文摘
活性炭生产的效率从葡萄废弃物作为一个低成本、无毒,可用吸附剂去除活性红2从水溶液进行调查。准备的活性炭已经以红外光谱、SEM和选择。表征的结果显示成功的葡萄废弃物转化为介孔AC与理想的表面积由不同的官能团。统计建模的结果显示高价值0.97%的染料去除显示发达模型具有可接受的精度。独立变量的影响表明,吸附在pH值(96.83%)获得最高3、吸附剂用量为12.25 g / L,最初的染料浓度100 mg / L时,吸附时间为90分钟。等温线模型的结果显示,数据很适合朗缪尔(II型)。使用pseudofirst-order动力学研究和pseudosecond-order模型指出,pseudosecond-order的类型(I)动力学模型提供了最适合的吸附数据。热力学参数包括吉布斯能量( )和计算。的值表明RR2的染料吸附是自发的。农业废弃物因特殊点等低成本、可用性和高生产能力和高效吸附剂去除染料可以提出了水和废水处理。
1。介绍
近年来,利用合成染料行业急剧增加由于合成的低成本,高效的合成工艺,高稳定性和耐温度、光和洗涤剂,和其他因素相比,天然染料(1,2]。合成染料广泛应用于不同行业如纸、纺织、食品、塑料、皮革、和化妆品3,4]。环境中有机染料的存在,即使在低浓度,会威胁人类健康,导致疾病,如胃炎、亨氏的身体形成、皮肤过敏、组织坏死,和癌症(5]。染料可分为不同类型,即活性、酸性、直接、阳离子分散,增值税,根据他们的特点和应用6]。活性染料由于其稳定性、高溶解性、高染料品种和低成本是最常见的一种使用合成染料广泛用于染料棉花和其他纤维素纤维、尼龙、和羊毛7,8]。
活性红2 (RR2)是活性偶氮染料,是很难被分解在自然环境由于其很强的共价键9]。从上述行业有色废水的直接排放到环境中会导致严重的环境问题(10]。因此,各种方法,如生物、化学和物理方法或这些方法的组合含染料废水用于治疗,从而降低染料的环境危害11]。研究人员已经使用各种方法,如凝血(12),臭氧化(13],芬顿过程[14],生物降解[15],光降解[16),和吸附17有效地除去水和染料废水。之前的研究工作的结果清楚地表明,染料不能有效地降解化学和生物过程(18]。
如今,由于其效率高、吸附选择性在分子水平高,能耗低,操作简便,能够独立不同的化合物被广泛用于去除染料(19]。吸附是一个物理化学方法的可溶性分子(如染料分子)附加到一个吸附剂表面根据其物理和化学性质。根据吸附剂的性质和染料的类型,不同的相互作用可能发生在吸附剂和染料,如静电作用或范德华力(20.]。因此,吸附是一种有效、经济效率和方法具有高潜力将染料从水生环境。在大量的吸附剂,活性炭(AC)广泛应用于高表面积、微孔结构和高吸附容量(21,22]。
商业交流是昂贵的,因此,许多研究已经进行生产AC从低成本的原材料。农业废物生产交流的一个很好的选择,这是更便宜和环保。在过去的几十年中,不同的农业废物被用作低成本吸附剂,如花生(23],杏子石头浪费[24),葡萄茎(25),橄榄杏仁(26和樱桃27]。农业废弃物是由半纤维素、纤维素和其他官能团合适的替代商业活性炭。农业废弃物是廉价和丰富,有时甚至会导致许多环境问题28]。因此,将农业废弃物转化为有价值的材料,如交流是有价值的在经济和环境保护的观点29日]。为此,葡萄废弃物被用来制备活性炭。葡萄是世界上最常见的一种水果产品。2017年大约750万名世界各地的土地在葡萄藤下培养(30.]。因此,修剪树枝藤蔓生产高质量的葡萄生产大量的农业废物。利用葡萄木吸附剂是一种有效的管理策略来控制农业废物。
本研究旨在调查活性红2 (RR2)删除使用准备活性炭从葡萄的废木料从水溶液低成本吸附剂。接触时间的影响,最初的染料浓度、吸附剂用量、溶液的pH值在RR2吸附率建模和优化使用中央合成设计(CCD)通过响应面方法(RSM)。吸附的机理被描述通过等温线和动力学研究。
