Eine hydrothermale Synthese von Fe3O4@C-Hybrid-Nanopartikeln und magnetischer Adsorptionsleistung zur Entfernung von Schwermetallionen in wässriger Lösung

Hintergrund

Mit der ständigen Stimme des Umweltschutzes wird immer mehr auf seine toxische Wirkung aufmerksam, die sich auf die menschliche Gesundheit und die Umweltverschmutzung durch Schwermetallbelastung bezieht [1,2,3]. Die Entfernung von Schwermetallelementen aus Industrieabwässern vor der Einleitung wird entscheidend [4]. Bisher wurden in den letzten Jahrzehnten Ionenaustausch, Koagulationsfällung und eine Reihe traditioneller Technologien zur Entfernung von Schwermetallen aus Abwasser eingesetzt [5, 6]. Die Erkenntnis, dass konventionelle Techniken erhebliche Vorteile für den Menschen darstellen, hat auch Nachteile aufgezeigt, die sowohl von der Management- als auch von der technischen Seite gekennzeichnet sind, wie teure Betriebskosten, zusätzliche Bildung von giftigem Schlamm und unvollständige Metallentfernung [7,8,9]. Andererseits hat sich die Kontrolle der Partikelgröße, der Morphologie von Adsorptionsmaterialien, als eine der effizienten und innovativen Lösungen zur Überwindung dieser Art von Problemen erwiesen. Hohlkugeln, Nanodrähte und Nanoröhren haben eine bessere Adsorptionsleistung, um zur Schwermetallentfernung in den Referenzen [10,11,12,13] beizutragen. Darüber hinaus konzentrieren sich die Forschungen auf das neue Material, das eine Kern-Schale-Struktur mit Kern-Leere-Schale-Eigenschaft hält. Es hat sich für seine Vorteile im Vergleich zu gleich großen festen Gegenstücken erwiesen, wie die Gültigkeit derjenigen bei den Änderungen von Oberflächen, Brechungsindex, geringerer Dichte und Aufnahmevolumen, die zu einem großen Beitrag sowohl unter den Aspekten der Eigenschaften und Funktionen [14, 15]. Daher ist diese einzigartige Struktur mit abstimmbarer Form, Zusammensetzung und Innenarchitektur eine spannende Richtung für die Umweltsanierung.

Viele Literaturen beschäftigen sich mit Kern-Schale-Strukturmaterialien. Guo [16] hatte die Käfigglocke Ag@TiO₂ . hergestellt Materialien, und die Studie zeigte bessere photokatalytische und elektrochemische Eigenschaften. Liu [17] präparierte Kern-Schale-Fe₃ O₄ Polydopamin-Nanopartikel, die ein gutes Potenzial auf dem Gebiet der medizinischen Träger, Katalysatorträger und Kohlenstoffadsorptionsmittel zeigten. Nach unserem besten Wissen ist die Unterstützung von entfernbaren oder Opfertemplaten (z. B. Polymersilica [18], Kugeln [19], Kohlenstoff [20] und ionische Flüssigkeiten [21]) der gewünschten Schalen wichtig für die allgemeine Synthese von Kern- Shell-Hybrid-Nanopartikel-Strukturen. Die meisten verfügbaren Kern-Schale-Strukturmaterialien werden jedoch durch Multitemplat-Prozesse synthetisiert, die sich hauptsächlich auf die relativ einfachen Konfigurationen konzentrieren, wie eine Zusammensetzung in einschaligen Partikeln. Darüber hinaus fehlt es noch an Methoden zur Entfernung von Schwermetallionen mit einem allgemeinen Ansatz, die die Machbarkeit der fortschrittlichen Materialien mit Kern-Schale-Strukturen stärken, einschließlich Zeit und Kosten im Konstruktionsprozess komplexer Nanostrukturen, die durch Synthesetemplate begrenzt waren und Multi-Template-Routen, die sowohl aus technischer als auch aus ökologischer Sicht zu einem Wunsch geworden sind.

