JAMC 分析方法在化学杂志》上 2090 - 8873 2090 - 8865 Hindawi 10.1155 / 2020/8840666 8840666 研究文章 平衡、动力学和热力学的研究亚甲蓝的吸附水溶液使用原始的澳洲坚果壳粉 https://orcid.org/0000 - 0002 - 2550 - 3988 Edokpayi 约书亚N。 1 Alayande 参孙O。 2 Adetoro 艾哈迈德 3 Odiyo 约翰O。 1 Milea 德牧 1 水文和水资源部门 大学的文达语 Thohoyandou 南非 univen.ac.za 2 自然科学部门 第一个技术大学 伊巴丹 尼日利亚 3 部门的化学科学 Yaba的兴奋剂技术学院 拉各斯 尼日利亚 yabatech.edu.ng 2020年 30. 5 2020年 2020年 12 4 2020年 8 5 2020年 13 5 2020年 30. 5 2020年 2020年 版权©2020 n . Edokpayi约书亚等人。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

在这项研究中,潜在的生粉澳洲坚果壳(MNS)封存的亚甲蓝溶液媒体评估。吸着剂的特点是使用扫描电镜表面形态、官能团分析和傅里叶变换红外光谱仪(ir)和Brunauer-Emmett-Teller(打赌)等温线是用于说明表面积。接触时间的影响,吸着剂剂量、粒子大小、pH值,解矩阵的变化进行了研究。平衡数据安装使用Temkin、朗缪尔和弗伦德里希吸附等温线模型。吸附动力学进行了研究使用Lagergren符合一级,pseudo-second-order Elovich, intraparticle扩散模型。热力学的研究建立的可行性研究。面积为2.763 m2/ g。吸附是最好的平衡和动力学所描述的朗缪尔pseudo-second-order模型,分别。吸附过程是自发( − Δ G 0 = 28.72 − 31.77 kJ / 摩尔 )和吸热( Δ H 0 = 17.45 kJ / 摩尔 )。积极的价值 Δ 年代 0 (0.15 kJ / 摩尔 K )意味着增加随机性的山梨酸酯分子表面的吸着剂。本研究提出了可持续管理废水利用MNS作为潜在的低成本吸附剂对染料溶液净化。

 大学的文达语 I595 1。介绍

淡水资源越来越受到污染的威胁,由于人为活动。尽管全球淡水分布是不均匀的,但它仍然是一个主要的资源为生计和经济增长。淡水质量面临的威胁主要由人类活动和生活方式造成的。未经处理和部分处理的废水的排放仍然是一个主要的地表水污染点源( 1]。淡水污染的影响包括损失的生计来源,过度的压力对水生生物,和对环境的负面影响 2, 3]。

一个顽固的表面水体污染物是染料。释放少量的染料废水有深远影响的审美价值收到分水岭。因此,综合大多数染料生产和不能生物降解( 4, 5]。除了持续的环境中,他们也有害,导致底栖生物,包括鱼类生理变化或死亡。他们阻止阳光穿透水体,从而影响植物光合作用在水生生态系统 6, 7]。他们的存在通常会导致降低溶解氧的水生生态系统。染料生产的增加是由于他们的应用程序在各种工业过程和产品,包括但不限于纺织、化妆品、制革、制药、纸浆和造纸行业。很多纺织产业和盟军不幸的是不会把这些废水监管标准发布前dye-rich废水进入接收水域( 3, 8]。染料在本质上是顽固的,很难消除由于他们的高溶解度和低生物降解能力。

尽管存在一些传统的方法去除凝结和浮选等,臭氧化、膜分离、商用活性炭,他们经常遭受挫折因为他们无法删除某些染料从水中流( 9- - - - - - 11]。安装成本,能源消耗和专业知识往往限制他们使用。有一个持续的寻找低成本、环保、可持续的材料染料污染控制。注意力已经转移到使用农业废料染料的去除环境媒体。使用了一些植物性材料展示出了有前景的结果;然而,这些材料的持续可用性限制了他们的使用潜力 5, 12, 13]。

南非是世界上第三大生产商的澳洲坚果。大多数的水果和油通常在国际市场上出售( 14]。澳洲广泛用于烘焙的点心和食品行业,冰淇淋,糖果。它也广泛应用于化妆品行业。一个澳洲的废料处理坚果壳。坚果壳被用作能源在南非当地砖产业。它也被用来增加一些建筑材料和肥料的来源。