2。材料和方法
2.1。化学药品和试剂
所有的化学物质,如RR2 (C19H10Cl2N6Na2O7年代2)、硫酸和氢氧化钠用于本研究试剂级。RR2的由默克公司提供的纯度为98%,德国。吸附剂的化学活化进行了用98%的硫酸。使用氢氧化钠溶液的pH值调整(1摩尔L1)和盐酸(1摩尔L1),从默克公司购买。RR2染料的化学结构是如图1(31日]。
2.2。活性炭的制备
葡萄从科曼莎获得木材废料是西部地区农村的伊朗。原料粉碎机械,转移到实验室。为了消除碎片和灰尘等杂质,葡萄木材废料的清理,并使用蒸馏水和干3 h的100°C。激活剂硫酸(纯度为98%)是用于化学制备活性炭在8 h的重量比1:10为硫酸葡萄木材废料。然后,它是干24小时在100°C。下一阶段的热激活由烤箱在750°C 1小时。冷却后,交流是通过筛筛孔尺寸50。粉已经中和氢氧化钠和盐酸。最后,葡萄木质活性炭在100°C (GWAC)干3 h。
2.3。表征活性炭
研究GWAC的物理和化学特性,傅里叶变换红外(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM), Brunauer-Emmett-Teller(打赌)使用。吸附剂的表面形态与扫描电镜观察(Jeol房子840,日本)。打赌已被用于分析GWAC的比表面积。红外光谱被用来确定吸附剂的官能团。
2.4。实验设计和实验建模
在这项研究中,设计专家软件(版本11)应用的实验设计和数据分析通过RSM使用CCD技术。响应面分析是一种统计方法,它使用的定量数据实验检查几个参数影响的交互过程,同时研究各种因素通过不同的反应(32,33]。四个独立变量的影响,如接触时间(A),初始pH值(B),吸附剂用量(C)和初始染料浓度(D),研究了通过CCD (3-level-4-factor)。输入因素对反应的影响进行方差分析(方差分析)通过统计评估价值和回归系数的值( )。此外,报告的有效性模型的决定系数( ),调整确定系数(轮廓分明的,足够的准确性(美联社)。最后,三维响应级别图开发显示独立因素之间的相互关系及其相关对响应的影响。对于每个参数,给出了表的范围和水平1。软件的建议,实验进行了78分(有三个重复)。每次运行的平均值,除了6中央运行,提出了表2。二次方程模型(Eq。1),包括所有交互项,用于计算预测的反应。
二次模型基于情商。1)是应用于评估统计模型的系数,的反应,βo是常系数,βi是线性系数,βij相互作用系数,βii二次项系数,和研究变量的编码值,是统计误差项。
2.5。批平衡研究
这在实验室规模进行实证研究通过使用活性炭准备从葡萄从水溶液中删除RR2的木材废料。在第一阶段,一系列的批量试验进行调查RR2染料的去除合成废水。吸附过程进行了在不同的独立变量的值;接触时间90分钟(10),pH值(3-11),初始浓度的染料(100 - 500 mg / L),和吸附剂量(0.25到12.25 g / L)用一系列派热克斯玻璃总量的250毫升和100毫升的工作容积。环境温度和搅拌速度是常数在过程 和100 rpm。开展实验,染料溶液的初始pH值调整使用氢氧化钠或盐酸。染料的残余浓度是由在紫外可见分光光度计测量其吸光度(Jenway 6305年,德国模型)的最大波长665 nm离心机(示风扇、伊朗)的样品后在3800 rpm 7分钟。吸附染料和RR2去除效率(%)计算按照方程(方程式。(2)和(3))(34]。重复的分析被认为是一个错误高于5%时观察到样品在测试期间。
在哪里和最初的和最后的染料浓度(毫克/升),分别吸附剂的吸附物的数量/质量(毫克/克),解决方案(L)的体积,是吸附剂的质量(g) (35]。
3所示。结果和讨论