Die Synthese des magnetischen funktionellen Nanokomposits ist ein effektiver und praktischer Weg, um die Trennung zwischen Adsorbens und Lösung zur Erweiterung der magnetischen Trennung zu lösen [22]. Dabei werden zunehmend kovalent immobilisierte Polymere, neuartige Moleküle und anorganische Materialien in die Oberfläche magnetischer Nanopartikel eingebracht; sie sind auch nützliche Verfahrenswege für die Abwasserbehandlung mit giftigen Schwermetallionen [23]. Zum Beispiel neuartige synthetisierte chitosanmodifizierte magnetische Nanokomposite [24] und monodisperses Fe₃ O₄ Es wird über magnetische Kern-Schale-Mikrokügelchen aus magnetischen Nanopartikeln mit @Silica-Kern-Schale-Struktur [25] berichtet. Obwohl diese magnetischen Nanokomposite durch den Adsorptionsprozess auf Basis des externen Magneten leicht aus der Lösung getrennt werden können, müssen die besonderen Bedingungen wie die Anwendbarkeit stark saurer Abwässer noch weiter berücksichtigt werden.

In letzter Zeit gibt es viele Studien zu kohlenstoffbasierten nanostrukturierten Materialien. Wildgoose [26] präsentierte diese Art von Materialien mit offensichtlichen Vorteilen in Bezug auf Kosten, Alkalikorrosionsbeständigkeit, spezifische Oberfläche und Adsorptionskapazität. Uchida [27] wies darauf hin, dass sich die funktionellen Carboxylgruppen leicht auf der Kohlenstoffoberfläche bilden und dann die Adsorptionskapazität von Schwermetallionen weiter erhöhen können. Der fatale Fehler der Schwierigkeit, sie aus einer Lösung zu entfernen, die durch die geringe Größe der Kohlenstoffpartikel verursacht wurde, schränkte jedoch ihre Anwendung bei der Behandlung von Schwermetallabwässern ein. Angesichts der Tatsache, dass kohlenstoffbeschichtete magnetische Nanopartikel ein geeignetes Medium in der Abwasserbehandlung sind, zeigten sie fortgeschrittene Auswirkungen auf die Adsorptionskapazität und die Trenneigenschaften im externen Magnetfeld. Viel mehr Aufmerksamkeit hat zugenommen [28,29,30,31,32,33,34,35]. Zhang [36] stellte magnetische hohle Kohlenstoff-Nanokugeln her, die bei der Entfernung von Chromionen verwendet wurden. Um Schwermetalle zu entfernen, berichteten Gruppen von Wang [37] über eine Fallstudie zu Fe-Nanopartikelmaterialien. Diese früheren Studien zeigten, dass sich die entsprechenden zukünftigen Arbeiten auf hocheffiziente Schwermetallionen-Adsorbentien mit einfacher Abtrennung und großer Adsorptionskapazität beziehen müssen. In der Zwischenzeit sei darauf hingewiesen, dass es seltene Studien zu kernschaligem Fe₃ . gibt O₄ @C hybride Nanopartikel Aggregate bis jetzt.

In dieser Studie haben wir Kohlenstoffmikrokugeln mit Magnetkernen hergestellt. Außerdem wurde eine prägnante Strategie zur Synthese von Kern-Schale-Fe₃ . vorgeschlagen O₄ @C Hybrid-Nanopartikel-Aggregate, ein fortschrittliches Material zur Entfernung von Schwermetallionen mit der Festigkeitsreinheit, den Oberflächen und der Adsorptionskapazität. Verglichen mit der traditionellen Produktionstechnologie von Fe₃ O₄ Materialien liegen die Vorteile auf der Hand. Es drückte nicht nur eine größere Oberfläche und eine stabile Konfiguration aus, sondern auch die Entfernungsschablone, die nicht durch die Produktmorphologie beeinflusst wird. Unsere Forschung liefert einen höheren Grad an aktiven Zentren [38, 39]. Beim Einbringen der externen Magnetfelder, die durch die eisenbasierten Nanopartikel verursacht werden, konnte das Adsorbens leicht abgetrennt werden [40, 41]. Daher ist das erhaltene kern-ummantelte Fe₃ O₄ @C-Hybrid-Nanopartikel-Aggregate zeigen eine überlegene Adsorptionskapazität für Schwermetallionen mit dem Weg umweltfreundlich, Massenproduktion und Kostenvorteile.