一些作者已经报道了从夏威夷果壳活性炭的方法(MNS) [ 15- - - - - - 17]。也很少有报道调查使用活性炭从MNS hexachromium删除( 16),四环素去除( 18)除酚( 19),而活性染料( 20.]。然而,没有研究报道的使用原始的自然产物对亚甲蓝的净化。因此,本研究调查了水化学的变化影响亚甲蓝的吸附到原始MNS粉。因此,本研究旨在评估潜在的南非澳洲坚果壳的净化有害染料水溶液;力需要打破坚果壳也报道。

 2。材料和方法 2.1。被吸附物的制备

亚甲蓝(MB)购买来自美利坚合众国费舍尔科学。1000 mg / L原液制备标准方法。解决方案是由稀释法从工作准备股票的解决方案。0.1 M氢氧化钠和盐酸用于pH值调整。

 2.2。吸附剂制备

垃圾收集的澳洲坚果壳处理农场Vhembe地区,南非林波波省。坚硬的壳是分开的宝贵坚果非常丰富的精油。外壳是用去离子水和烤箱干(Eco千卡,Labotec)在105°C(图24小时 1)。干壳粉微粒用磨粉机(Retsch RS 200)。机械筛子(King-Test VB 200/300)被用来获得各种吸附剂的分数。

吸附剂制备阶段。

 2.3。仪表

MB水溶液进行了分析使用紫外分光光度计(猎户座Aquamate 7000, Thermoscientific)预定波长664 nm。螺母的机械性能是决定使用电脑Ingstrom机器。傅里叶变换红外(ir)光谱的吸着剂得到使用珀金埃尔默100傅立叶变换红外分光光度计(美国沃尔瑟姆,MA)与配件。的光谱进行扫描的波数范围4500到400厘米−1。表面积和孔隙宽度是由N2气体Brunauer-Emmett-Teller分析法使用微粒学化学吸收作用尽快2020分析仪(美国佐治亚州诺)。温控水浴颤抖(EcoBath Labotec)被用来煽动的解决方案在特定的时间和温度。一个猎户酸度计(热猎户座VersaStar)被用来测量溶液的pH值。吸附剂的表面形态使用扫描电子显微镜(SEM)进行了分析。安装在立柱上,样本被碳涂层和辐照的电子束在20 Kv,以及由此产生的显微照片被记录。

 2.4。批量吸附研究

几个吸附实验司机进行调查以确定他们的吸附过程的影响。

吸附时间的影响,进行了不同吸附时间之间的5和270分钟使用三种不同剂量(1.25,2.5,和3.75 g / L)的MNS初始MB 30毫克/升的浓度。样本放在一个摇晃水浴设定在303 K和250 rpm。样本退出晃动的水沐浴在预先确定的时间间隔,离心机在250 rpm和分析残余MB浓度在664海里。

同样,吸附剂用量的影响进行使用0.25 - -3.75 g / L的MNS两个初始浓度MB(30和70 mg / L)。解决方案是平衡3小时250 rpm。实验是在303年,313和323 K。所有的样品然后离心机使用紫外可见分光光度计,随后分析了。一个控制样本没有吸附剂也跑了质量控制。

MB的百分比计算使用的关系在方程( 1),MB的数量,这些计算使用方程( 2): (1) 删除 % = C e − C 0 C o × One hundred. , (2) 问 e = V C O − C e 米 , 问在哪里e被吸附物吸附的数量在平衡(毫克/ g), Co和 Ce最初,mg / L的平衡浓度,分别V是升的体积在实验中使用的解决方案,然后呢 米在克吸附剂的质量。

溶液pH值的影响,阐明了不同染料溶液的pH值(30毫克/升)2 - 11使用三种不同剂量(0.25,0.5,和1.25 g / L)。另一实验过程是相同的如上所述剂量的影响。10 - 124之间的吸着剂颗粒大小不一 µ米(称为< 125 µ米),125 - 250 µ米(称为> 125 µ米),调查他们的吸附过程的影响。吸附后的最终MB浓度进行了分析。

