Einfache Synthese von oberflächenfunktionalisierten magnetischen Nanokompositen zur effektiven selektiven Adsorption kationischer Farbstoffe

Zusammenfassung

Ein neues magnetisches Nanoadsorbens, mit Polycatechol modifiziertes Fe₃ O₄ magnetische Nanopartikel (Fe₃ O₄ /PCC-MNPs) wurden durch eine einfache chemische Copräzipitationsmethode unter Verwendung von Eisensalzen und Catechinlösung als Vorstufen hergestellt. Fe₃ O₄ /PCC-MNPs besaßen eine negativ geladene Oberfläche mit sauerstoffhaltigen Gruppen und zeigten eine starke Adsorptionskapazität und schnelle Adsorptionsraten für die Entfernung kationischer Farbstoffe in Wasser. Die Adsorptionskapazität von Methylenblau (MB), kationischem Türkisblau GB (GB), Malachitgrün (MG), Kristallviolett (CV) und kationischem Rosa FG (FG) betrug 60,06 mg g^− 1 , 70,97 mg g^− 1 , 66,84 mg g^− 1 , 66,01 mg g^− 1 und 50,27 mg g^− 1 , bzw. Der Adsorptionsmechanismus wurde durch die Analyse der Adsorptionsisothermen und der Adsorptionskinetik von kationischen Farbstoffen auf Fe₃ . vorgeschlagen O₄ /PCC-MNPs. Darüber hinaus wurden die an den MNPs adsorbierten kationischen Farbstoffe in Abhängigkeit von Kontaktzeit, pH-Wert, Temperatur, koexistierenden kationischen Ionen und Ionenstärke untersucht. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das Fe₃ O₄ /PCC-MNPs sind vielversprechend als magnetisches Adsorptionsmittel für die selektive Adsorption von kationischen Farbstoffen in der Abwasserbehandlung.

Hintergrund

Anorganische und organische Abfälle, die durch menschliche Aktivitäten erzeugt werden, haben zu großen Mengen kontaminierten Wassers geführt, die die Gesundheit von Menschen und anderen lebenden Organismen bedrohen [1]. Die Wasserverschmutzung ist heutzutage eines der gravierendsten Umweltprobleme, das die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft behindert [2, 3]. Insbesondere Farbstoffschadstoffe haben aufgrund der hohen Sichtbarkeit und der toxischen Auswirkungen auf biologische Organismen und die Ökologie große Bedenken in der Öffentlichkeit auf sich gezogen [4]. Organische Farbstoffe wurden in verschiedenen Branchen wie Textil-, Papier-, Druck-, Farbfotografie-, Pharma-, Leder-, Kosmetik-, Kunststoff- und anderen Industrien, die die wichtigsten industriellen Abwasserquellen waren, umfassend verwendet [5]. Die Menge an Färbeabwasser ist extrem groß, im Allgemeinen liegt die Menge des eingeleiteten Abwassers aus jedem Schritt eines Textilbetriebs ungefähr bei einer hohen Rate zwischen 40 L/kg und 65 L/kg des Produkts [6]. Darüber hinaus sind Farbstoffe biologisch nicht abbaubare Stoffe, die aufgrund ihres synthetischen Ursprungs und ihrer komplexen aromatischen Strukturen unter unterschiedlichen Bedingungen stabil bleiben [7]. Daher ist es notwendig, eine geeignete Methode auszuwählen, um Farbstoffe aus dem Abwasser zu entfernen, bevor es in die Umwelt eingeleitet wird.

In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Techniken zur Behandlung von Farbstoffabwässern verwendet, darunter photokatalytischer Abbau [8], Koagulation [9], elektrochemische Prozesse [10], chemische Oxidation [11], Membranfiltration [12], biologische Behandlung [13] und Adsorption [14]. Unter diesen Techniken zur Behandlung von Farbstoffabwasser wurde die Adsorption aufgrund ihrer Einfachheit, hohen Effizienz und Wirtschaftlichkeit weit verbreitet verwendet [15, 16]. Es wurde berichtet, dass viele Adsorbentien wie Aktivkohle, Kaolin, Montmorillonit-Ton, Rotschlamm, Walkerde und gebrannter Ton Abwasser entfärben [17, 18]. Insbesondere magnetische Nanopartikel (MNPs) haben aufgrund ihrer einzigartigen magnetischen Eigenschaften, geringen Kosten, biokompatibel, leicht zu synthetisieren, leicht recycelbar, besonders wirtschaftlich und umweltfreundlich [19], als Adsorptionsmaterialien für organische Farbstoffe und Schwermetalle große Aufmerksamkeit auf sich gezogen [19]. Es wurden mehrere Methoden entwickelt, um magnetisches Fe₃ . zu synthetisieren O₄ Nanopartikel, einschließlich i) Copräzipitation von Eisen(II) und wässriger Eisen(III)-Lösung in Gegenwart einer Base [20]; ii) thermische Zersetzung eines Eisenkomplexes [21]; iii) sonochemischer Ansatz [22].