Experimentell

Materialien und Synthese

Synthese von kernummanteltem Fe₃ O₄ Hybride Nanopartikel-Aggregate

In typischen Syntheseschritten werden 0,72 g Fe(NO₃ )₃ ·9H₂ O, 0,0086 g NH₄ H₂ PO₄ , 0,008 g Na₂ SO₄ ·10H₂ O bzw. 3 g Glucose wurden in destilliertem Wasser gelöst, alle zusammen in einem Volumen von 90 ml gemischt, destilliertes Wasser zu der Mischung gegeben und kontinuierlich 10 Minuten lang mit einem basischen Magnetrührer gemischt. Dann wurde die Mischung für 180 °C, 48 h lang in 100 ml eines mit Teflon ausgekleideten Edelstahlautoklaven verschoben. Nachdem die Reaktion abgeschlossen und auf natürliche Weise auf Raumtemperatur abgekühlt war, wurde der Schwarzfuß gewonnen und mehrmals mit entionisiertem Wasser und absolutem Ethanol gewaschen, dann den Schwarzen Fuß bei 65 °C die ganze Nacht unter Vakuumbedingungen getrocknet und schließlich erhalten Vorläufer durch Kalzinieren bei 450 °C mit einer Geschwindigkeit von 3 °C min ⁻¹ dann weiter erhitzt mit einem sequentiellen Kohlenmonoxid/Argon-Gasstrom (4 h) und auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Das Fe₃ O₄ @C-Probe wurde erhalten. Wie in Schema 1 beschrieben, ist die Hydrolyse von Fe ³⁺ führt zu einer Fe-Oxidschicht in Nanometer-Genauigkeit. Währenddessen wird Saccharose karbonisiert. Danach werden Mikrokügelchen aus Fe-C-O-Verbundmaterial in situ während der Baderwärmungsreaktion durch Kalzinierungsabschnitte gebildet und gewinnen dann kernschaliges Fe₃ O₄ @C Hybrid-Nanopartikel.

Syntheseroute des Kern-Schale-Fe₃ O₄ @C-Hybrid-Nanopartikel

Charakterisierung

Die Phasenzusammensetzung des hergestellten Materials wurde durch Röntgenbeugung (XRD) analysiert, die bei 2θ . aufgenommen wurde = 20°–90° von Rigaku D/max-A Diffraktometer mit Co Kα-Strahlung. FTIR (Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie, Thermo Nicolet AVATARFTIR 360) wurde durchgeführt, um die FTIR-Zeichen der Proben im Bereich von 400–4000 cm ⁻¹ . aufzuzeichnen sowie. AMRAY 1000B SEM (Rasterelektronenmikroskop), HR-TEM (Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop, JEOL JEM-2100) (200 Kv) und Selected Area Electron Diffraktion (SAED) wurden implementiert, um die Morphologie der Probe, das Mikrostrukturmerkmal, und die Gitterstruktur. Darüber hinaus wurde ein Micromeritics Tristar-Gerät bei 350,15 °C verwendet, um die Prozesse der Stickstoffadsorption und -desorption zu messen; Brunauer-Emmet-Teller (BET) wurde verwendet, um die spezifischen Oberflächen zu diskutieren; Die quantitative Analyse der Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) wird mit einem Hitachi-Spektrophotometer Z2000 durchgeführt, das mit Hohlkathodenlampen und einer Acetylen-Luft-Flamme ausgestattet ist. Die magnetische Leistung des hergestellten Materials wurde mit einem Vibrationsproben-Magnetometer (VSM) gemessen.

Schwermetallionen-Entfernungsexperimente

Bei Raumtemperatur wurde die Durchführung einer Reihe von Experimenten in Erwägung gezogen, um Schwermetallionen zu entfernen. Zunächst werden Pb (II), Cd (II), Cu (II) und Cr (VI) in vier geschlossenen Behältern zugegeben; danach 0,1 M HCl und 0,1 M NH₃ •H₂ O werden verwendet, um den pH-Wert auf 3 einzustellen, und dann die Adsorptionslösungen mit dem Endvolumen von 50 ml und einer Konzentration von 10 mg L ^-1 erhalten wurden. Anschließend unter ständigem Rühren 20 mg Fe₃ . wie zubereitet O₄ @C Probe wurde zu den obigen Lösungen gegeben. Während des Adsorptionsreaktionsprozesses wurden über die verschiedenen Zeiträume (0, 0,5, 1, 1,5, 2, 4, 6, 10 bzw ausgestattet mit Membranfilter, endlich abgeschwächt für AAS-Messung.

