文摘

在这项研究中,印楝生物质(楝叶和树皮的混合物),获得成熟楝树,这是一种环保和低成本的材料被选为bioadsorbent去除铅金属离子(Pb^{2 +}从水的解决方案。印楝再bioadsorbent有羧基组由激活使用由氢氧化钠和柠檬酸化学改性与一个非常简单的方法。的最佳活化条件被确定为37分钟,120°C,在0.73 M柠檬酸、样本/酸比1/100(质量/体积)。确定基本性质如化学结构、孔隙度、印楝和表面性质的生物量(NB)和化学改性楝生物量(CMNB),他们的特点是赌注,红外光谱、SEM, XRD和pHpzc方法。这是观察到激活改善了NB的吸附能力也引起了更多的无定形结构。吸附pH值等参数的影响(2 - 7日),接触时间(10 - 110分钟),初始Pb^{2 +}离子浓度(100 - 300 g / L)和bioadsorbent剂量(01 - 1.1 g / L)铅的去除百分比^{2 +}离子进行了研究。最大的铅^{2 +}离子(97.29%)被记录为0.9 g / L bioadsorbent剂量,50分钟接触时间,pH值6,100 mg / L的初始金属离子浓度。动力学和等温吸附机理的研究表明,Pb^{2 +}离子使用CMNB遵循pseudosecond-order虽然等温线研究符合两种模型,但相对,弗伦德里希模型更好地适应更高一点 。结果表明修改bioadsorbent可以利用好和低成本的替代含铅废水的处理(2)离子在水中。

1。介绍

水是一种有限的自然资源,对生命和健康至关重要1]。大约97.5%的地球表面上整个水是咸的水,剩下的2.5%是淡水。大约70%的淡水是凝固在格陵兰岛和南极洲。只有1%的地球上的淡水是人类使用(可用于各种各样的2]。水污染问题已成为一个严重的问题对人类的生存和地球的国家的经济增长3]。废水可能来自工业、农业、市政等点和非点源的来源。工业废水是关键污染源的污染水资源(4]。重金属造成的水污染来自世界各地各行业构成的威胁与累积,慢性,有害效应对环境和生物体的健康(5,6]。

重金属是任何金属化学元素,有相对较高的密度和有毒物质在低浓度和导致水源性疾病当废物包含水体中重金属化合物(7,8]。他们造成严重污染问题由于他们坚持特性,在食物链积累,不能生物降解的性质(9]。铅、铬、镉、铜、镍、锌、砷、汞被称为最有毒污染物的金属(10]。领先,已经检查了在这项研究中,被认为是人类最有毒的重元素,发现高浓度废液中金属加工等行业,矿业、电池制造、电镀、制革、颜料、油漆、纺织生产、肥料、农药、和钢铁工厂(11]。环境中的铅(II)主要存在Pb (II)、铅(IV)只是极氧化条件下形成的,和无机铅(IV)化合物不发现在一般环境条件下12]。铅对人类造成严重的健康问题,如高血压、心脏病、癌症、生殖系统疾病、皮肤疾病(13]。

近年来,科学家们已经开发和实现各种方法消除潜在的有毒的无机和有机污染物从水中由于日益担忧公共卫生和环境质量(14]。有各种去除方法包括生物、物理和化学过程,如化学沉淀、离子交换、电解、膜分离,coagulation-flocculation、电解、过滤15]。与其他技术相比,重金属离子的吸附到固体材料是有利治疗废水由于其简单性,使其常常最经济的解决方案(16]。但是,昂贵的吸附剂的使用这个方法限制了其应用17]。使用天然材料的吸附法(18叫做bioadsorption],在这方面可能有所帮助。新开发的有趣的特性bioadsorbents高通用性,金属选择性、高吸收,没有浓度依赖性,对有机物高,再生能力(19]。新趋势是使用生物质陷阱铅离子(2)符合“绿色化学”标准(20.]。趋势考虑减少有毒化学试剂,多个试剂的使用,减少碳排放,环境可持续的引入对分析物检测分析方法,和微尺度的创新21]。