Aufgrund ihrer hohen Oberflächenenergien und intrinsischen magnetischen Wechselwirkungen leichte Aggregation von Fe₃ O₄ MNPs würden ihr Oberflächen-Volumen-Verhältnis und ihre Dispersionsstabilität in wässriger Lösung reduzieren [23]. Die Stabilisatoren wie Tenside, Trägerstoffe, Oxide oder polymere Verbindungen wurden verwendet, um Fe₃ . zu modifizieren O₄ MNPs, um ihre Stabilität zu erhöhen und ihre Dispersität zu verbessern. Zhanget al. synthetisiertes magnetisches Fe₃ O₄ /C-Kern-Schale-Nanopartikel und als Absorptionsmittel mit guter Adsorptionskapazität zur Farbstoffentfernung verwendet [24]. Wanget al. vorbereitetes Fe₃ O₄ Nanopartikel mit Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) Assistent zur Adsorptionsentfernung von Kongorot (CR) und Methylenblau (MB) [25]. Darüber hinaus ist die Adsorptionskapazität von bloßem Fe₃ O₄ MNPs sind nicht stark genug.

Um die Adsorptionseigenschaft zu verbessern, Oberflächenfunktionalisierung von Fe₃ O₄ MNPs wurden untersucht. Zhanget al. modifiziertes Fe₃ O₄ MNPs mit 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan (GPTMS) und Glycin (Gly), die magnetischen Nanokomposite, konnten sowohl anionische als auch kationische Farbstoffe in rauer Umgebung (stark sauer oder stark alkalisch) hervorragend entfernen [26]. Darüber hinaus kann die selektive Adsorption zur Anreicherung von Schadstoffen durch die Einführung einer großen Anzahl aktiver Zentren stark verbessert werden. Pourjavadiet al. berichteten über ein neues funktionalisiertes magnetisches Nanokomposit aus Poly(methylacrylat) zur effizienten Entfernung anionischer Farbstoffe aus wässrigen Medien [27]. Polycatechol, das aus der durch Fe(III) katalysierten Polymerisation von Catechol entsteht [28,29,30], wurde aufgrund seiner einzigartigen thermischen, strukturellen Eigenschaften in Oberflächenmodifikationen als Klebstoffe und Beschichtungen für eine breite Palette organischer und anorganischer Materialien verwendet , und die Fähigkeit, mit Metalloxiden stabile Komplexe zu bilden [31, 32]. Das bedeutet, dass Fe₃ O₄ Mit Polycatechol modifizierte MNPs erhöhen die Adsorptionsfähigkeit von Fe₃ . erheblich O₄ MNPs. Es gibt jedoch keinen Bericht über polycatechinmodifiziertes Fe₃ O₄ MNPs als Absorptionsmittel für die Farbstoffentfernung bei weitem.

In dieser Arbeit wurde mit Polycatechol modifiziertes Fe₃ O₄ MNPs (Fe₃ O₄ /PCC-MNPs) wurden durch eine einfache Copräzipitationsmethode hergestellt und als Adsorptionsmittel zur Farbstoffentfernung verwendet. Das Absorptionsmittel wurde unter Verwendung von magnetischen Hystereseschleifen, thermogravimetrischer Analyse und Zetapotentialanalysetechnik charakterisiert. Fünf Arten kationischer Farbstoffe, darunter Methylenblau (MB), kationisches Türkisblau GB (GB), Malachitgrün (MG), Kristallviolett (CV) und kationisches Pink FG (FG), wurden als Modellverbindungen ausgewählt, um die Adsorption zu exponieren Verhalten von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs. Die Adsorptionskinetik, Isothermenanalysen und der Einfluss verschiedener experimenteller Bedingungen auf die Entfernung kationischer Farbstoffe wurden ebenfalls untersucht.