Ergebnis und Diskussion

Physikochemische Eigenschaften von kernummanteltem Fe₃ O₄ @C Nanosphäre

Die XRD-Muster des synthetisierten Kern-Schale-Fe₃ O₄ @C-Hybrid-Nanopartikel-Aggregate und ihre Vorstufe wurden in Abb. 1 gezeigt, die offensichtlich zeigt, dass der Herstellungsprozess eine höhere Kristallinität aufweist als die Vorstufe durch Kalzinierungen bei 450 °C. Die vorbereiteten Proben zeigten Verbundmaterialien entsprechend kubisch-flächenzentriertem (f c c) Fe₃ O₄ (JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards) Karte Nr. 75-0033). Der Beugungspeak bei 21,5°, wie in den Mustern gezeigt, sollte der (002)-Ebene des graphitischen Kohlenstoffs zugeordnet werden, die auch direkt durch SEM und TEM gefunden werden kann.

XRD-Muster von kern-ummanteltem Fe₃ O₄ @C-Hybrid-Nanopartikel-Aggregate und ihre Vorstufe (a—Fe₃ O₄ @C Hybrid-Nanopartikel-Aggregate; b – der Vorläufer)

REM-Aufnahmen des Vorläufers und des kernummantelten Fe₃ O₄ Die @C-Hybrid-Nanopartikel-Synthese, die durch Kalzinieren bei 450 °C bei verschiedenen Vergrößerungen hergestellt wurde, ist in Abb. 2a–c dargestellt. Abgesehen von einer kleinen winzigen Größe ist das synthetisierte Fe₃ . offensichtlich O₄ @C behielt die Morphologie des hergestellten Vorläufers, bei dem es sich um Mikrokügelchen handelt, ca. mit der Größe von 700 nm einheitlich. Abbildung 2b, c beschreiben deutlich die hybride Kern-Schale-Struktur von Fe₃ O₄ @C; es kann durch die Mesosphären nachgewiesen werden. Abbildung 2c zeigt auch, dass das synthetisierte Pulver aus Nanopartikeln hergestellt wird, basierend auf den Ergebnissen der Teilpartikel mit teilweisem Bruch der Schale. Die oben genannten gespaltenen Mikrokügelchen stammen wahrscheinlich vom schnellen Massentransport durch die Schalen. In Abbildung 2d, e wurde auch die Struktur von Fe₃ . beschrieben O₄ @C. In Abb. 2d ist eine Kern-Schale-Innenstruktur sichtbar, die verdeutlicht, dass das Fe₃ O₄ Nanopartikel sind offensichtlich in den amorphen Kohlenstoff verteilt. Dies stimmt mit dem SEM-Ergebnis überein. Andererseits stimmen HRTEM (Abb. 2e) und XRD auch gut überein, was zeigt, dass der Gitterabstand (0,297 nm) mit dem (220) Ebenenabstand von kubisch-flächenzentriertem Fe₃ . übereinstimmt O₄ . Sein SAED-Ergebnis ergab, dass das Fe₃ O₄ Nanopartikel waren hochkristalline Einkristalle. Somit kann die einzigartige hybride Kern-Schale-Probe eine höhere Reaktionseffizienz der Adsorptionsstelle auf die Zieladsorbate aufweisen, was im Bereich des Umweltschutzes verwendet werden kann.

