Hocheffiziente magnetische Kohlenstoff-Mikrokugeln für wiederverwendbare Sulfonamid-Entfernung aus Wasser

Zusammenfassung

Wir berichten über eine einfache hydrothermale Synthese magnetischer Kohlenstoff-Mikrokugeln (MCMs) unter Verwendung von Glukose und Fe₃O₄-Nanopartikeln. Kalzinierung bei 600 °C für 1 h liefert ein Material mit einer außergewöhnlichen BET-Oberfläche von 1228 m²/g und einem Porenvolumen von 0,448 m³/g. Die MCMs adsorbieren Sulfonamid mit einer maximalen Kapazität von 24,6 mg g⁻¹ bei pH 4,0, abnehmend auf 19,2 mg g⁻¹ bei pH 10,0. Die Adsorption folgt einer Langmuir-Isotherme und Pseudo-Zweiter-Ordnung-Kinetik, und der Adsorbens behält nach vier Regenerationszyklen 18,31 mg g⁻¹ bei, was robuste Wiederverwendbarkeit demonstriert.

Hintergrund

Antibiotika-Kontamination, besonders Sulfonamide, stellt eine erhebliche Bedrohung für aquatische Ökosysteme und die menschliche Gesundheit dar. Traditionelle Kohlenstoffadsorber sind schwer aus Wasser zurückzugewinnen, was ihre praktische Nutzung limitiert. Die Einbindung magnetischer Nanopartikel in Kohlenstoffmatrizen schafft magnetische Kohlenstoffkomposite, die mühelos mit einem externen Magneten zurückgeholt werden können. Während solche Materialien für Farbstoffe und Phenole erforscht wurden, bleibt ihre Anwendung zur Sulfonamid-Entfernung unterentwickelt.

Methoden

Chemikalien und Materialien

Alle Reagenzien waren analytischer Grad (Sinopharm, Nanjing Chemical Reagent Co., Ltd., Xilong Chemical Co., Ltd.). Destilliertes Wasser wurde durchgehend verwendet.

Fe₃O₄-Nanopartikel-Synthese

FeCl₃·6H₂O (1,35 g) und NaAc·3H₂O (3,60 g) wurden in 40 ml Ethylenglykol gelöst, in einen 100 ml Teflon-ausgekleideten Autoklaven überführt und bei 200 °C für 8 h erhitzt. Das Produkt wurde mit Wasser und Ethanol gewaschen.

Herstellung der MCMs

0,1 g Fe₃O₄-Nanopartikel wurden in 60 ml Wasser mit Glukose dispergiert, gerührt und hydrothermal bei 200 °C für 11 h behandelt. Die resultierenden Mikrokugeln wurden gewaschen, mit 40 % ZnCl₂ imprägniert, getrocknet und unter N₂ bei 600 °C für 1 h kalziniert.

Charakterisierung

MCMs wurden mittels TEM, FE-SEM, VSM, BET-Analyse und Zeta-Potenzial-Messung untersucht. Gleichungen für Adsorptionskapazität und kinetische Modelle wurden wie in der Originalstudie beschrieben angewendet.

Adsorptionsversuche

Sulfonamid-Lösungen (50 ml) wurden mit MCMs (1 g L⁻¹) gemischt und bei 300 K und 120 U/min geschüttelt. Nach Erreichen des Gleichgewichts wurde der Adsorbens magnetisch separiert und die Sulfonamid-Konzentration bei 258 nm gemessen. Regeneration erfolgte durch Desorption mit NaOH (0,1 M), Ultraschallbehandlung und Spülung auf pH 7.

Ergebnisse und Diskussion

Mikrostruktur

TEM-Bilder (Abb. 1) bestätigen ~200 nm Fe₃O₄-Kerne, gleichmäßig mit einer Kohlenstoffschale überzogen, die sphärische MCMs bilden.

Spektroskopische Analyse

FT-IR zeigt charakteristisches Fe–O-Strecken (~574 cm⁻¹) und breite –OH-Bänder (~3462 cm⁻¹). XRD bestätigt die kubische Magnetit-Phase.

Oberfläche und Porosität

BET-Analyse (Abb. 3) offenbart eine Oberfläche von 1228 m²/g und ein Porenvolumen von 0,448 m³/g für das bei 600 °C/1 h kalzinierte Sample (MCM-d). ZnCl₂-Imprägnierung und höhere Kalzinierungstemperaturen sind kritisch für diese hohe Porosität.

Magnetische Eigenschaften

VSM-Daten (Abb. 4) zeigen eine Sättigungsmagnetisierung von 42,3 emu g⁻¹, ausreichend für effiziente magnetische Separation bei Erhalt einer superparamagnetischen Antwort.

Adsorptionsisotherme

Langmuir-Anpassung ergibt eine maximale Kapazität Qₘ = 27,86 mg g⁻¹, was Monolagenadsorption anzeigt. Freundlich-Parameter (K_F = 3,06 L g⁻¹, 1/n = 0,476) bestätigen günstige Adsorption. Das Langmuir-Modell liefert ein höheres R², was auf eine homogene Oberfläche hindeutet.

Adsorptionskinetik

Pseudo-Zweiter-Ordnung-Kinetik (R² = 0,999) übertrifft Pseudo-Erster-Ordnung, was impliziert, dass Chemisorption den Prozess kontrolliert.

pH-Einfluss

Die Adsorption sinkt von 24,22 auf 12,48 mg g⁻¹, wenn der pH von 4 auf 12 steigt, aufgrund von Protonierungszustandsänderungen des Sulfonamids und Oberflächenladungsumkehr der MCMs.

Temperatur- und Ionenstärke-Einfluss

Höhere Temperaturen und zugesetztes KCl reduzieren die Adsorptionskapazität, wahrscheinlich durch Konkurrenz und thermische Desorption.

Wiederverwendbarkeit

Nach vier Regenerationszyklen behalten MCMs 73,23 % Entfernungsleistung (18,31 mg g⁻¹) bei und zeigen keine morphologischen Veränderungen (Abb. 7b). Der Adsorbens kann mindestens fünfmal wiederverwendet werden mit akzeptablem Kapazitätsverlust.

Schlussfolgerungen

Wir haben eine magnetische Kohlenstoff-Mikrokugel mit beispielloser Oberfläche (1228 m²/g) und Porenvolumen (0,448 m³/g) entwickelt, die Sulfonamid effektiv aus Wasser entfernt. Das Material folgt Langmuir-Adsorption, Pseudo-Zweiter-Ordnung-Kinetik und kann mit NaOH regeneriert werden, wobei es über mehrere Zyklen hohe Leistung behält. Diese Ergebnisse bieten einen praktischen Weg für das Design recycelbarer Adsorber für pharmazeutische Kontaminanten.