不同类型的生物被认为是过去的二十年里,和他们的bioadsorption特性已经被各种研究人员广泛研究[21- - - - - -26]。生物材料如椰子壳,香蕉髓,山毛榉的叶子,橙皮,浪费茶叶、水葫芦、甘蔗渣、大豆蛋糕,杏仁壳,仙人掌的叶子,苍蝇幼虫、柏树、松树的叶子被用作bioadsorbent原材料制备(27]。金属离子可以隔离在生物质利用乙酰胺、氨基酸、磷酸盐、酰胺、胺、巯基、羧基组28]。然而,这些材料的bioadsorption性质可能显著提高化学治疗后(29日]。生物材料的预处理方法使用不同种类的修改代理给出一个改善metal-binding能力,较高的机械强度,增加表面积和孔隙度30.]。因此;生物质是通常被激活与利用各种物理和化学激活代理(31日]。验证,有显著增加的生物量容纳金属离子在大豆皮提交与碱性溶液治疗(氢氧化钠),其次是与柠檬酸改性高温(32,33]。楝树(Azadirachta indica)是农作物的一个例子,是热带和亚热带环境中产生了广泛34]。在埃塞俄比亚,印楝通常种植在干燥和潮湿的农业气候区。树主要是用作防护林带和退化土壤的遮荫树。在埃塞俄比亚,非洲楝用于防止棉铃虫,棉花的害虫,来自发展中国家和发展(35]。本研究主要集中在利用bioadsorbent楝生物质为原料的铅的去除^{2 +}离子水溶液。几个激活的效应和优化参数,如混合比的印楝叶和印楝树皮、酸浓度、活化温度和时间,以及吸附参数如溶液的pH值、接触时间、bioadsorbent剂量,初始金属离子浓度的铅(2)使用准备bioadsorbent离子去除研究。此外,化学的吸附等温线和动力学模型楝生物质进行修改。

2。材料和方法

2.1。材料

原材料如印楝叶和印楝树皮用于本研究收集从Hawassa,埃塞俄比亚,位于273公里远从亚的斯亚贝巴,埃塞俄比亚,7°3的纬度和经度N 38°28大肠Pb(没有等化学物质₃)₂(分析纯),氢氧化钠(99%)、了解₃(99%)和C₆H₈O₇(99.5%)是GHTECH的产物,从当地供应商购买在亚的斯亚贝巴,埃塞俄比亚。

2.2。方法

2.2.1。原料预处理

收集到的印楝生物质(叶和树皮)样本先后通过运行自来水清洗,直到一些灰尘和杂质去除和进一步使用蒸馏水清洗(水溶性杂质),直到它变得无杂质,水变得无色变细的眼睛。然后,它最初在略一天干去除一些水分。之后,印楝树叶干烤箱(UN30plu, Memmert GmbH + Co.kG)在80°C 7小时,直到他们成为黄色和脆;另一方面,印楝树皮干在80°C 17小时直到树皮干地面。干印楝树叶粉形式增加表面积减少,使用电子磨提高吸附能力。但楝叫很难立即地面电磨床第一轮规模减少通过砂浆已经完成。之后,生物材料都已筛获得均匀的粒度分布(212 - 500年之间μ米)。这个分数又与蒸馏水洗几次,直到颜色和浊度的洗涤液是免费的。在室温下干燥数小时后,印楝叶粉(NLP)和印楝树皮粉(平衡)保存在玻璃瓶为进一步使用。

2.2.2。测定混合比的印楝叶和印楝树皮

干印楝叶和印楝树皮粉样本混合在不同混合比例( ,1:1,1:2,2:1,1:3和3:1)响应中的铅^{2 +}离子吸附能力。正常体重楝生物质(NB)(即。,mixture of NLP and NBP) was added in to five different 250 ml flasks which contain 100 mg/L Pb^{2 +}离子在100毫升的解决方案。溶液的pH值调整为5,接触时间40分钟,在室温下。浆是用电磁搅拌器搅拌在室温下(300 rpm)。然后使用慢速流绘画纸滤纸过滤(42级和125毫米的大小),和Pb^{2 +}滤液中离子浓度进行了分析使用微波等离子体原子发射光谱(MP-AES) 405.781 nm的波长校准,和去除效率(%)计算使用情商。1)。然后,印楝生物质混合比的选择具有良好的去除效率进行进一步分析。 在哪里和初始和最终铅的浓度吗^{2 +}分别离子。