REM-Aufnahme der präparierten Vorstufe (a ). REM-Bilder (b , c ), TEM-Bild (d ), HRTEM-Aufnahme (e ) und ausgewählte Flächenelektronenbeugung (f ) von wie synthetisiertem Kern-Schale-Fe₃ O₄ @C-Hybrid-Nanopartikel-Aggregate, die durch Kalzinierungen bei 450 °C erhalten wurden

Die magnetischen Eigenschaften des zubereiteten Materials wurden unter Verwendung von VSM bewertet und die Ergebnisse sind in Abb. 3 gezeigt. Der magnetische Sättigungswert wird im Vergleich zu bloßem Fe₃ . von 53 emu/g erreicht O₄ Mikrokügelchen (67,55 emu/g). Der hohe Magnetisierungswert des präparierten Materials ist deutlich zu erkennen. Der Einschub in Abb. 3 zeigt, dass bei Anlegen eines externen Magnetfelds die Partikel vom Magneten angezogen werden, wodurch die wässrige Lösung klar und transparent bleibt.

Messungen der Magnetisierungsschleife

Abbildung 4a zeigt die Adsorptions- und Desorptionsisotherme der Proben, während Abbildung 4b die Porengrößenverteilung der erhaltenen Proben zeigt, die beide vor bzw. nach der Kalzinierung stammen. Die Isotherme ist eine repräsentative Isotherme mesoporösen Materials basierend auf dem klassischen Typ IV. Die Porengrößenverteilung durch Kalzinierungen zeigte deutlich die durchschnittlichen Porendurchmesser von 7,5 bis 9,1 nm, die kleiner als die des Vorläufers waren. In der Zwischenzeit erhöhte sich die BET-Oberfläche der Probe nach Kalzinierungen von 9,74 auf 238,18, was höher ist als in den meisten Berichten [36, 37]. Das Obige deutete auch darauf hin, dass das enthaltene Fe₃ O₄ @C-Proben waren ein lockeres Material mit mesoporöser Struktur, was ein Vorteil für die verbesserte Adsorptionsleistung ist.

Stickstoffadsorptions-Desorptions-Isotherme und Barrett-Joyner-Halenda (BJH)-Plot der Porengrößenverteilung (Einschub) der präparierten Probe vor (a ) und nach (b ) Kalzinierungen

Aufnahme von Schwermetallionen durch Fe₃ O₄ @C

Pb (II), Cd (II), Cu (II) und Cr (VI) wurden als Adsorbate ausgewählt, um die Absorptionskapazität von hergestelltem Fe₃ . zu untersuchen O₄ @C, und sie wurden bei Raumtemperatur in den pH = 3 gebracht, um kinetische Experimente durchzuführen. Wie in Abb. 5 gezeigt, wurden alle Adsorptionsionen erfolgreich von der vorbereiteten Probe adsorbiert, die Effizienz erreichte 100 % für Pb (II), 99,2 % für Cd (II), 96,6 % für Cu(II) und 94,8 % für Cr(VI) bzw. Es bietet eine breitere Anwendung und eine höhere Entfernungseffizienz als die vorherige Studie [42]. Diese hohe Aufnahmeeffizienz kann auf die intrinsischen Vorteile von Kern-Schale-Hybridstrukturen mit hohen spezifischen Oberflächen zurückgeführt werden, die das Fe₃ . lieferten O₄ @C-Probe mit mehr aktiven Sites für den Entfernungsprozess. Darüber hinaus kann es aufgrund der relativ großen Partikelstrukturen im Submikrometerbereich nach der Adsorption leicht zurückgewonnen werden. Es ist auch leicht zu erkennen, dass Pb (II) die höchste Rate zeigte, was aufgrund der Adsorption normalerweise durch Ionenaustausch angemessen ist, und dass eine elektrostatische Wechselwirkung zwischen den freien Metallionen und der Oberfläche des Adsorptionsmittels besteht. Cd, Cu und Cr sind also leichte und leichte Desorptionen nach dem Ionenaustausch, Pb (II) ist das Gegenteil [43,44,45,46,47,48,49].

Beziehung zwischen der Entfernungseffizienz und der Zeit für die Adsorption von Pb (II), Cd (II), Cu (II) und Cr (VI) durch Fe₃ O₄ @C (400 mg L ⁻¹ ) Probe mit anfänglichen Schwermetallionenkonzentrationen von 10 mg L ⁻¹ , bzw.

