文摘

成功合成了氧化锌/壳聚糖纳米复合材料原位沉淀的方法。FESEM材料以XRD, TEM,红外光谱,打赌,TGA。结果表明,氧化锌/壳聚糖纳米复合材料有球形的平均大小20 - 25 nm。打赌表面积和氧化锌/壳聚糖纳米复合材料的平均孔径2.2436 (m²分别/ g)和12.2纳米。材料作为吸附剂应用刚果红离开水的解决方案。刚果红吸附所描述的更好的朗缪尔模型( )比弗伦德里希模型( )。因此,可以推测,刚果红是在一个单层吸附理论最大吸附容量为227.3(毫克/克)。这是与其他可用的吸附剂。它可以表明,氧化锌/壳聚糖纳米复合材料可以作为有前途的吸附剂刚果红废水处理技术。

1。介绍

尽管,水资源对生物体的生存至关重要,它正面临着前所未有的挑战。水污染已成为全球最严重的问题之一。水体污染的主要来源之一,无疑是工业活动。每天,大量的工业废水排入水体,这不仅严重影响了健康的生活方式,还整个生态系统的质量。特别是,废水从纺织、制药、食品、化妆品、塑料、摄影,造纸行业等向环境排放大量的有机染料。据估计,世界上生产的染料在1990年代为1000000吨。几十年来,它已迅速增加,超过100000种商业染料。约,8 - 20%的染料进入水环境使用。数字都是有毒或致癌物质,对环境退化(1- - - - - -3]。这导致有效的基本需求和环保的方法来从水中移除这些有毒化学物质。

刚果红染料,benzidine-based阴离子bisazo染料[1-napthalenesulfonic酸、3、3 - 4、4-biphenylene bis(偶氮)bis (4-amino)二钠盐,研究人员感兴趣的主题是由于其高毒性对人类和环境的稳定。此外,进入人体后刚果红可以代谢为联苯胺,著名的致癌物和诱变剂在人类3,4]。

提出了几种方法,从而消除有机染料等水溶液吸附、化学凝固,生物降解,和先进的氧化过程5- - - - - -8]。与别人相比,吸附被认为是一个最受欢迎的方法的优点是简单和具有成本效益的9,10]。各种材料的研究对刚果红作为吸附剂,如碳基材料、硅复合材料,纤维素材料,壳聚糖相关材料(11- - - - - -14]。其中,壳聚糖是一个合适的人选为生产刚果红的理想吸附剂。壳聚糖是自然界中丰富的生物高聚物。应用作为重金属离子的吸附剂或着色剂源自其官能团如(nh)₂),(-哦)。然而,壳聚糖存在一些局限性,如吸附能力差,机械强度低、低水溶性,酸性条件下易分解(15]。出于这个原因,壳聚糖通常结合其他物质,如羟磷灰石,TiO₂、氧化锌、铁₃O₄为了克服这些缺点,形成复合材料15,16]。在这项研究中,其目的是合成氧化锌/壳聚糖纳米复合材料原位锌^{2 +}通过一个简单的和具有成本效益的降水方法,允许大规模准备材料。材料是彻底的特点,应用于去除刚果红在水的解决方案。

2。材料和方法

2.1。材料和方法

壳聚糖片分子量(Mw = 32 kDa和脱乙酰作用程度DD = 85%)准备和特征在我们实验室17]。所有其他化学物质包括锌(没有₃)₂.6H₂O, CH₃羧基,氢氧化钠均为分析纯,使用前未经纯化。

壳聚糖的解决方案是由完全溶解壳聚糖片的0.5 g 100毫升的CH₃羧基1%解决方案。氧化锌/壳聚糖纳米复合材料是由原位沉淀的方法。的重量比米_壳聚糖/米_氧化锌报道前出版物变化范围从0.084到1.0 (18- - - - - -20.]。在这项研究中,选择了重量比约为0.3。6.246克锌(没有₃)₂.6H₂壳聚糖的加入100毫升的解决方案。混合物在80°C搅拌30分钟。获得的pH值的解决方案是使用氢氧化钠溶液0.1调整到10米。混合物是另外搅拌2小时在80°C。离心收集的白色沉淀(Hettich Mikro 22 r离心机),用蒸馏水洗净,干一夜之间60°C(8小时)。合成了氧化锌纳米颗粒通过使用类似的过程。然而,锌(没有₃)₂.6H₂O在100毫升蒸馏水混合代替壳聚糖溶液。