水化学变化的影响调查准备MB用水解决方案收集从Vhembe Mutale河地区,南非。河水的水化学分析的基本物理化学参数使用标准的方法。获得的结果与去离子水。

 2.5。等温线的吸附过程

从批处理吸附研究获得的数据被安装到三个平衡等温线。朗缪尔,弗伦德里希,Temkin吸附等温线。

朗缪尔等温线通常估计的最大吸附容量相应完成单层覆盖在吸附剂表面。线性化方程表示如下( 21]: (3) 1 问 e = 1 问 马克斯 + 1 b 问 马克斯 1 C e , 在哪里 CeMB的平衡浓度(毫克/升),问吗eMB的染料吸附量在平衡(毫克/ g),问吗马克斯最大数量的MB,这些(毫克/克),然后呢 b是吸附常数(L /毫克)。的一块 1 / C e 与 1 / 问 e 将直线,问马克斯和 b可以获得的截距和斜率情节,分别。

一个异构模型假定吸附表面与不平等的可用网站不同的吸附能量。其线性化方程给出如下( 22]: (4) 日志 问 e = 日志 K f + 1 n f logc e 。

的情节日志问e与日志 Ce提供了拦截 Kf斜率为1 / nf,问e被吸附物吸附的数量在平衡(毫克/ g), Ce是被吸附物的平衡浓度(毫克/升), Kf弗伦德里希常数, nf弗伦德里希指数。

Temkin等温线模型假定所有的分子的吸附热在吸附剂表面与覆盖层将线性减少由于adsorbate-adsorbate交互,今年秋天,吸附热的不像隐含在弗伦德里希对数方程( 23]。的线性化形式Temkin等温线是表示为 (5) 问 e = BlnK T + 左右 C e , 问在哪里e被吸附物吸附的数量在平衡(毫克/ g), B常数相关热容(L /毫克), R是通用气体常数(8.314 J /摩尔·K), T是绝对温度(K), KT是平衡结合常数(L /毫克),然后呢 Ce是被吸附物的平衡浓度(毫克/升)。

一块问e对日志 Ce是线性的,常数B (L / g) KT将确定的斜率和截距情节,分别。

 2.6。吸附过程的热力学研究

为了确定吸附过程的热力学可行性标准吉布斯自由能变化 Δ G 0 )、标准熵变( Δ 年代 0 ),标准焓的变化 Δ H 0 计算。 Δ G 0 决心从以下关系: (6) Δ G 0 = − RT在K 0 , 在哪里 K 0 平衡常数(L /摩尔)决定从朗缪尔常数 b。 Δ 年代 0 和 Δ H 0 估计使用范托夫方程[ 24]: (7) 墨水 0 = Δ 年代 0 R − Δ H 0 RT , 在绝对温度(K)和T R气体常数(8.314 J·摩尔−1·K−1)。的情节 墨水 0 1 / T的函数的斜率应该给一个线性关系 Δ H 0 / R和拦截 Δ 年代 0 / R。

 2.7。吸附过程的动力学研究

吸附动力学描述了MNS MB吸收的速度,这个速度控制平衡时间。符合一级、pseudo-second-order Elovich和intraparticle扩散模型被用于这项研究。这些模型的线性化形式给出了方程( 8)- ( 11)[ 25- - - - - - 28]。

符合一级动力学模型方程是由特Lagergren (8) 日志 问 e − 问 t = 日志问 e − k 1 2.303 t。

是由Pseudo-second-order动力学方程 (9) t 问 t = 1 k 2 问 e 2 + t 问 e 。

Elovich模型给出的 (10) 问 t = 1 β 在 α β + 1 β 在 t 。

韦伯莫里斯intraparticle模型 (11) 问 = Kp 。 t 1 / 2 , 问在哪里eMB,这些量平衡,qt MB的数量,这些在时间吗 t在几分钟内,K1是符合一级速率常数K2pseudo-second-order速率常数, 一个是初始吸附率(毫克/ gmin), β解吸常数(g /毫克),和Kp(毫克g−1最小值−1/2)是intraparticle扩散速率常数。

 3所示。结果与讨论

红外光谱峰记录呈现在图 2。羟基、胺和羰基化合物是主要的吸着剂(表 1)。图 3显示了扫描电子显微镜照相术的吸附剂;观察表面粒子聚集一些微小的孔隙吸附染料分子的能力。