FTIR-Spektren des schwermetallbeladenen Fe₃ O₄ @C

Abbildung 6 zeigt die Probe mit dem höchsten Pb ²⁺ Aufnahme am Anfang und Ende der Adsorption, die in der Studie zum Auffinden der Wechselwirkung zwischen Fe₃ . verwendet wurde O₄ @C und Schwermetallionen. Darüber hinaus ist die Vorwärts- und Rückwärtsschwingung der −OH-Gruppe von H₃ O ⁺ über Ionenaustausch oder Physisorption von Wassermolekülen, was zu einer breiten Schwingungsbande bei 3475,26 cm ⁻¹ . führte . Der Peak bei 2304,20 cm ⁻¹ wird der Schwingungsausdehnung von CO₂ . zugeschrieben , während der Höhepunkt bei ca. 1625 cm ⁻¹ wurde normalerweise durch die O-H-Kurve verursacht. Der Peak bei 1605,45 cm ⁻¹ stammte von Carboxylgruppen (–C=O–). Der Hauptbeitrag der anderen Peaks im Bereich von 400–1000 cm ^− 1 war normalerweise mit O-Metallbindungen verbunden. Der Unterschied der Peakposition und -intensität von Metall O sowohl am Anfang als auch am Ende der Adsorption von Pb ²⁺ impliziert, dass Pb ²⁺ wird auf dem Fe₃ . geladen O₄ @C Sample stark.

FTIR-Spektren des präparierten Fe₃ O₄ @C-Beispiel vor (a ) und nach (b ) Adsorption von Pb (II)

Adsorptionskinetik

Es wurden verschiedene Texte verfasst, um die Adsorptionskapazität und Kinetik des Fe₃ . zu diskutieren O₄ @C-Hybrid-Nanopartikel-Aggregate in diesem Abschnitt. Pb ²⁺ wurde für das Entfernungsexperiment aus den wässrigen Lösungen bei pH = 3 vorbereitet. Danach wurde das Volumen von 50 ml der 10, 30 und 50 mg L ⁻¹ . vorbereitet Ausgangslösungen, 20 mg Adsorbentien, die dem Pb ²⁺ . hinzugefügt wurden Lösungen in 100 mL-Erlenmeyerkolben bei der Adsorption von jeweils 30 °C. Mit den verschiedenen Zeiträumen (0, 7, 14, 21, 28, 35, 60, 180, 480 und 1440 min) wurde ungefähr 1 ml aus jeder Lösung extrahiert, die für die AAS-Analyse verwendet werden. Gl. (1) zeigt das kinetische Geschwindigkeitsmodell pseudo-zweiter Ordnung [50]:

wo q _e ist Pb ²⁺ pro Masseneinheit adsorbiert, wenn das Adsorptionsmittel im Gleichgewicht ist, q _t (mg g ⁻¹ ) bedeutet das Pb ²⁺ adsorbiert an der Einheitsmasse während der Zeit t (Mindest); k ₂ (g mg ⁻¹ min ⁻¹ ) ist die Geschwindigkeitskonstante des kinetischen Modells, die eine pseudo-zweite Ordnung ist. Abbildung 7a zeigt die Reaktionszeit von Fe₃ O₄ @C-Probe in Pb ²⁺ Entfernung bei den verschiedenen Anfangskonzentrationen (10, 30 und 50 mg L ⁻¹ ), dann lässt sich der Wirkungsgradunterschied leicht ermitteln. Das Ergebnis zeigte das Fe₃ O₄ @C-Proben zeigten eine höhere Adsorptionsleistung und waren leicht trennbar. Abbildung 7b beschreibt die Adsorptionsrate bei den verschiedenen Konzentrationen von Pb ²⁺ (10, 30 und 50 mg L ⁻¹ ). Die Adsorptionsrate stand in negativem Zusammenhang mit der Anfangskonzentration. Dieser Trend lässt sich wie folgt erkennen, da nur ein Teil des oberflächenaktiven Zentrums während der Adsorption genutzt wird. Nämlich mit der Konzentration von Pb ²⁺ Zunehmend begann die Adsorption zuerst an den hochenergetischen Stellen, gefolgt von der Sättigung der niederenergetischen Stellen, die schließlich die Abnahme der Adsorptionsrate verursachte [51]. Tabelle 1 zeigt den Korrelationskoeffizienten (R ² ) erreichte in dieser Studie 0,999; es zeigt deutlich, dass der Adsorptionsprozess gut mit dem Modell pseudo-zweiter Ordnung übereinstimmt.