2.2。表征方法

合成氧化锌/壳聚糖纳米复合材料的特征x射线衍射(XRD、力量D8先进的x射线衍射仪)和铜Kα辐射()和扫描速率为0.02 s⁻¹从20°- 70°。形态学分析了氧化锌/壳聚糖纳米复合材料的场致发射日立s - 4800扫描电子显微镜(FE-SEM)和透射电子显微镜(TEM)、JEOL jem - 1010。傅里叶变换红外光谱(ir)获得的那些时光iS10在Nicolet热科学光谱仪(美国)。热性能TGA研究了(DSC131 Labsys TG / DSC1600 TMA, Setaram,法国)。氮adsorption-desorption等温线的吸附剂(如壳聚糖,氧化锌纳米颗粒和氧化锌/壳聚糖纳米复合材料)记录到3020三星二氮吸附仪(美国微粒学仪器)在77 K。孔隙大小分布和比表面积(S打赌_打赌)的样本由Barrett-Joyner-Halenda (BJH)方法。

2.3。吸附实验

壳聚糖用于吸附实验准备如下:壳聚糖片完全溶解在CH₃羧基1%解决方案然后re-precipitated通过增加使用氢氧化钠溶液的pH值0.1米。混合搅拌了60分钟。收集的离心沉淀,用蒸馏水洗净,干一夜之间60°C(8小时)。

刚果红的股票的解决方案是由disolving 1 g刚果红在1000毫升蒸馏水。期望的刚果红溶液被稀释获得股票的解决方案(1000 mg / L)。刚果红浓度的解决方案经安捷伦8453在497 nm紫外线Vis-spectrophotometer吸附实验。

批实验是由混合吸附剂的0.02 g 40毫升的刚果红50 mL-centrifuge管解决方案。混合物是ultrasonicated 30°C (Elmasonic S100H超声波浴)然后离心机在6000 rpm。刚果红上层清液的浓度测定。

为了找到刚果红吸附平衡时间的氧化锌/壳聚糖纳米复合材料,100 mg / L的初始浓度刚果红是应用。浮在表面的定时间间隔采样,测定浓度刚果红直到微不足道的改变在刚果红集中观察,表明吸附过程的平衡。在实验中,上层清液的样本被返回到离心管每次测量(21]。

一系列解决方案与不同浓度刚果红变化从100年到550 mg / L来确定最大刚果红吸附容量的氧化锌/壳聚糖纳米复合材料。反应时间是平衡时间的刚果红吸附氧化锌/壳聚糖纳米复合材料发现在前面的实验。

刚果红三个吸附剂去除效率也将通过吸附实验与初始浓度刚果红100 mg / L。

刚果红的吸附量的单位重量的吸附剂,(毫克/升),从质量平衡方程计算:

和刚果红的去除百分比:

在哪里 , 和(毫克/升)初始浓度刚果红,刚果红浓度在时间t分别,刚果红色浓度达到平衡;V(左)是解决方案的体积;和米(g)是吸附剂的质量。

3所示。结果与讨论

3.1。氧化锌/壳聚糖纳米复合材料的表征

x射线衍射模式的氧化锌/壳聚糖纳米复合材料如图1。主要的山峰在散射角(2θ)31.8°,34.4°,36.2°,47.5°,56.6°,62.8°,66.3°,68.1°,和69.3°对应于晶格层(100),(002),(101),(102),(110),(103),(200),(112)和(201)。这些代表的纤锌矿型六角阶段氧化锌,证实氧化锌颗粒的形成。观察到的衍射反射与文献报道以及标准相配的JCPDS数据卡36 - 1451号(18,19,22,23]。其他衍射峰指任何杂质没有检测到,说明沉淀锌(哦)₂氧化锌是完全分解。