MNS的傅立叶变换红外光谱。

傅立叶变换红外光谱带作业的吸附剂。

红外光谱峰 乐队(cm−1) 带作业
1 3623年 地伸展的醇
2 3412年 地伸展的醇
3 3218年 地伸展的醇
4 2911年 碳氢键拉伸的烷烃
5 2673年 碳氢键拉伸的醛
6 2488年 仲胺- h伸展
7 2128年 C ≡ C拉伸炔烃
8 1729年 C = O醛的拉伸
9 1389年 碳氢键弯曲的醛

扫描电子显微镜照相术的澳洲坚果壳。

Brunauer-Emmett-Teller(打赌)面积的2.763米2/ g(表 2奇遇记》)立志的吸着剂材料。这是高于表面区域报告 Dicerocaryum eriocarpum叶子(1.852/ g),活性炭由澳洲坚果壳(1.083米2/ g),活性炭从玉米穗(2.52 m2/ g) ( 19, 29日, 30.),尽管其他吸附剂材料具有较高表面积已报告在文献[ 18, 20.]。面积值将支持强大的亲和力山梨酸酯和吸附剂之间。吸附剂是一种多孔的材料基于平均孔隙直径(表 2)。由于这种孔隙尺寸,需要低能量吸附山梨酸酯的吸着剂( 31日, 32]。负载在打破打破80.4 N,而压应力为0.15 MPa(图 4)。基于螺母在直径的压缩的应力-应变分析,材料脆性的方式表现。

Brunauer-Emmett-Teller澳洲坚果壳粉的特征。

物理参数 结果
打赌表面积(m2/ g) 2.763
微孔表面积(m2/ g) 2.938
总孔隙体积(厘米3/ g) 0.0108
微孔体积(cm3/ g) 0.0105
平均孔隙直径(nm) 15.625

澳洲坚果的力学性能。

 3.1。批平衡 3.1.1。影响的时间

吸附时间通常在吸收中起着重要作用的吸着剂山梨酸酯。在这项研究中,最初MB吸收的增加随着时间的推移,可以与可用的外部表面吸附剂。在60分钟的吸附时间,删除记录初始MB浓度> 65%吸着剂剂量的1.25 g / L(图 5)。增加直到达到平衡在150分钟吸收(> 95%)。在这一点上,没有明显的MB被记录。这是由于吸附剂表面的饱和。类似的结果被记录在其他植物吸着剂MB封存( 33, 34]。

MNS吸附时间对MB吸收的影响。

 3.1.2。溶液pH值的影响

溶液的pH值在吸附反应中起着重要作用,因为它通常决定了电离作用的官能团存在吸附剂。在这项研究中,高吸附被记录从酸性溶液的pH值变化更多的碱性。最高吸附的pH值是11(图 6)。我们之前的研究使用硬果漆树果种子外壳吸收MB显示高吸收的pH值6;然而,这与本研究的结果略有不同( 6]。同样,辛格et al。 4)还表明,碱性pH青睐MB上的吸附 银杏叶叶子,但98% MB切除4 pH值的记录的pH值可忽视地增加了11。

溶液的pH值对MB到MNS的吸附。

 3.1.3。吸附剂用量的影响

一般MB增加吸收记录随着吸附剂用量的增加从0.5到4.0 g / L(图 7)。这是由于增加相应的吸附网站出现在吸附剂。类似的趋势已报告在文献[ 17, 29日, 35]。

吸附剂用量对MB吸附到MNS的影响。

 3.1.4。颗粒大小的影响

粒径越小(< 125微米)的吸附剂吸附比的大尺寸高记录> 125嗯(图 8)。这已经被一些学者支持,吸着剂的粒径越小,表面积越大。在更高的吸着剂剂量、粒径的影响变得可以忽略不计( 6]。

颗粒大小对MB的影响吸附到MNS。

 3.1.5。水化学的变化的影响

Mutale河的水质理化参数用于这项研究记录的pH值6.9,导电率为24.0 ( μS /厘米),14个南大的浊度。主要阳离子的水平(4.66 mg / L),钠钾(0.35 mg / L), (2.15 mg / L),钙和镁(1.0 mg / L),而硫酸离子水平(3.35 mg / L)和氯(36.99 mg / L),分别。吸附是喜欢在自然水比在去离子水(图 9)。这表明吸附剂可用于实际废水或污水。