a Beziehung zwischen der Entfernungseffizienz und der Zeit für die Adsorption von Pb(II) an Fe₃ O₄ @C (20 mg) bei anfänglichen Pb2+-Konzentrationen von 10, 30 und 50 mg L ⁻¹ , bzw. b Kinetik pseudo-zweiter Ordnung für die Adsorption von Pb2+ an Fe₃ O₄ @C-Beispiel (T = 30 °C; Absorptionsdosis =400 mg L ⁻¹ ; Pb2+ Konzentrationen:a = 10 mg L ⁻¹ , b = 30 mg L ⁻¹ , c = 50 mg L ⁻¹ )

Adsorptionsisotherme

In diesem Teil wurden 20 mg Adsorptionsmittel in die 100 ml-Erlenmeyerkolben gegeben und Pb ²⁺ Lösungsproben wurden ebenfalls hergestellt (10–60 mg L ^–1 , 50 ml, pH = 3). Bei 30 °C wurden die obigen Erlenmeyerkolben-Proben in einem verschlossenen Zustand gehalten und in einen thermostatischen Schüttler (24 h, 150 U/min) gegeben und danach zentrifugiert, um die durch AAS gemessene überstehende Lösung zu erhalten. Abbildung 8a zeigt das präparierte Fe₃ O₄ @C-Adsorptionsfähigkeit für Pb ²⁺ . Zur Erklärung des Adsorptionsverlaufs in der Studie wurden die Langmuir- und Freundlich-Isothermen eingesetzt. Der Prozess fand in einer lokalisierten Monoschicht ohne Wechselwirkung zwischen Adsorbatmolekülen statt [52]. Darüber hinaus wird die Stelle für das Adsorbatmolekül zuerst bedient, keine weitere Adsorption an derselben Stelle. Die Langmuir-Isotherme wird wie folgt beschrieben:

a Adsorptionsisotherme für Pb2+ auf dem Fe₃ O₄ @C-Beispiel (T = 30 °C; Adsorptionsmitteldosis =400 mg L ⁻¹ ; Pb2+-Konzentration =10–60 mg L ^–1 ). b Freundlich-lineare Diagramme für die Adsorptionsisotherme des Fe₃ O₄ @Csample zur Entfernung von Pb2+ bei 30 °C

wobei die theoretische maximale Sorptionskapazität der Monoschicht dargestellt wird als q _max (mg g ⁻¹ ), unter k _L um die Langmuir-Konstante auszudrücken (L mg ⁻¹ ) und C _e ist die anfängliche Konzentration von Pb (II). Während die Langmuir-Isothermen für unsere Studie nicht die ideale Konsequenz erreichen, ist sie daher nicht gut geeignet. Entsprechend der Linearform als Gl. (3) ist ein weiteres gängiges empirisches Modell wie die Freundlich-Isotherme, das die Hypothese hat, dass mit steigendem Besetzungsgrad der Stellen im Voraus stabilere Bindungsstellen gebunden werden und ihre Absicht entsprechend sinkt [52].

Hier, k _F bedeutet die Freundlich-Konstante (mg g ⁻¹ )(L mg ⁻¹ ) ^1/n , und 1/n drückt den Heterogenitätsfaktor aus. Der spezifische Inhalt von k _F und 1/n , identifiziert mit einem Diagramm von lg q _e gegen lg C _e , ist in Abb. 8b dargestellt. Tabelle 2 zeigt eine günstige Adsorptionsbedingung [52, 53]. Es zeigte den Grund, dass der Freundlich-Exponent n größer als 1 ist. Daraus kann geschlossen werden, dass der Adsorptionseffekt von Pb ²⁺ war abhängig von den hybriden Kern-Schale-Strukturen oder der Heterogenität für die Oberflächen des Fe₃ O₄ @C-Beispiel. In der Zwischenzeit R ² , der Korrelationskoeffizient der Probe, erreicht bis zu 0,9712, was bedeutet, dass das Freundlich-Isothermenmodell für die experimentelle Gleichgewichtsanalyse gut geeignet war.