Methoden

Materialien

Eisenchlorid (FeCl₃ .) ·6H₂ O), Eisensulfat (FeSO₄ .) ·7H₂ O), Ammoniumhydroxid (NH₃ .) ·H₂ O, 25%), MB, GB, MG, CV, FG, Orange , Fuchsin, Methylorange (MO) und Catechol wurden von Chuandong Chemical Inc., Chengdu, Sichuan, China bezogen. Alle Chemikalien waren analysenrein und wurden ohne weitere Reinigung verwendet und alle Lösungen und Suspensionen wurden mit entionisiertem Wasser hergestellt. Die Strukturen von fünf kationischen Farbstoffen, darunter MB, GB, MG, CV und FG, sind in Abb. 1 gezeigt.

Molekülstrukturen von (a ) MB (b ) GB (c ) MG (d ) Lebenslauf (e ) FG. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird die Struktur von fünf Arten von kationischen Farbstoffen beschrieben

Herstellung und Charakterisierung von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs

Fe₃ O₄ /PCC-MNPs wurden durch eine einfache chemische Kopräzipitationsmethode unter Verwendung von Eisensalzen und Catechin als Vorstufen hergestellt [23]. Der gesamte Syntheseprozess wurde bei Umgebungsatmosphäre durchgeführt. Kurz gesagt, FeCl₃ ·6H₂ O (10 mmol) und FeSO₄ ·7H₂ O (5 mmol) wurden in 75 ml entionisiertem Wasser gelöst, dann ausreichend mit 75 ml Brenzkatechin (20 mM) vermischt. Beim Mischen von Brenzkatechin mit Eisenlösung (pH 2,87) erfolgte die durch Fe³⁺ . katalysierte Polymerisation von Brenzkatechin passierte, wobei sich Polycatechol bildete, bei dem es sich um schwarze grobe Niederschläge handelte [30]. Gleichzeitig Fe³⁺ Ionen wurden durch Komplexierung chemisch an Polycatechol adsorbiert und dienten als Keimbildungsvorstufen. Die Mischung stand 30 Minuten lang und wurde dann schnell in 100 ml Ammoniumhydroxid (3,3 M) gegeben und 120 Minuten lang unter kräftigem Rühren gealtert. Die magnetischen Nanopartikel wuchsen in situ und bildeten Aggregate auf der Oberfläche von Polycatecholketten. Paare von Fe₃ O₄ /PCC-Ketten eng miteinander verbunden, um Fe₃ . zu bilden O₄ /PCC-MNPs. Die gesamten Syntheseprozesse wurden bei Umgebungsatmosphäre ohne jegliche Schutzatmosphäre durchgeführt. Die schwarzen magnetischen Nanopartikel wurden durch einen externen Magneten abgetrennt und mit entionisiertem Wasser bis zum neutralen pH gewaschen und in einem Vakuumofen bei 50 °C für 24 h getrocknet. Fe₃ O₄ MNPs wurden mit den gleichen Verfahren wie oben erwähnt ohne Zugabe von Catechol synthetisiert. Alle Produkte wurden für weitere Experimente in einem Exsikkator bei Umgebungstemperatur gelagert.

Magnetische Eigenschaften wurden bei Raumtemperatur auf einem magnetischen Eigenschaftsmesssystem (MPMS XL-7, Quantum Design, Amerika) gemessen. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) wurde für Pulverproben mit einem thermogravimetrischen Analysegerät (TGA) TGA/DSC 1 (TGA) (Mettler-Toledo, Schweiz) unter N₂ . durchgeführt Umgebung bei einer Heizrate von 5 °C min^− 1 . Die Zeta-Potentiale von Katalysatorsuspensionen bei verschiedenen pH-Werten wurden mit einem Malvern 3000 Zetasizer bestimmt.

Batch-Adsorptionsexperimente

Experimente zur Sorptionsisotherme wurden durch Schütteln von 25 mg Fe₃ . durchgeführt O₄ /PCC-MNPs in 25 ml-Lösung mit unterschiedlichen Adsorbaten, wobei die anfängliche Adsorptionskonzentration von 0,02 mM bis 0,4 mM variiert. Die Mischung wurde auf einem Schüttler bei 180 U/min bei einer kontrollierten Temperatur von 30 °C kontinuierlich geschüttelt, bis das Gleichgewicht erreicht war. Der pH-Wert der Lösung wurde mit 1,0 M H₂ . eingestellt SO₄ oder 1,0 M NaOH-Lösungen. Nach der Adsorption wurde das Adsorptionsmittel unter Magnetismus von der Lösung getrennt, und dann wurde die überstehende Flüssigkeit bei der maximalen Absorption jedes Farbstoffs mit einem UV-Vis-Spektrophotometer gemessen.