水化学的变化影响MB MNS吸附。

 3.1.6。均衡模型

平衡数据拟合方程描述的三种模式已经 3)- ( 5)。线性化系数( R2)是用来确定最佳描述吸附过程的等温线。得到了线性情节如前所述 R2决心从情节(数据吗 10- - - - - - 12)。最大吸附能力以及等温线常数的山坡和拦截来自各自的阴谋(表 3)。在这项研究中,描述的朗缪尔均衡模型最佳的吸附过程 R2在303 K系数0.93。的 R2其他因素模型范围从0.73到0.88。

朗缪尔吸附的情节MB到MNS。

弗伦德里希MB到MNS的吸附。

MB的吸附到MNS Temkin阴谋。

均衡模型绘制的吸附常数MB到MNS。

均衡模型 温度
303 K 313 K 323 K
朗缪尔
问马克斯(“万人迷”女友−1) 25.77 26.81 27.86
B (l毫克−1) 0.28 0.33 0.43
R2 0.93 0.91 0.84
Rl 0.05 0.04 0.03
弗伦德里希
Kf(毫克g−1)(毫克−1)1 / n) 1.14 1.11 1.10
1 / n 0.197 0.192 0.176
R2 0.85 0.86 0.82
Temkin
KT(摩尔克−1) 94.34 21.83 7.70
bT(摩尔kJ−1) 2.79 3.75 21.83
R2 0.73 0.87 0.88
3.1.7。吸附过程的热力学

这是估计使用关系方程( 6)和( 7),和消极的值 Δ G 是热力学计算表明吸附是自发的,可行的(表吗 4)。ΔS的值和ΔH从范霍夫获得(图 13)。焓的变化是积极的,这表明一个吸热吸附过程,而熵变也是积极的,这意味着增加随机性的山梨酸酯分子表面的吸着剂。类似的结果已经被一些学者报道MB吸附到植物性材料。

MB到MNS的吸附热力学参数。

吸附剂 Δ H kJ ⋅ 摩尔 − 1 Δ 年代 kJ ⋅ 摩尔 − 1 ⋅ K − 1 Δ G kJ ⋅ 摩尔 − 1
303 K−1 313 K−1 323 K−1
MNS粉 17.45 0.15 −28.72 −30.10 −31.77

范霍夫的MB到MNS的吸附。

 3.1.8中。动力学模型

使用四个模型吸附的动力学进行了研究。模型的线性化形式绘制,这项研究的结果发表在数字 14- - - - - - 17。大多数的模型描述的吸附可以使用,因为它们的线性回归直线大于0.7;pseudo-second-order动力学模型最佳吸附的动力学描述。pseudo-second-order阴谋的结果表明,吸附过程的吸附作用是形成山梨酸酯和吸附剂之间的债券。这是进一步支持均衡模型为朗缪尔模型假定一个化学吸收作用的过程,而不是一个物理吸附过程。获得的动力学常数的情节展示在表 5。

符合一级MB到MNS的吸附。

MB的吸附到MNS Pseudo-second-order阴谋。

MB的吸附到MNS Elovich阴谋。

Intraparticle MB到MNS的吸附扩散阴谋。

动力学模型常数。

动力学模型 浓度
1.25 g / L 2.5 g / L
伪一阶
问e(毫克/克) 5.27 2.06
K1(最低−1) 0.0127 7.13×10−3
R2 0.872 0.714
伪二阶
问e(毫克/克) 17.92 11.34
K2(g / mg min) 8.66×10−3 0.03
R2 0.999 0.999
Elovich
α (毫克/克敏) 7.64×102 9.23×105
β 0.66 1.65
R2 0.964 0.905
Intraparticle扩散
kp(毫克/克分钟1/2) 0.352 0.129
C 12.46 9.28
R2 0.89 0.81

由韦伯和莫里斯intraparticle模型更多的是一种mechanistic-based模型用于确定速率决定步骤的机理。如果qt的线性情节和t0.5经过原点,这意味着intraparticle扩散是唯一的速率决定步骤,如果没有获得在这项研究中,它表明吸附的机制是多重线性速率决定步骤是由膜扩散和intraparticle扩散( 29日]。

 数据可用性

多数在这项研究中使用的数据都包含在这篇文章。可以根据要求提供其他数据从相应的作者。

 的利益冲突

作者声明没有利益冲突有关的出版。

 确认

这项工作是由大学的研究和出版委员会文达语(批准号I595)。

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