2.2.3。印楝生物量的激活

最初,印楝干生物量进一步使用氢氧化钠进行预处理。50克的干原料楝生物质混合物(现)粉放在一个一升0.1 N的氢氧化钠溶液。泥浆搅拌在500 rpm的1小时25°C的帮助下一个均质器。基础治疗楝生物质混合物被倒到125μ米筛,用蒸馏水冲洗。潮湿的氢氧化钠处理楝生物量与去离子水清洗搅拌器速度500 rpm的45分钟25°C到删除多余的基地。这个过程重复了几次,以确保从印楝生物量的基地。然后,印楝生物质进一步干24小时55°C。最后,氢氧化钠处理楝生物质进一步化学修改使用柠檬酸后,以前的方法很多研究人员报道,(32,36,37]。

柠檬酸改性的氢氧化钠处理楝生物量进行根据马歇尔和Wartelle方法报道(33Kumar)和et al。38)与小修改。已知量的氢氧化钠处理楝生物量和浓度的柠檬酸溶液放置在250毫升瓶。混合物加热,使300 rpm。泥浆是传播的不锈钢托盘在不同温度下干燥炉首先50°C 24小时然后在120°C 1.5人力资源。酸活化楝生物质允许冷却至室温。然后,激活楝生物质在热去离子水清洗(60°C)直到洗水的pH值在7。湿生物质当时干50°C的24小时然后储存在密封的玻璃瓶被任命为化学改性楝生物质混合物(CMNB)和用作Pb bioadsorbent^{2 +}离子从溶液中去除。

2.2.4。优化楝生物量的激活

柠檬酸浓度和优化的影响(0.3 - -0.9米)39,40),激活时间(20 - 100分钟)37,41)和温度(90 - 130°C) (37,39)被认为是NB的激活。响应面方法(RSM)中心合成设计(CCD)申请实验矩阵的设计和优化柠檬酸楝生物活化过程(表1)。因此,20运行实验研究有八个阶乘,六个中心,轴向点。节中使用的bioadsorption工艺条件2.2。2被用来测试的吸附性能bioadsorbent酸激活。

2.3。描述的Bioadsorbent

几个测试进行了描述原始印楝生物量和准备bioadsorbent(激活楝生物量)。捕获原始的形态结构和它的化学修饰楝生物量),扫描电子显微镜(F模型:检查50,荷兰)使用。在碳带栈材料样本准备样品持有人;之后,惰性气体氮气应用于从碳带堆栈中删除一些游离生物样本表面样品持有人。当能量(电子)指针开始捕捉生成在不同的表面纹理的放大倍数和分辨率。

识别各种官能团存在于原始的和修改的印楝生物质bioadsorbent样本,傅立叶变换红外光谱(模型:IRAffinity-1S并使:日本)使用。最初,背景用纯溴化钾颗粒被从4000到400厘米¹波数在4厘米的决议¹以自动扫描速度(2毫米/秒)作为背景。然后,样本扫描具有类似条件从4000到400厘米¹,光谱被记录和分析。

分析了样品的结晶和无定形的性质使用x射线衍射(XRD)(600年模型:迷你flex PXRD)铜Kα辐射使用40 kV的加速电压,电流30 mA,超过一个5 - 85°范围的扫描速度3°/分钟,连续扫描模式被用来记录的催化剂的XRD模式,最后,分析了相关的高峰。

的表面积和孔隙大小的原始印楝离开,生印楝树皮、表面积和它的化学修饰楝生物量测定使用分析仪(模型:NOVA400e并使:美国)。Brunauer、艾美特、出纳(打赌)和非局部密度泛函理论(NLDFT)方法被用来测量样品的表面积和平均孔隙大小使用内置的软件,分别。

此外,零电荷点(PZC)表面电荷为零的pH值。零电荷点(PZC) CMNB固体添加方法研究[42]。约0.1 N KNO₃准备解决方案的1.0 L, 10.11 g KNO溶解吗₃(0.1摩尔)在蒸馏水中,然后稀释解决方案使用量筒或容量瓶1.00升。大约50毫克的样品在0.1 N KNO淹没₃解决方案在一个锥形瓶100毫升。解决方案的初始pH值(酸碱度_我)调整从2到10通过添加0.1 M盐酸或氢氧化钠基地准备在9个不同的玻璃瓶。样品一直在不断的pH值48人力资源解决方案和偶尔的震动达到平衡。最后的pH值(酸碱度_f浮在表面的液体的测量。这两个的区别pH值( )策划反对初始溶液的pH值(酸碱度吗_我),曲线的交点 给在PZC pH值的值。