Weiterhin wurde die Adsorptionskinetik der Prozesse untersucht. 100 mg Fe₃ O₄ /PCC-MNPs wurden in 100 ml 0,1 mM-Adsorbatlösungen suspendiert und dann bei 180 U/min unter pH 6,0 und 30 °C geschüttelt. In verschiedenen Zeitintervallen wurden 0,5 ml der Suspensionsprobe entnommen und sofort durch einen externen Magnetismus getrennt und die überstehende Flüssigkeit zur Analyse gesammelt.

Auch der Einfluss von pH-Wert und Temperatur auf die Adsorption von kationischen Farbstoffen wurde untersucht. Das typische Batch-Adsorptionsexperiment wurde wie folgt durchgeführt:50,0 mg Fe₃ O₄ /PCC-MNPs wurden in 50,0 ml kationischer Farbstofflösung dispergiert und dann auf einem Schüttler mit einer Geschwindigkeit von 180 U/min geschüttelt.

Alle Adsorptionsversuche wurden doppelt durchgeführt. Die Adsorptionskapazität jedes Farbstoffs im Adsorptionssystem, q_e , wurde nach Gl. (1):

$$ {q}_e=\left({C}_i-{C}_e\right)\ V/{M}_s $$ (1)

Wo q _e (mg g^− 1 ) ist die Adsorptionskapazität, C _e (mM) ist die Gleichgewichtskonzentration in der wässrigen Phase, Ci (mM) ist die anfängliche Konzentration der wässrigen Phase, V (L) ist das Volumen der Lösung und M _s (g) ist die Masse des festen Adsorptionsmittels.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs

Abbildung 2a zeigt die bei Raumtemperatur für Fe₃ . bestimmten magnetischen Hystereseschleifen O₄ und Fe₃ O₄ /PCC-MNPs. Die Sättigungsmagnetisierungswerte von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs waren 53,5 emu g^− 1 , höher als der von Fe₃ O₄ (49.6 emu g^− 1 ), was darauf hindeutet, dass sie durch ein externes Magnetfeld leicht getrennt werden könnten [33]. Die Partikelgröße, das Spin-Canting-Phänomen, der Größeneffekt und andere hängen mit der Sättigungsmagnetisierung der Ferrit-Nanopartikel zusammen [34]. Die Modifikation von Polycatechol macht das Fe₃ O₄ /PCC-MNPs haben eine viel höhere Kristallisation und eine kleinere Partikelgröße als Fe₃ O₄ MNPs, die zu einer höheren Sättigungsmagnetisierung von Fe₃ . führen könnten O₄ /PCC-MNPs als Fe₃ O₄ MNPs. Darüber hinaus ist eine höhere Sättigungsmagnetisierung des hergestellten Fe₃ O₄ /PCC-MNPs könnten auch dem Oberflächeneffekt zugeschrieben werden, der manchmal als „tote Oberfläche“ bezeichnet wird. Die tote Oberfläche ist mit einer Unordnung des Oberflächenspins verbunden [35].

a Magnetisierungsverhalten von Fe₃ O₄ MNPs und Fe₃ O₄ /PCC-MNPs bei Raumtemperatur. b Thermogravimetrie (TGA)-Kurven von Fe₃ O₄ MNPs und Fe₃ O₄ /PCC-MNPs. c Zetapotentiale von Fe₃ O₄ /PCC magnetische Nanopartikel. In Abb. 2 stellen die leeren Linien die Natur von Fe₃ . dar O₄ MNPs und die roten Linien stehen für das Eigentum von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs

Das thermische Verhalten von Fe₃ O₄ und Fe₃ O₄ /PCC-MNPs wurden durch thermogravimetrische Analyse (TGA) weiter untersucht (Abb. 2b). Für die TGA-Kurve von Fe₃ O₄ Bei MNPs war der Gewichtsverlust (6,5 %) unter 150 °C auf den Verlust von physikalisch adsorbiertem Wasser zurückzuführen. Für die Kurve von Fe₃ O₄ /PCC MNPs, der Gewichtsverlust (5,2 %) unter 150 °C war auf den Verlust von physikalisch adsorbiertem Wasser zurückzuführen, der Gewichtsverlust (9,4 %) von 150 °C auf 400 °C wurde auf den Verlust von sauerstoffhaltigem Funktional zurückgeführt Gruppen wurde der Gewichtsverlust (6,8 %) von 400 °C auf 800 °C hauptsächlich auf die Verbrennung von Kohlenstoff zurückgeführt, und eine leichte Gewichtszunahme (2,3 %) über 800 °C war auf die Oxidation von Fe_{3 . zurückzuführen} O₄ zu γ-Fe₂ O₃ [36]. Das Fe₃ O₄ /PCC-MNPs wiesen eine geringere thermische Stabilität auf als Fe₃ O₄ , aufgrund der Modifikation von Polycatechin [37].

Abbildung 2c zeigt die Zetapotentiale von Fe₃ O₄ und Fe₃ O₄ /PCC-Suspensionen bei verschiedenen pH-Werten. Wie in Abb. 2c gezeigt, ist der isoelektrische Punkt von Fe₃ O₄ war 4,2, während die Oberfläche von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs besaßen im pH-Bereich von 3.0–10.0 negative Ladungen, was auf die Elektronegativität der phenolischen Hydroxylgruppe in Polycatechol zurückzuführen sein könnte. Darüber hinaus ist die Oberflächenladungsdichte von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs stiegen mit steigendem pH-Wert von 3,0 auf 10,0 an. Die negativen Ladungen von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs verhinderten auch die Agglomeration von Nanopartikeln.

Selektive Adsorption von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs

Die Adsorptionseigenschaften von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs gegenüber kationischen Farbstoffen, anionischen Farbstoffen und Phenol aus wässriger Lösung wurden detailliert untersucht. Abbildung 3 zeigt die Entfernungseffizienz von MB als eine Art kationischer Farbstoff, MO als eine Art anionischer Farbstoff und Phenol adsorbiert an Fe₃ O₄ /PCC-MNPs. Es wurde beobachtet, dass die Entfernungseffizienz von MB 75,7% betrug. Die Entfernungseffizienz von MO betrug jedoch nur 10,9 % und die Entfernungseffizienz von Phenol betrug nur 1,5 %. Die Ergebnisse zeigten, dass das Fe₃ O₄ /PCC-MNPs adsorbierten selektiv kationischen Farbstoff aufgrund der elektrostatischen Wechselwirkung (Abb. 2c).

Die Entfernungseffizienz von MB, MO und Phone, die von Fe₃ . adsorbiert wurden O₄ /PCC-MNPs. Wie in Abb. 3 gezeigt, repräsentiert die leere Linie die Entfernungseffizienz von MB, die rote Linie repräsentiert die Entfernung von MO und die blaue Linie repräsentiert die Entfernung von Phonel

Adsorptionskinetik kationischer Farbstoffe

Adsorptionskinetik von fünf kationischen Farbstoffen auf Fe₃ O₄ /PCC-MNPs wurden mit zwei kinetischen Modellen untersucht, nämlich dem Modell pseudo-erster Ordnung und dem Modell pseudo-zweiter Ordnung (Abb. 3). Im kinetischen Modell pseudo-erster Ordnung wird die Geschwindigkeitskonstante der Farbstoffadsorption als [38] ausgedrückt:

$$ Ln\left({q}_e-{q}_t\right)=\mathit{\ln}\left({q}_e\right)\hbox{--} {k}_1\ t $$ ( 2)

wo q _e und q _t sind die adsorbierten Farbstoffmengen (mg g^− 1 ) im Gleichgewicht und zu jedem Zeitpunkt t (min) bzw. und k ₁ ist die Geschwindigkeitskonstante der Adsorption pseudo-erster Ordnung (min^− 1 ).

Das kinetische Modell pseudo-zweiter Ordnung wird durch die Formel [39] beschrieben:

$$ t/{q}_t=1/{k}_{ad}\ {q_e}^2+ 1/{q}_e $$ (3)

