文摘

p磺化杯[4]芳烃(p-SOCX)功能化醋酸纤维素/氧化石墨烯(CA /去)纳米纤维被成功通过电纺的技术准备。的存在p-SOCX内纤维矩阵是确定使用傅里叶变换红外光谱学和Carbon-Hydrogen-Nitrogen-Sulphur元素分析。明显的变化形态的样品扫描电子显微镜下观察纤维直径增加而增加p-SOCX内容。初步去除染料测试在不同的pH值,剂量、温度和CA /去纳米纤维功能化的一些演示了亚甲蓝的吸附能力增强的存在p-SOCX相比原始CA纳米纤维和CA /纳米纤维的最佳pH值8。获得最高的去除效率与初始亚甲蓝染料的浓度是88.84% 10 mg / L,吸附剂用量20毫克/ 10毫升,在室温下的接触时间30分钟ca。293 K。

1。介绍

有一个全球主要关注水质。工业活动对有机染料的需求增加,也就是说,纺织、化妆品、日光浴等导致了大量的染料释放对环境(1]。亚甲蓝(MB)染料,阳离子,主要用于染色棉、羊毛、丝绸和还用于医学应用作为一个发色团由于其极性特点和强劲阻力对生物降解(2,3]。然而,持续暴露在MB可能导致健康问题,如心理困惑,呕吐、眼睛烧,冲击,增加心跳速率(4]。由于其相关性和广泛应用,MB,噻嗪染料类的一个成员,选择作为这次调查的目标染料(5]。到目前为止,各种技术,如膜过滤、絮凝、化学氧化、臭氧化,离子交换,辐照,吸附研究[6]。然而,大多数这些方法缺乏可重用性等缺点,可能会阻碍他们的广泛使用为大规模操作(7]。与此同时,吸附技术提供的优势,如开发成本低,易于处理,简单的设计(8]。

利用丰富的材料来源染料去除如醋酸纤维素、CA作为吸附剂是首选,然而,在废水处理中的应用是阻碍由于吸附能力有限的原始CA。一些研究报道,通过嫁接官能团的纤维羧基(羧基)胺(nh₂),和磺酸盐(所以₃H)和添加石墨烯氧化物(去),染料吸附能力可以提高7]。后者,即。,GO, is endowed with oxygen-rich functional groups, which is readily modifiable via organic chemistry, and also possess other traits such as better stability, antifouling, and hydrophilic, which are ideal for the development of an excellent adsorbent [9]。

杯芳烃的被称为第三代高分子冠醚和环糊精之后(10]。他们已经收到越来越多的关注由于其独特的结构三维(3 d) cavity-type是由亚甲基酚醛单位联系的桥梁与上、下边缘,可以化学定制。这种结构比被用作分子平台与阳离子选择性相互作用、阴离子或中性分子(11,12]。此外,苯环上呈现杯芳烃的存在对苯类污染物有效提取MB等(13]。杯芳烃独特的构象和络合性质贷款在合成的研究,自然宿主,和水处理行业10]。然而,新型复合材料材料杯芳烃也正在开发,以延长其广泛应用导致各种使用如发光探针,固相萃取剂、吸附剂、催化剂、传感器(7]。值得注意的提及,多数杯芳烃可溶性只有在非极性有机溶剂如甲苯、氯仿、因此nonenvironmentally友好。另一方面,水溶性杯芳烃更环保和可行的功能化,因此我们选择p磺化杯芳烃在这项研究中(图1)。

Lafi et al .,报道称,通过将杯[8]芳烃为潘纳米纤维(C / PAN) [8]因为刚果删除红色和中性红,它表现出稳定性好,方便恢复(14]。此外,潘纳米纤维含杯芳烃轴承N-methylglucamine官能团(Calix-NMG / PAN)被报道为高效吸附剂去除铬酸盐阴离子和阳离子铀。说综合提供更高的离子结合能力由于高表面积、孔隙度、灵活性、和潘纳米纤维的微孔性杯芳烃分子包含N-methylglucamine作为螯合集团(15]。也有吸附的研究报告涉及多孔共价杯[4]芳烃聚合物对阳离子染料即MB和若丹明B,展品最大吸附能力的625毫克/克和484毫克/克,分别为(7]。这证明芳烃有潜力对阳离子离子去除(15]。