2.4。批Bioadsorption研究

铅(2)离子原液与1000 mg / L (1000 ppm)浓度是Pb(没有准备的₃)₂蒸馏水的前兆。已知数量的铅^{2 +}从储备溶液离子浓度也准备按照要求通过稀释浓度吸附研究。吸附性能的化学改性和原始印楝生物质bioadsorbent分析通过使用Pb进行批量bioadsorption实验^{2 +}离子吸附物。不同的因素,如bioadsorbent用量、pH值、初始Pb^{2 +}离子浓度和接触时间视为bioadsorption参数的过程。调查的影响变量,bioadsorption实验进行批量试验。100毫升的铅^{2 +}解决方案所需的浓度是放置在锥形瓶250毫升、和溶液的pH值调整到所需的值。Pb的pH值^{2 +}离子解决方案是衡量使用数字笔式酸度计(模型:HI255计相结合,pH值/ mV和EC / TDS /生理盐水)。已知数量的bioadsorbent被添加到Pb^{2 +}离子解决方案包含烧瓶。含有铅的混合物^{2 +}离子和bioadsorbent混合了预定义的吸附时间的速度在室温下300 rpm。搅拌后,暂停使用绘画纸滤纸过滤,滤液Pb进行了分析^{2 +}使用MP-AES离子浓度,然后,去除效率(%)计算使用情商。1)。的最大吸附容量准备bioadsorbent用Pb的最终浓度测量^{2 +}离子的浓度的离子成为常数(eq。2)) 在哪里Pb的数量吗^{2 +}离子吸附(毫克/ g),是Pb的初始浓度^{2 +}离子(毫克升¹),铅的浓度吗^{2 +}离子(毫克/升)在平衡或一段时间在水溶液。解决方案(L)的体积,的质量是bioadsorbent (g)使用。

2.4.1。Bioadsorption参数的影响

在目前的研究中,pH值等参数(2 - 7日),接触时间(10 - 110分钟),初始金属离子浓度(100 - 300 mg / L),和bioadsorbent剂量(0.1 - -1.1 g / L)被认为是研究铅对去除效率的影响^{2 +}离子水溶液的批量吸附实验。

批处理吸附实验进行了在不同pH值的解决方案。由于降水Pb(哦)₂铅的吸附^{2 +}离子没有发生超出溶液pH值为7.0 (43- - - - - -46]。因此,在目前的工作,bioadsorption实验进行了在不同的酸度,低于7.0通过添加所需的0.1卷的盐酸或氢氧化钠溶液的0.1米。其他参数如bioadsorbent剂量(0.5 g / L CMNB),初始金属离子浓度(100 mg / L),和接触时间(60分钟)是固定调查博士铅的影响^{2 +}离子去除效率(%)计算使用情商。1)。

为了分析接触时间对吸附过程的影响,实验是由不同的接触时间(10、30、50、70、90和110分钟)。其他参数如bioadsorbent剂量(0.5 g / L CMNB),初始金属离子浓度(100 mg / L),和pH值(6.0)是固定接触时间的影响进行调查。的铅^{2 +}离子去除效率(%)计算使用情商。1)。

Bioadsorption实验进行了在不同初始浓度的铅^{2 +}离子(100、150、200、250和300 mg / L)在250年与pH值为6.0毫升锥形瓶含有0.5 g / L楝生物质化学修改。混合物被搅拌(300 rpm)在室温下60分钟。的吸附、滤液收集,样品吸光度比例从MP-AES阅读记录。最后,移除和吸附容量百分比测定使用的方程式。(1)和(2)。

bioadsorbent用量最大的影响去除铅(2)离子是评估通过进行批量吸附研究使用化学修改的印楝生物质(CMNB)样品(0.1,0.3,0.5,0.7,0.9,和1.1 g / L)。100毫升的铅^{2 +}解决方案的初始浓度为100 mg / L和6.0 pH值被添加到250毫升含有不同质量的CMNB锥形烧瓶。然后,混合物被允许在一个磁搅拌器搅拌(300 rpm)在室温下60分钟。使用绘画纸滤纸过滤后,滤液的解决方案在一个MP-AES波长为405.781 nm来确定最终的铅^{2 +}离子浓度。去除金属离子的比例计算情商。1)。最后,bioadsorbent剂量和最大吸附能力被认为是最佳bioadsorption实验使用柠檬acid-activated楝生物量。