Thermodynamikanalyse

Unter Berücksichtigung eines isolierten Systems als relevante Annahme wurde die Arrhenius-Gleichung (Gl. (4)) verwendet, um die thermodynamische Analyse durchzuführen. Unter bestimmten besonderen Bedingungen eines thermostatischen Schüttlers betrug die ursprüngliche Konzentration normalerweise 30 mg L ⁻¹ . und das Adsorptionsvolumen 50 ml betrug, wurden 20 mg Adsorptionsmittel in die Erlenmeyerkolben mit einer Kapazität von 100 ml sowie Pb ²⁺ . gegeben Lösungen bei fünf Klassifizierungstemperaturbedingungen, einschließlich 30, 40, 50, 60 und 70 °C. Bei der Adsorption wurden die wässrigen Proben nach verschiedenen Zeiträumen entnommen; während dieser Zeit sind die konstanten Konzentrationen von Pb ²⁺ wurden auch basierend auf der AAS gemessen, die verwendet wurde, um ihre Adsorptionskinetik gemäß der oben genannten unterschiedlichen Temperatursituation zu analysieren. Außerdem wird die oben angegebene Arrhenius-Gleichung verwendet, um die Aktivierungsenergie zu bewerten, die die Voraussetzung für die Adsorptionsforschung war.

Hier, E _a ist die Arrhenius-Aktivierungsenergie (kJ mol ⁻¹ ). A stellt den Faktor von Arrhenius dar; die Gaskonstante (8,314 J mol ⁻¹ .) K ⁻¹ ) wird mit R . ausgedrückt , und T bezieht sich auf die absolute Temperatur (K). Die entsprechende Steigung ist −Ea /R , basierend auf einem Diagramm von lnk ₂ gegen 1/T (Abb. 9), um die gerade Linie zu erhalten.

Plot von lnk2versus 1/T für die Pb2+-Adsorption am Fe₃ O₄ @C-Probe (TOC)

Die Dimensionen der Aktivierungsenergie wurden genommen, um die Form der Adsorption zu bestimmen. Normalerweise mit einem bestimmten Umfang (0–40 kJ mol ^–1 ) für die Aktivierungsenergie im Prozess der Physisorption [54] wurde dagegen beim Chemisorptionsprozess eine größere Reichweite benötigt. Die Aktivierungsenergie betrug 34,92 kJ mol ⁻¹ Hier. Es zeigte, dass der Adsorptionsprozess von Pb ²⁺ auf das Fe₃ O₄ @C wird in Physisorption eingeteilt.

Schlussfolgerungen

Die Verbindung von Kern-Schale-Fe₃ O₄ @C-Hybrid-Nanopartikel-Aggregate werden durch die Annahme pazifischer und gemäßigter Schritte auf der Grundlage der solvothermalen Synthesemethode erreicht und die Kalzinierungen schließlich bei 450 °C erhalten. Durch die hybriden Kern-Schale-Nanostrukturen auf Kohlenstoffbasis kann für das Adsorbat im Vergleich zu einem festen Adsorbat ein höherer Grad an Expositionseffizienz von Adsorptionsplätzen realisiert werden, der bessere Adsorptionseigenschaften liefert, um die Schwermetallionen zu eliminieren. Darüber hinaus ermöglichen die Kerne auf Eisenbasis, dass die Adsorptionsmittel leicht von den wässrigen Lösungen getrennt werden. Mit diesem Gerät (billiger, weniger Komplizenschaft und höhere Produktivität) wird ein neuer Ansatz verdeutlicht, dass Kern-Schale-Nano-/mikrofunktionelle Materialien gut in großem Maßstab synthetisiert werden können, die in vielen Bereichen wie Umweltsanierung, Katalysatoren, und Energie.

Abkürzungen

AAS:

Atomabsorptionsspektroskopie

WET:

Brunauer-Emmet-Teller

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

HR-TEM:

Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop

JCPDS:

Gemeinsamer Ausschuss für Pulverbeugungsstandards

SAED:

Ausgewählte Bereichselektronenbeugung

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

TEM:

Transmissionselektronenmikroskop

VSM:

Vibrationsproben-Magnetometer

XRD:

Röntgenbeugung