3.1。吸附剂的特点
SEM图像(图2)表明GWAC的表面孔隙度。根据图2GWAC表面,蜂窝孔的存在表明,吸附剂去除染料水溶液的吸附能力的过程。以前的研究报道,高孔隙度增加了表面积,有效提高吸附效率(36]。基于选择分析,adsorbent-specific表面积是119.0842/ g。
傅立叶变换红外光谱是非常重要的决定官能团的特征以及他们的吸附剂的变化。RR2后的吸附剂吸附的红外光谱图所示3。根据不同的研究中,图的峰值代表1000至1200厘米1切断相关官能团。乐队在3200到3600厘米1对应地拉伸羟基官能团的振动。高峰在1700到1800厘米1有关C = O的羧基组。峰值约为960厘米1可能是由于碳碳的振动或碳氢键组(37]。
3.2。统计分析和建模
方差分析的结果(方差分析)总结表3。根据吸附剂用量,结果染料初始浓度和接触时间吸附效率有积极影响。积极的变量表示变量的影响,而负值表示因素和他们的反应之间的反比关系。和染料的去除是0.9797和0.9751,分别证实,有一个很好的预测数据与实验数据之间的匹配。该模型价值216.67表明,除RR2的模型是很有意义的。的值 小于0.05条款意味着模型意义重大,而值大于0.05表明,模型条款并不重要。缺乏适应值0.4925并不重要,证实模型是足够的。足够的精度测量的信号噪声比这个参数的值大于4通常是必要的(38,39]。在这项工作中,获得足够的精度是42 RR2的退化,证实了一个适当的信号;因此,在这项工作获得模型可以用来导航的设计空间(Eq。4))。
3.3。的影响变量和比较
3 d表面反应和等高线图的二次模型已经开发的设计专家软件版本8,并用于研究自变量和响应之间的互动关系。
3.3.1。初始pH值和接触时间的影响
pH值有很大影响吸附剂的吸附容量。pH值可以在吸附剂表面的电荷的影响,各种官能团离解吸附剂的活性区域,以及吸附分子的离子形式。因此,它可以染料吸附过程中发挥重要作用[40]。图4显示了接触时间的交互作用和初始pH值基于吸附过程中的反应。为了研究pH值对染料去除效率的影响,不同初始值的pH值(3、5、7、9和11)检查。如图4,染料去除效率增加了增加3 - 7的pH值,但它通过增加7到11岁的pH值下降。很明显,这两个变量(pH值和时间)有强烈影响RR2删除(41]。RR2的吸附是在低pH值高 (6.7)在这种情况下,吸附剂表面正电荷。Nirmaladevi的研究(2020)证实了这项研究的结果(42]。结果bySenthilkumaar et al .(2006)的研究表明,活性红染料的去除是更大的在低pH值(43]。在酸性条件下,结合位点的吸附剂将密切相关的氢离子作为吸附剂表面和染料分子之间的桥接配体(44]。比较研究和其他研究的结果提出了表4。可以看到,除RR2的数量在酸性pH值报告已经超过其他值。此外,这一研究获得的染料去除已报告在一个可接受的水平相比其他吸附剂。因此,葡萄木材废料制成的活性炭是一种有效的吸附剂除RR2染料的水溶液。
(一)
(b)
吸附研究的最重要的设计参数之一是染料和吸附剂之间的接触时间(45]。结果表明,随着接触时间从10到90分钟,去除染料的比例增加。最初,吸附过程迅速减少,逐渐随着时间的推移,由于活性炭表面孔隙的存在。这意味着,有更多的网站对于吸附,随着时间的推移和吸附剂的职业网站,碳吸附能力达到一个恒定的数量和所谓的平衡吸附染料的量和解吸的数量。因此,吸附量也减少了(46]。Bazrafshan et al。(2013)进行了一项研究的清除活性红120使用碳孜然草制成的废物。这项研究的结果表明,增加了接触时间对染料具有积极影响删除过程(47]。
3.3.2。吸附剂用量和染料浓度的影响