氧化锌/壳聚糖纳米复合材料的晶粒大小是衍射峰的扩大使用Debye-Scherer公式计算(5]:

在哪里是晶体的尺寸,k是常数(0.94),纳米表示x射线辐射的波长,β是衍射峰的半宽度(应用)的弧度,然后呢θ是布拉格的角。氧化锌/壳聚糖纳米复合材料的晶粒大小是评估通过测量应用的最强烈的峰值(101)因为它有一个相对强劲与其他衍射峰强度和不重叠。约,平均晶粒大小的22纳米氧化锌/壳聚糖纳米复合材料。

图2显示了FE-SEM (a)和TEM (b)的图像氧化锌/壳聚糖纳米复合材料。可以看到,球形粒子似乎截然不同,制服,和粒子的大小范围从20到25 nm。

图3显示了氧化锌纳米颗粒的红外光谱谱、壳聚糖和氧化锌/壳聚糖纳米复合材料。氧化锌纳米颗粒的红外光谱谱(图3(一)),峰值为3449厘米⁻¹对应于地的H伸缩振动₂O在氧化锌;峰值为1634厘米⁻¹可能是由于地弯曲振动;H-O-H弯曲振动或吸收有限公司₂乐队可能负责达到1382厘米⁻¹_;和乐队在528 - 435厘米⁻¹指Zn-O的拉伸模式(24- - - - - -26]。在壳聚糖的光谱(图3(b)),在3463厘米宽峰⁻¹是由于-哦/ nh吗₂伸缩振动;在2930年达到顶峰,2860厘米⁻¹出自碳氢键的伸缩振动;峰值为1651厘米⁻¹对应于氨基弯曲振动;峰值为1564厘米⁻¹可能是由于酰胺二世的变形;和高峰在1064 1023厘米⁻¹可能是指切断伸缩振动(27- - - - - -31日]。壳聚糖的光谱相比,一个新乐队从528年到412厘米⁻¹指Zn-O拉伸出现在氧化锌/壳聚糖纳米复合材料的光谱图3(c))。这表明存在的氧化锌纳米复合材料的结构。此外,峰值有关nh -哦₂伸缩振动在壳聚糖(3463厘米⁻¹)是广泛和转移到低波数(3446厘米⁻¹)纳米复合材料,表明分子间氢键相互作用强壳聚糖和氧化锌32]。

壳聚糖的热重(TG)曲线,氧化锌纳米颗粒和氧化锌/壳聚糖纳米复合材料(图记录4)。氧化锌纳米颗粒的TG曲线略有下降的温度从25提高到800°C。质量损失2.08%(图对应的损失吸收水4(一))。在壳聚糖的TG曲线,有三个阶段的质量损失(图4 (b))。第一阶段发生从50到120°C和达到最大降解速率为107.2°C和13.49%的质量损失,指的是脱水过程。第二阶段(从220年到350°C)与26.50%质量损失可能是由于主链的退化和分解挥发部分。最后一个阶段(从350年到800°C)有16.65%的质量损失可能与主链的分解残壳聚糖(33]。明显的三级质量损失也观察到的TG曲线氧化锌/壳聚糖纳米复合材料(图4 (c))。第一阶段的温度从50°C到150°C占热脱水。最后两个阶段与近似总质量损失16.21%(从220年到350°C)和8.67%(从350年到600°C)被假定是挥发性的热分解和残壳聚糖纳米复合材料,分别。的最大挥发性壳聚糖降解率从251.8°C壳聚糖转移到261.2°C的纳米复合材料,而残留在壳聚糖壳聚糖从440.8°C到459.5°C的纳米复合材料。之间的氢键形成壳聚糖和氧化锌复合可能对这种现象负责21]。

氮adsorption-desorption等温线的氧化锌纳米颗粒、壳聚糖和氧化锌/壳聚糖纳米复合材料显示在图中5。这三个材料IV型等温线(IUPAC分类)34]。此外,非常狭窄的滞回线在高(壳聚糖和纳米复合材料)和温和的相对压力(氧化锌纳米颗粒)表明在其结构中孔的存在(34- - - - - -36]。壳聚糖的等温线之间的相似性,氧化锌/壳聚糖纳米复合材料显示了相似的两种材料的多孔结构。选择氧化锌纳米粒子的表面积、壳聚糖和氧化锌/壳聚糖纳米复合材料是9.7852,1.7461,2.2436 (m²分别为/ g)(表1)。纳米复合材料的平均孔隙大小是12.2海里。