Wo q _e und q _t sind die Menge der im Gleichgewicht adsorbierten Farbstoffe und die Zeit t (mg g^− 1 ); und k _Anzeige ist die Geschwindigkeitskonstante pseudo-zweiter Ordnung für den Adsorptionsprozess (mg g^− 1 min^− 1 ). Die Parameterwerte für jedes Modell wurden nach der linearen Methode der kleinsten Quadrate berechnet und die Korrelationskoeffizienten sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass die gesamte Adsorptionskinetik dieser fünf kationischen Farbstoffe auf Fe₃ O₄ /PCC-MNPs könnten durch ein Kinetikmodell pseudo-zweiter Ordnung mit hohem Korrelationskoeffizienten (R² > 0,997) und die Geschwindigkeitskonstanten (k _Anzeige ) wurden zu 0,043, 0,047, 0,051, 0,057, 0,052 g mg^− 1 . berechnet ml^− 1 , entsprechend MB, GB, MG, CV bzw. FG (Abb. 4 und Tabelle 1). Darüber hinaus ist die Adsorptionskapazität von MB auf Fe₃ O₄ /PCC-MNPs wurde im Vergleich zu Fe₃ . deutlich verbessert O₄ MNPs (zusätzliche Datei 1:Abbildung S1). Der Hauptgrund war die elektrostatische Anziehung zwischen der positiven Ladung kationischer Farbstoffe und der negativen Ladung von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs.

Adsorption kationischer Farbstoffe an Fe₃ O₄ /PCC-MNPs (a ) Kinetik pseudo-zweiter Ordnung (b ) Kinetik pseudoerster Ordnung. Wie in Abb. 4 gezeigt, repräsentiert die leere Linie die Adsorption von MB, die rote Linie repräsentiert die Adsorption von GB, die blaue Linie repräsentiert die Adsorption von MG, die Magenta repräsentiert die CV-Adsorption und die Olive steht für die Adsorption von FG

Adsorptionsisothermen verschiedener kationischer Farbstoffe

Die Adsorptionsisotherme spielte eine bedeutende Rolle bei der Bewertung der Adsorptionseigenschaften von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs [40]. Um den Adsorptionsprozess gründlich darzustellen, wurden zwei bekannte Isothermengleichungen, die Langmuir- und die Freundlich-Gleichung (Gl. (4) und (5)), angewendet [41].

Langmuir-Gleichung:

$$ {C}_e/{q}_e={C}_e/{q}_m+ 1/{K}_L\ {q}_m $$ (4)

wo q _e (mg g^− 1 ) ist die Gleichgewichtsadsorptionskapazität des Farbstoffs auf dem Adsorptionsmittel; C _e (mg L^− 1 ) die Gleichgewichtsfarbstoffkonzentration in Lösung ist; q _m (mg g^− 1 ), die maximale Kapazität des Adsorptionsmittels; und K _L (L mg^− 1 ), die Langmuir-Konstante.

Freundlich-Gleichung:

$$ {q}_e={K}_F\ {C_e}^{1/n} $$ (5)

Wo q _e und C _e sind wie oben definiert; K _F (L mg^− 1 ) ist die Freundlich-Konstante; und n ist der Heterogenitätsfaktor.

Abbildung 5 zeigt die Adsorptionsisothermen kationischer Farbstoffe auf Fe₃ O₄ /PCC-MNPs. Die Ergebnisse zeigten, dass die Adsorption der fünf kationischen Farbstoffe gemäß den Korrelationskoeffizienten alle besser mit der Langmuir-Gleichung als mit der Freundlich-Gleichung übereinstimmte. Die maximalen Adsorptionskapazitäten (q _m ) für diese Farbstoffe wurden mit der Langmuir-Gleichung berechnet, die in Tabelle 2 aufgeführt ist. Die q _m für kationische Farbstoffe:MB, GB, MG, CV und FG waren 60,06, 70,97, 66,84, 66,01 und 50,27 mg g^− 1 , bzw. Das angepasste Langmuir-Modell ging davon aus, dass der einzelne Schadstoff an eine einzelne Stelle des Adsorbens gebunden ist und dass alle Oberflächenstellen auf dem Adsorbens die gleiche Affinität für den Schadstoff und keine Wechselwirkungen zwischen den Schadstoffen aufweisen [42].

a Isothermen der Adsorption kationischer Farbstoffe an Fe₃ O₄ /PCC-MNPs (b ) Langmuir und (c ) Freundlich-Adsorptionsisothermenmodelle für organische Farbstoffe durch Fe₃ O₄ /PCC-MNPs. Wie in Abb. 5 gezeigt, repräsentiert die leere Linie die Adsorption von MB, die rote Linie repräsentiert die Adsorption von GB, die blaue Linie repräsentiert die Adsorption von MG, die magentafarbene Linie repräsentiert die CV-Adsorption und die olivgrüne Linie steht stellvertretend für die Adsorption von FG