吸附剂浓度是一个重要因素,因为它决定了吸附剂的能力对于一个给定的初始RR2的浓度。为了确定吸附剂用量对吸附过程的影响,0.25到12.25 g / L吸附剂(活性炭从葡萄获得木材废料)是用于吸附实验。图5显示了染料浓度和吸附剂用量的交互作用的响应过程。如图5,随着吸附剂用量的增加在高剂量达到平衡,RR2的去除效率增加。获得的吸附率最高的12.25 g / L的活性炭是96.83%。这是由于这样的事实:随着吸附剂用量的增加,用于吸附表面积增加,从而产生更积极的网站吸附(48,49]。的比较当前研究的结果与先前的研究显示相同的不同变量的影响(表工作4)。结果Al-Sharify et al .(2013)研究表明,随着活性炭的数量准备从榛子壳(吸附剂),除RR2的数量也增加50]。这项研究的结果符合的一项研究Divriklioglu和Akar51]。
(一)
(b)
染料初始浓度的解决方案有重大影响的有效吸附剂表面与吸附分子之间的碰撞(52]。染料初始浓度的影响被评估的范围100 - 500 mg / L。染料初始浓度的影响在染料去除效率表明,整体染料去除效率随染料浓度增加而降低。例如,增加从100年到500 mg / L减少染料脱色在90分钟从94%降至61.6%。随着染料浓度的增加,染料的吸附剂空置网站减少吸附(53]。
3.4。吸附等温线
吸附等温式吸附研究中数据是非常重要的为了优化吸附系统的设计。不同等温线方程如朗缪尔和弗伦德里希等温线是用来调查RR2染料吸附平衡GWAC (56]。
基于朗缪尔等温线的吸附发生由单层涂层均匀有限数量的网站(57]。此外,一旦染料分子占据了一个网站,没有进一步吸附可以发生在那个网站。朗缪尔等温线线性类型可以在四个不同的绘制。方程(5)- (8)展示四种类型的线性形式的朗缪尔等温线模型(58]:
在哪里(毫克/升)的平衡浓度RR2染料溶液中,(毫克/克)是在平衡吸附容量,(毫克/ g)是最大吸附容量,和(L / mg)是有效的离解常数与亲和力结合位点。的值和得到的截距和斜率的线性情节 对(59]。
朗缪尔方程的参数之一,它决定了吸附过程的类型,是RL分离系数参数。当 显示了一个不受欢迎的吸附类型, 是一个线性吸附类型, 最佳吸附,然后呢 是一个不可逆吸附(60]。根据吸附等温线的研究,RL RR2的吸附量计算 ,这表明RR2是吸附在这项工作(Eq。9))。
弗伦德里希等温线描述异构与不同的表面能吸附网站。在这个模型中,染料吸附量变化的指数分布站点和吸附的能量。弗伦德里希等温线线性形式的情商所示。10)[61年,62年]:
在哪里和弗伦德里希吸附等温式常数,分别标明吸附强度和吸附容量。弗伦德里希等温线常数和 可以报告基于lnq的情节e与信号e已经呈现在图6。如果该值的 ,等温线的吸附强度和类型是必需的,和吸附容量随吸附新站点的外观。尽管如此,如果 ,吸附键削弱,其吸附是非常具有挑战性的,降低了吸附容量(63年]。
在目前的工作中,平衡吸附数据使用朗缪尔和弗伦德里希吸附模型进行了分析。从数据中获得的参数7和6总结在表5。
(一)
(b)
(c)
(d)
的比较值在表5表明,获得的实验数据更符合朗缪尔等温线( )。朗缪尔等温线的有效性在RR2染料吸附表明吸附发生在GWAC吸附剂表面的单层。因此,它需要所有物种平等的吸附活化能。
3.5。动力学研究
动力学的重要特征之一是定义吸附剂的效率。吸附动力学描述了溶质的吸附率,进而取决于保留时间或吸附反应。动力学参数可以通过分析计算在不同时间获得的实验数据。因此,在这种方式,一些信息需要设计和模型的吸附过程,可以获得64年]。
3.5.1。Pseudofirst-Order模型
pseudofirst-order线性形式的方程可以使用下列方程(Eq。11)):
在哪里在平衡的染料吸附量(毫克/克),在任何时候的染料吸附量(毫克/克),是一阶速率常数(最小值1)。