3.2。刚果红吸附氧化锌/壳聚糖纳米复合材料

氧化锌/壳聚糖纳米复合材料的吸附能力之间的关系和吸附时间如图6。前30分钟内的吸附能力大幅上升,120分钟后可忽视地变化。因此,选择其他吸附实验的反应时间是120分钟。

两种最常见的包括朗缪尔吸附等温线和弗伦德里希吸附等温线来描述吸附刚果红的氧化锌/壳聚糖纳米复合材料。朗缪尔模型假定单层吸附的吸附物没有被吸附物分子之间的相互作用,而弗伦德里希模型假定吸附物的多层吸附。

相应的数学表达式的朗谬尔和弗伦德里希吸附等温线是写成37,38]:

地点:(毫克/ g)是刚果红吸附平衡的数量,(毫克/ g)是理论最大的刚果红吸附量,(毫克/升)在平衡浓度刚果红,和(L /毫克),((毫克/克)。(L /毫克)^{1 / n}分别)的朗谬尔和弗伦德里希常数。

朗缪尔和弗伦德里希模型的线性情节刚果红吸附氧化锌/壳聚糖纳米复合材料呈现在图7。表2总结了朗缪尔和弗伦德里希模型参数的计算值。结果表明刚果红吸附是更好的朗缪尔模型所描述的重要系数的相关性0.996比弗伦德里希模型( )。因此,可以推测,刚果红是在一个单层吸附理论最大吸附容量为227.3(毫克/克)。的最大吸附容量合成氧化锌/壳聚糖纳米复合材料与前研究(表中与其他吸附剂3)。它可以得出结论,所得纳米复合材料具有较高的潜在应用刚果红去除。

比较中刚果红去除效率的氧化锌/壳聚糖纳米复合材料,氧化锌纳米颗粒,壳聚糖是很有趣的(图8)。众所周知,吸附能力很大程度上取决于总表面积和吸附剂结合位点的数量。尽管氧化锌纳米粒子的总表面积大约是5倍的壳聚糖和氧化锌/壳聚糖纳米复合材料,氧化锌纳米颗粒最低刚果红去除效率。超过90%的刚果红被氧化锌/壳聚糖纳米复合材料后2小时和78.1%的刚果红被壳聚糖消除,而只有39.2%的染料被氧化锌纳米颗粒移除。这表明,壳聚糖的纳米复合材料的存在主要是负责刚果红吸附能力的物质。在氧化锌/壳聚糖纳米复合材料,氧化锌可能发挥作用的刚性支承壳聚糖薄膜,其中包含nh -哦₂组。这些官能团可能扮演一个角色一样结合位点刚果红分子提出了数字出版物的21,47]。然而,进一步的研究应以解决吸附过程的确切机制。

4所示。结论

在目前的工作,生成的氧化锌/壳聚糖纳米复合材料成功直接简单,速度快,环保原位沉淀的方法。XRD结果表明,纳米复合材料纤锌矿结构。纳米复合材料的大小大约是20 - 25 nm。FESEM和TEM图像显示材料的球形形貌。壳聚糖多孔结构的相似性和氧化锌/壳聚糖纳米复合材料被观察到。打赌表面积氧化锌/壳聚糖纳米复合材料是2.2436 (m²/ g)和平均孔隙大小的纳米复合材料是12.2海里。应用的材料作为吸附剂,从而消除刚果红从水的解决方案。根据朗缪尔等温线模型,氧化锌/壳聚糖纳米复合材料的理论最大吸附容量是227.3(毫克/克)。从这个结果,它可以表明,氧化锌/壳聚糖纳米复合材料可以作为一种很有前途的吸附剂对刚果红废水处理技术。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究由韩国科学技术部通过国际环境研究所(IERI)光州科学和技术研究所的(要点)在2019年。