Einfluss der Temperatur auf die Adsorption kationischer Farbstoffe

Der Einfluss der Temperatur auf die Adsorption kationischer Farbstoffe wurde in Abb. 6 gezeigt. Wie zu sehen ist, nahm die Entfernungseffizienz von MB mit steigender Temperatur (30–45 °C) zu und erreichte bis zu 84 % bei 45 °C , was darauf hindeutet, dass die Adsorption von MB an Fe₃ O₄ /PCC war ein endothermer Prozess. Während die Entfernungseffizienz von GB und CV mit steigender Temperatur abnahm, deutet dies auf eine exotherme Reaktion für die Adsorption von GB und CV hin, was darauf hindeutet, dass die Sorptionsprozesse hauptsächlich physikalische Adsorption waren. Außerdem hatte die Reaktionstemperatur einen geringen Einfluss auf die Adsorption von WG und FG. Der Einfluss der Reaktionstemperatur auf die Adsorption von fünf kationischen Farbstoffen war unterschiedlich, hauptsächlich aufgrund der unterschiedlichen Struktur der Farbstoffe und des Lochs der MNPs. Wenn die Löcher der MNPs zu klein sind, um hineinzukommen, müssen die Adsorbatmoleküle die hohe Barriere überwinden, um in das Loch zu gelangen. Da die Löcher klein sind und die Diffusion blockiert ist, ist der Adsorptionsprozess instabiler, was zu einer höheren Energie führt und der Prozess ist endotherm. Andernfalls ist der Prozess exotherm.

Einfluss der Temperatur auf die Adsorption kationischer Farbstoffe an Fe₃ O₄ /PCC-MNPs. Wie in Abb. 6 gezeigt, stellt die leere Linie eine Temperatur von 30 °C dar, die rote Linie eine Temperatur von 40 °C und die blaue Linie eine Temperatur von 45 °C

Auswirkung des pH-Werts auf die Adsorption kationischer Farbstoffe

Der pH-Wert der wässrigen Lösung war ein wichtiger Faktor, der den Farbstoffadsorptionsprozess beeinflusst, da er die Oberflächenladung eines Adsorptionsmittels und das Ionisierungsverhalten sowohl des Adsorptionsmittels als auch des Farbstoffs beeinflusst [43]. Der Einfluss des pH-Werts auf die Entfernung kationischer Farbstoffe wurde bei einer Farbstoffkonzentration von 0,1 mM bei 30 °C und bei pH-Werten von 3,0 bis 9,0 untersucht. Wie in Abb. 7 gezeigt, nahm die Entfernungseffizienz kationischer Farbstoffe mit steigendem pH-Wert zu. Da das Fe₃ O₄ /PCC-MNPs waren negativ geladen und ihre Oberflächenladungsdichte nahm mit höherem pH zu (Abb. 2c), kationische Farbstoffe wurden an Fe₃ . adsorbiert O₄ /PCC-MNPs durch die elektrostatische Anziehung zwischen der positiven Ladung kationischer Farbstoffmoleküle und der negativen Ladung von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs. Mit steigendem pH-Wert wird die elektrostatische Anziehung zwischen der negativ geladenen Oberfläche des Fe₃ O₄ /PCC-Komposit- und kationische Farbstoffmoleküle erhöht, was zu einer Erhöhung der Adsorptionskapazität von kationischen Farbstoffen führt. Daher half der erhöhte pH-Wert, kationische Farbstoffe durch Fe₃ . zu entfernen O₄ /PCC-MNPs.

Einfluss des anfänglichen pH-Werts auf die Entfernung kationischer Farbstoffe auf Fe₃ O₄ /PCC MNPs beträgt die Temperatur 30 °C. Wie in Fig. 7 gezeigt, stellt die leere Linie einen pH-Wert der Lösung von 3,0 dar, die rote Linie einen pH-Wert der Lösung von 6,0 und die blaue Linie einen pH-Wert der Lösung von 9,0