本研究的主要目标是利用杯芳烃氧化石墨烯发展一种新型纤维素纤维纳米纤维进行复合,并评估影响吸附的吸附行为和批判性分析变量的有效性新合成nanofibrous垫CA /p-SOCX致癌MB染料从水环境。纳米纤维具有高表面积、高体积等特性质量比因此一直喜欢在水或污水处理(16,17]。一个有效的方法,准备从一个广泛的聚合物纳米纤维在不同形状被称为电纺。由于纳米纤维是负担得起的一系列聚合物,聚合物混合,溶胶-凝胶法、悬浮液、乳液,和复合结构,这种技术提供了一个显著的优势传统制造过程(18]。准备的复合材料完全使用傅立叶变换红外光谱特征,SEM、XRD、TGA,中文,和操作参数对染料从水溶液进行了研究。

2。实验

2.1。材料

CA(分子量:264.23克/摩尔,29 - 45%)和丙酮(分子量:58.08克/摩尔,99.5%)由R&M化工、马来西亚。N, N-dimethylformamide(分子量:73.09克/摩尔,99.9%)从Chemiz购买,马来西亚而去p-SOCX(分子量:744.74克/摩尔edge-oxidized)从Sigma-Aldrich获得4 - 10%。MB(分子量:319.00克/摩尔,96%)从BDH实验室购买物资。氢氧化钠(氢氧化钠、分子量:40.00克/摩尔,99%)和盐酸(HCl, 37%)从默克公司购买。在整个实验中使用蒸馏水。

2.2。制备醋酸纤维素/氧化石墨烯/p磺化杯[4]芳烃(CA /去/ SOCX)纳米纤维

1 g的CA第一次被溶解在丙酮和DMF混合溶剂系统,直到一个明确的解决方案。接下来,0.05克去1%,3%,5%p-SOCX被添加到解决方案和混合了,直到完全溶解。10毫升注射器被用来喂混合解决方案如图2通过电纺的fiber-making一步。收集器板覆盖铝箔作为底物收集静电纺丝如图2。操作电压设置为19 kV流量为2.0毫升/小时。纳米纤维之间的距离收集器和针的顶端固定在10厘米。

2.3。吸附剂的理化特性

红外光谱测量进行了使用一个α2,力量光谱仪配备了铂金钻石ATR模块,分束器奈米,RT-DLaTGS探测器。透射光谱被记录在550年和4000年之间厘米⁻¹4厘米的光谱分辨率¹积累32扫描。元素分析获得的纳米纤维的使用carbon-hydrogen-nitrogen-sulphur执行(中文)分析仪TruSpec®微,Leco,美国形态学研究的纳米纤维进行了使用JEOL JSM-IT100 InTouchScope™扫描电子显微镜与10 kV加速电压和工作12毫米的距离。使用UV - MB吸光度测定力光谱仪珀金埃尔默SPS 1063 pH监测时用酸度计(500年CyberScan Eutech仪器)。所有样本的水晶阶段和结构由x射线衍射(XRD),日本岛津公司模型XRD - 6000) 2θ范围从20°至50°2°/分钟的扫描速度(19]。与此同时,纳米纤维的减肥是利用热重分析(TGA)衡量,使用梅特勒-托利多热重量模型(TGA / sdta - 851 e /凝视)。样品被切成小块,加热到温度50°C到700°C之间氮气氛,和减肥被记录。

2.4。染料的去除研究

MB储备溶液是由第一个溶解1 g的MB到1后面L(去离子水稀释不同浓度从10 ppm到100 ppm。校准曲线是建立在664 nm的吸光度。吸附研究以批处理模式在不同的条件下,即,pH值、用量和温度。pH值效应对MB酸碱7到10之间的吸附研究通过调整染料溶液的pH值使用盐酸0.1米或0.1 M氢氧化钠和吸附剂不一从6毫克剂量30毫克,而温度293 K到353 K之间进行了研究。所有的实验都重复3次。

MB移除测试前,pH值在零电荷点(pH值_PZC)纳米纤维样品的调查使用盐添加方法包括0.025 g的吸附剂在10毫升的0.01 M硝酸钠(NaNO₃在pH值为5、7、8、9、10和过夜。的然后绘制的价值ΔpH值( )与初始pH曲线的交点和pH值₀轴表示(3]。与此同时,MB浓度和体积是固定在10 ppm和10毫升,分别。剩余使用UV -亚甲蓝浓度决定力概述了早些时候光谱仪使用相同的方法。吸附能力,去除百分比,然后计算使用方程(1)和(2)连续。

是初始MB染料浓度(ppm);是平衡MB染料浓度(ppm);是MB染料溶液的体积(L),然后呢是干燥吸附剂的质量(g) (20.]。

2.5。温度的影响

研究温度的影响,MB吸附进行了在273 K, 338 K, 358 K 10 ppm MB浓度30分钟。通过使用方程(3)- (5),热力学参数,即平衡常数: ,焓的变化: ,熵的变化: ,和吉布斯自由能:测定。气体常数(8.314 jmol¹K¹),在开尔文温度(K)。

