilizând raze X Mg-Ka (1253, 6 eV sursă) la 13, 5 kV, putere de raze X de 150 W.

Adsorbția cromului hexavalent

Adsorbția Cr (VI) a fost studiată prin amestecarea a 0,015 g de materiale sintetizate în 25 ml dintr-o soluție de ioni metalici agitați la 200 rpm în întuneric. Efectul pH-ului soluției a fost examinat prin schimbarea pH-ului soluției de la 2 la 10 și pH-ul soluției a fost ajustat cu soluție 0,1 M de HCI sau soluție de NaOH. Efectul concentrației inițiale de Cr (VI) a fost investigat la diferite concentrații de la 25 la 300 mg/l la 30 ° C. După atingerea echilibrului, cantitatea de Cr (VI) adsorbită pe adsorbant a fost determinată utilizând chiheta HACH LCK313 ( analiza cromului total). Capacitatea de adsorbție a adsorbantului a fost calculată pe unitatea de greutate a adsorbantului.

Reducerea Cr (VI) la Cr (III) se observă frecvent la pH scăzut și în prezența unui adsorbant, cum ar fi polianilina 28. Deși ambele mecanisme, adsorbția și reducerea Cr (VI) sunt dificil de separat. Prin urmare, s-a efectuat o analiză a cromului total pentru a analiza cantitatea rămasă de crom din soluție și cantitatea totală de Cr (VI)/Cr (III) adsorbit considerată pentru a elimina Cr (VI) pe suprafața adsorbantă.

Mulțumiri

Acest proiect a fost finanțat de Decanatul Cercetării Științifice (DSR) de la Universitatea King Abdulziz, Jeddah, în cadrul subvenției nr. (G-318-155-37). Prin urmare, autorii mulțumesc DSR pentru sprijin tehnic și financiar.

Material suplimentar electronic

Informatii suplimentare

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă considerați că acesta este un act ofensator care nu este conform cu termenii sau liniile directoare, vă rugăm să îl marcați ca fiind inadecvat.