Auswirkung koexistierender Kationen auf die MB-Adsorption

Farbstoffabwässer enthielten immer eine Vielzahl von koexistierenden Ionen, die den Farbstoffadsorptionsprozess beeinflussen könnten [4]. In dieser Studie wurden drei häufig gleichzeitig vorkommende Salze, NaCl, MgSO₄ und FeCl₃ wurden ausgewählt, um die Wirkung koexistierender Kationen und ihrer Ionenstärke auf die MB-Adsorption an Fe₃ . zu untersuchen O₄ /PCC-MNPs mit den Ergebnissen in Abb. 8. Wie zu sehen ist, Na⁺ , Mg²⁺ und Fe³⁺ alle unterdrückte MB-Adsorption aufgrund der konkurrierenden Adsorption zwischen Kationen und MB an den Adsorptionsstellen von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs. Darüber hinaus verringerte sich die Entfernungseffizienz von MB mit Fe³⁺ . von 63 % auf 20 % Konzentration steigt von 0,1 mM auf 0,5 mM. Über eine solche kompetitive Adsorption wurde in der Literatur ausführlich berichtet [44]. Die Ergebnisse bestätigten weiter die elektrostatische Adsorption von MB auf Fe₃ O₄ /PCC-MNPs.

Einfluss koexistierender Kationen und Ionenstärke auf die Adsorption von MB an Fe₃ O₄ /PCC-MNPs. Wie in Abb. 8 gezeigt, repräsentiert die leere Linie die Adsorption von MB ohne koexistierende Ionen, die rote Linie repräsentiert die Wirkung auf die MB-Adsorption mit 10 mM NaCl, die blaue Linie repräsentiert die Wirkung auf die MB-Adsorption mit 50 mM NaCl, die Magenta Linie repräsentiert die Wirkung auf die MB-Adsorption mit 10 mM MgSO₄ , die olivfarbene Linie stellt die Wirkung auf die MB-Adsorption mit 50 mM MgSO₄ . dar , die Marinelinie repräsentiert die Wirkung auf die MB-Adsorption mit 0,1 mM FeCl₃ , die violette Linie repräsentiert die Wirkung auf die MB-Adsorption mit 0,2 mM FeCl₃ , die violette Linie stellt die Wirkung auf die MB-Adsorption mit 0,1 mM FeCl₃ . dar

Recycling des Adsorbens

Nach der Adsorption wird Fe₃ O₄ /PCC-MNPs konnten mit Ethanoldesorption bei pH 4.0 für 12 h regeneriert und mit entionisiertem Wasser neutral gewaschen werden. Das Fe₃ O₄ /PCC-MNPs konnten fünfmal regeneriert und wiederverwendet werden. Abbildung 9 zeigt die Adsorptionsleistung des regenerierten Fe₃ . O₄ /PCC-MNPs für kationische Farbstoffe. Die Entfernungseffizienz von kationischen Farbstoffen nahm während des ersten Adsorptions-Desorptions-Zyklus bis zum fünften Zyklus allmählich ab. Beim sechsten Zyklus nahm die Entfernungseffizienz von MB, GB, MG, CV und FG dramatisch auf 27%, 23%, 37%, 43% bzw. 39% ab. Bemerkenswerterweise erleichterte das Vorhandensein magnetischer Nanopartikel die Abtrennung und Rückgewinnung des Adsorptionsmittels. Es zeigt an, dass das Fe₃ O₄ /PCC MNPs hat eine gewisse wirtschaftliche Machbarkeit.

Das Histogramm der Entfernungseffizienz von kationischen Farbstoffen durch Fe₃ O₄ /PCC-MNPs-Adsorption ([Fe₃ O₄ /PCC] = 1,0 g L^− 1 , [färbt]₀ = 0,1 mM, pH 6,0, t = 300 min)

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein neues magnetisches Nanoadsorbens (Fe₃ O₄ /PCC MNPs) wurde erfolgreich mit aktiven Adsorptionszentren zum Entfernen kationischer Farbstoffe aus wässriger Lösung hergestellt. Die Einführung von Polycatechol in die Struktur von Fe₃ O₄ /PCC-MNPs zeigten erstaunliche Vorteile, einschließlich der Verhinderung der Agglomeration von Nanopartikeln und der Verbesserung des Adsorptionsverhaltens der MNPs. Es wurde festgestellt, dass die elektrostatische Wechselwirkung die Hauptkraft des Adsorptionsverhaltens für die kationischen Farbstoffe ist. Der Adsorptionsprozess wurde durch Kinetiken pseudo-zweiter Ordnung bzw. Langmuir-Isothermenmodelle gut beschrieben. Die Ergebnisse zeigten, dass Fe₃ O₄ /PCC-MNPs zeigten eine potenzielle Anwendung zur Entfernung kationischer Farbstoffe in Industrieabwässern.