3所示。结果与讨论

3.1。红外光谱分析

代表红外峰的起始原料中观察到的纳米纤维复合证明成功整合材料的过程。一般而言,红外光谱对CA相似光谱复合纳米纤维(CA /去/ SOCX 1%)尽管有轻微的变化和差异在峰值强度如图3(一个)和3 (b)。广泛吸收峰在3400厘米左右¹由于地伸展振动是明显的在所有样本。尖锐的吸收峰在1740厘米¹紧随其后的是一个小的肩膀在1724厘米¹归因于C = O和C = C芳香伸展振动中观察到所有CA包含样品(21]。因此,提到C = C的红外光谱吸收峰也被观察到,p-SOCX和复合22]。同样,其他主要吸收带的CA也出现在去p-SOCX即切断和CH₂振动是观察到1040厘米¹和1428厘米¹,分别。吸收峰归因于S = O伸展振动在1200厘米¹和1050厘米¹也观察到SOCX和复合纳米纤维23]。因此,可以得出结论:去p-SOCX已成功集成在纳米纤维。

3.2。扫描电镜分析

扫描电镜图像的CA /与不同浓度的纳米纤维p-SOCX(1%, 3%, 5%),如图4。光滑和均匀CA纳米纤维得到平均纤维直径 。合并后,薄层表观察和纤维直径减少 而CA纳米纤维。这表明,纳米纤维的大小可能控制的引入可以(24]。此外,可以观察到明显的形态学变化和变化p-SOCX内容,在更高的浓度p-SOCX,观察纤维直径增加,可能是由于溶液粘度越高(25]。同样清楚的是,在增加p-SOCX,有更少的珠子,纳米纤维似乎更随机的(数字4(一)和4 (b)纳米纤维含相比)p-SOCX纳米纤维的表面不光滑,包含更多的珠子或者聚合物粘度的解决方案和堵塞毛孔的纤维(数字4 (c)- - - - - -4 (e))[16]。反过来,这导致了效率低下在维护飞机一直延伸到收集器(7]。

3.3。XRD分析

XRD模式如图5CA展品典型的醋酸纤维素的峰值为14.16°,21.06°,显示CA纳米纤维的半结晶和无定形的阶段,分别为(26,27]。另一方面,CA /去样本显示了主要衍射峰在21.06°的CA峰值强度下降表明成功整合进去CA纳米纤维(24,28]。此外,低强度反射可以分配给其他成分为弱广泛的山峰在2θ10°,14°,21°是由非晶态结构,涉及到p-SOCX,组件,分别是(27]。因此,x射线衍射模式为制备纳米复合材料提供了一种二元结构基于结晶度和无定形的属性(29日]。CA的XRD模式/去/ SOCX材料表现出突出的峰 表明有序结构的结构完整性并不显著影响的修改过程。这可能是因为内部的有机半个渠道有不同的散射从无定形硅酸框架对比30.]。相同的峰值也观察到的衍射模式CA /去CA /p表明添加-SOCX功能化p-SOCX没有改变CA纳米纤维的晶体结构。

3.4。TGA分析

热重量分析进行了研究成分热稳定性;结果显示在图6。纳米纤维降解发生在连续的三个阶段,从50到300°C, 300到400°C, 400到700°C。(31日]。被认为是减肥的初始步骤,从材料水分损失,溶剂残留的电纺的过程。纯CA纳米纤维的减肥从242年到327°C的退化是由于大部分CA而CA /纳米纤维的减肥开始从263年到328°C的去除不同去表面含氧官能团和纤维素的热裂解骨架在这个温度范围内(32- - - - - -34]。CA的水分含量是8%,而5%基于最初的CA /去减肥的挥之不去的溶剂从CA电纺的解决方案可能是负责小体重变化之间的静电纺丝(16,35]。值得注意的提及,CA /去展览略好热稳定性与CA基于减肥行为观察到300°C到350°C,因此建议去传授纳米纤维的热稳定性。两个作品经历了减肥的速度指数增加,达到峰值92%,CA为95%,CA /纳米纤维。(17]。de Almeida et al .,报道,第三阶段发生超过400°C,在整个纳米纤维发生退化,留下少量的残留材料包含CA (21]。

3.5。元素分析

CA的元素分析结果,CA /,和CA /去/ SOCX(1%, 3%,和5%)如表所示1。结果表明,实验性地确定比例的碳,氢,硫接近计算值。硫含量的增加与增加观察p-SOCX加载(表1)。然而,价值观的差异可能发生由于杂质的存在来自用于溶解聚合物溶液的溶剂前纤维制造过程。总之,它可以去证实p-SOCX成功地融入纳米纤维。