3.5.2。Pseudosecond-Order模型
pseudosecond-order模型方程,提出了在1995年。这个方程表明开门的吸附率与平衡值(65年]。四种pseudosecond-order模型被定义为(方程式。(12)- (15))(66年]:
在哪里是pseudosecond-order速率常数(g.mg1.min1),是染料吸附在吸附剂上的数量平衡(毫克/ g),然后呢吸附剂上的染料吸附量在任何时间吗(毫克/克)67年]。
基于数据8和9在不同的时间,实验结果表明,该数据遵循pseudosecond-order动力学模型。pseudofirst-order和pseudosecond-order模型的动力学参数表进行了总结6。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.6。吸附热力学
理解属性和吸附机制,标准焓等热力学参数变化)(吉布斯自由能变化)(、和标准熵变化)(测量使用下列方程(方程式。(16)- (19))(11,68年,69年]。
在哪里理想气体常数(8.314摩尔−1K−1),平衡常数,是温度(K)。和可以得到的斜率和截距ln的线性情节吗K0与1 / ,分别。结果显示(表7)的值在所有浓度测试 是负的。因此,可以得出结论,RR2的吸附热力学GWAC是自发的,可取的。另一方面,标准-吉布斯能量越多,越高吸附驱动力,因此吸附容量越高(56]。
4所示。结论
在这项研究中,RR2染料的去除水溶液用葡萄的木质活性炭进行了研究。参数研究,优化、热力学、吸附等温线和动力学研究,得到了以下结论:(我)使用软件设计专家,100 mg / L的最佳参数条件初始RR2浓度,90分钟的接触时间,12.25 g / L吸附剂剂量,pH值3决心收益率最高RR2切除96.83%(2)删除RR2比例增加而增加吸附剂剂量和接触时间(3)RR2的百分比(%)删除增加而降低pH值和初始染料浓度(iv)描述的朗缪尔等温线类型(2)最好的平衡数据 ,这表明单层吸附模型发生RR2染料和GWAC之间(v)pseudosecond-order动力学模型式(I)的最佳描述GWAC吸附的动力学系统由于其高 (vi)确切、葡萄的木质活性炭是一种有效、低成本吸附剂RR2的去除染料溶液,溶液的pH值等工艺参数,初始染料浓度、接触时间、吸附剂剂量明显影响去除RR2的百分比
缩写
| : | 常数相关的亲和力结合位点(L /毫克) |
| : | 液相的染料初始浓度(毫克/升) |
| : | 在平衡液相浓度的染料(毫克/升) |
| : | 液相浓度的染料在任何时候(毫克/升) |
| : | 朗缪尔常数(L /毫克) |
| : | 弗伦德里希常数(毫克/克) |
| : | Pseudofirst-order速率常数 |
| : | Pseudosecond-order速率常数 |
| : | 弗伦德里希方程的无量纲指数 |
| : | 生物吸附时间(毫克/克) |
| : | 吸附染料的每单位质量的吸附剂(毫克/克) |
| : | 吸附染料的最大数量每单位质量的吸附剂(毫克/克) |
| : | 标准的热力学平衡常数 |
| : | 标准自由能(kJ / Kmol) |
| : | 熵[J / Kmol] |
| : | 焓(kJ / Kmol) |
| Rl: | 无量纲常数分离系数 |
| 交流: | 活性炭 |
| RSM: | 响应面方法 |
| RR2: | 活性红2。 |
数据可用性
(数据类型)的数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢科曼莎大学的医学科学研究委员会的财政支持这个项目(项目编号94037)。