3.6。pH值的影响,吸附剂用量

由于pH值可能被吸附物的产生电离,价值的吸附剂。的价值和pH值的影响对MB移除所有样品如图7和8(一个),分别。如图7,明显的pH值的影响可以观察到被吸附物的表面电荷吸附性能的酸碱3到10。的获得了CA, CA /, CA /去/ SOCX 1%,和CA /去/ SOCX 3%是pH值6.0 - -6.5之间,而对于CA /去/ SOCX 5%,大约是pH值3.5。一般来说,在 吸附剂的表面可以被认为是带正电,而超越值,表面带负电。因此,在 有可能性之间的静电排斥力量吸附剂表面和MB,这可能会导致较低的吸附性能20.]。

比7 MB去除pH值低于微不足道,可能由于较低的pH值即。,acidic, the electrostatic repulsion between protonated adsorption sites on the adsorbents and the protonated dimethylamine group in MB limits the interaction and results in low adsorption capacity [36]。然而,在pH值增加,磺酸盐组发生去质子化,产生负面的表面电荷p-SOCX MB,导致产生静电相互作用p-SOCX分子,因此,有利于吸附过程(37,38]。,61%的最大吸附和吸附容量ca。6毫克/ g (pH值8 CA /去/ SOCX样本获得1%(图8(一个))。与此同时,在高pH值即 ,吸附能力下降,可能是由于羟基羧酸的去质子化,引起排斥与氮在MB (39,40]。

基于最佳的吸附性能表现出CA /去/ SOCX 1%纳米纤维,它被选为研究剂量的影响。这里的CA /去/ SOCX 1%是6到30毫克(数据之间的不同8 (c)和8 (d))。图6(c)表明,低于20毫克吸附剂去除展品比例稳步增长以及吸附剂的量的增加,表明可用吸附表面的增加网站。然而,在20毫克以上,高原是观察表明平衡即。,饱和吸附的网站。与此同时,吸附容量降低吸附剂用量的增加数量将增加互动活跃的站点nanofibrous吸附剂MB可用分子的固定量(41]。

其他类似吸附剂为MB切除合并芳烃也被报道。例如,Kamboh et al .,报告说,94%的MB删除记录p-sulphonatocalix[8]芳烃在pH值9.5硅树脂吸附剂用量40 mg / L (13]。与此同时,在另一项研究中,杯[8]芳烃改性硫展出> 90% 45 MB去除与吸附剂剂量的pH值6 mg / L和180分钟的接触时间(42]。硅胶支持地乐酚杯[4]芳烃笼子里,据报道,达到93%在pH值12 MB删除0.05 mg / L的吸附剂用量和接触时间120分钟。(23]。另一方面,本研究中所开发的吸附剂。,CA/GO/SOCX 1% has the ability to remove up to 88.84% of MB at 20 mg/L adsorbent dosage in 30 minutes. Noteworthy mentioning that, only small amount of adsorbent is needed to remove the MB and with shorter time by using CA/GO/SOCX 1% compared to other adsorbents mentioned above.

3.7。温度的影响

结果如图9表明吸附是提升与增加温度、去除85%在293 K增加到92%在338 K 95%至353 K紧随其后。吸附效率随温度的增加表明吸热吸附过程的本质,即。,化学吸收作用[43]。自由能的变化( )计算和评估的焓变( )和熵( )从范霍夫情节在图10,并给出总结表2。负的表明MB吸附到吸附剂的可行性和自发性。而积极的价值(82.07 J / mol.K)表明吸附系统的自由度的增加与自发性(44]。

4所示。结论

CA /去/ SOCX成功准备使用电纺纳米纤维技术具有优越的MB染料去除效率相比,CA和CA /单独去。扫描电镜、红外光谱、XRD、TGA和中文分析证实了CA的存在,,p-SOCX在纳米纤维样品。SEM图像还显示,纤维直径增加网络内增加p-SOCX装载。最佳染料去除条件,即。,pH and dosage were established at pH 8 and 20 mg/L, respectively. Best adsorption capacity was shown by CA/GO/SOCX 1% nanofiber sample with 4 mg/g adsorption capacity and 88.84% MB removal.

数据可用性

作者确认所有数据生成或分析本研究可从相应的作者。这些材料可以直接要求从相应的作者如果需要。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突的研究,本文的作者和出版。

确认

作者要感谢马来西亚教育部资助这项研究中,通过格兰特没有:德意志联邦共和国/ 1/2018 / STG01 /芬欧蓝/ 02/11。