2.5。吸附等温式

吸附平衡的研究是最重要的步骤在吸附过程。从它获得的数据有利于吸附过程的模型预测分析和设计。有几个平衡等温线方程代表实验吸附等温式说明了不同的研究人员。最常用的朗缪尔等温线模型,弗伦德里希,Temkin模型。因此,实验得出了吸附等温线数据批处理实验评估和最佳拟合的模型,能够选择最佳的使用该模型参数值之一。在这项研究中,吸附等温线实验通过添加0.9 g / L的化学修改的印楝生物质(CMNB)不同初始浓度的100毫升(100、150、200、250和300毫克/升)的铅^{2 +}离子被吸附,吸附过程进行了电磁搅拌器(300 rpm) 25°C的最佳时间。上述提议等温线模型被用来分析方程的使用各自的吸附数据模型方程式。(3)- (8)。

2.5.1。朗缪尔等温线

朗缪尔等温线模型是由假设(一)最大吸收发生在吸附剂表面是由单分子层可溶性物质,(b)吸收的能量是固定的和相同的点,和(c)吸附材料的分子不能在吸附剂表面移动。它适用于均匀表面吸附(47),表示如下。 在哪里 , ,和(毫克升⁻¹(毫克/克)在平衡吸附量(毫克/克),朗缪尔最大吸附(毫克/ g),和朗缪尔常数(毫克/升),分别。

此外,情商。3以线性形式)可以重新安排为:

朗缪尔常量可以获得的情节与 。朗缪尔等温线的基本特征是表达的分离或平衡参数,这是一个无量纲常数表示为: 在哪里表明吸附的本质是不利的 ,线性 ,和有利 。

2.5.2。弗伦德里希等温线模型

最流行的一种用于液体吸附等温线来描述吸附在表面有不同种类的能量分布是弗伦德里希等温线模型(47]。模型假设导出了异质性表面,在对数刻度使用表达式: 在哪里在毫克/克平衡加载,平衡浓度的mg / L,在毫克/克,吸附容量,吸附强度。

方程(6)可以重新安排在线性形式获得以下方程:

的一块与给了一条直线,斜率 和拦截 。弗伦德里希常数的值( )应该躺在1到10的范围内良好的吸附、越高”“价值,更好的吸附47]。

2.5.3。Temkin等温线模型

Temkin基于离子吸附等温线热量,这是由于bioadsorbate和吸附剂的相互作用,是由以下方程。 在哪里是Temkin等温线结合能常数(J /摩尔K)。消极的迹象值表明吸附剂吸附是放热的。这两个和从图可以确定与(48]。

2.6。吸附动力学

吸附过程的动力学研究中是一个基本程序,因为它提供了相关信息的机制和特点,吸附过程是直接影响过程的速率控制步骤。Pseudofirst秩序和pseudosecond阶动力学模型是最常用的动力学模型用于合适的数据得到的吸附实验。在这项研究中,对Pb动力学实验^{2 +}离子吸收进行了通过添加0.9 g / L的CMNB Pb的100毫升^{2 +}离子溶液(100 mg / L),搅拌在300 rpm和25°C不同的接触时间(10、30、50、70、90和110分钟)。

Pb的残余浓度^{2 +}离子,测量作为时间的函数,吸收计算使用以下方程。 在哪里铅的浓度吗^{2 +}离子在时间 ,和的吸附能力的时间吗 。 Pb的体积吗^{2 +}离子溶液用于毫升的吸附剂用于吸附(g)。最后,提出的两个吸附动力学模型被用来分析数据可以表明哪种模式最适合与吸附系统目前研究(表吗2)。

pseudofirst阶动力学模型是由下列方程表示。

集成和应用边界条件 和 ,我们得到了 在哪里和有大量的铅^{2 +}离子吸附表面的CMNB(毫克/克)在平衡和时间 ,分别为,(1 /分钟)是pseudofirst-order速率常数。的参数可以得到的斜率线性情节与指示的适用性pseudofirst-order动力学模型(47]。

pseudosecond-order动力学方程(49率表达式所表达的):

整合上述方程,应用边界条件 和 给:

此外,情商。13)可以重新安排其线性形式如下: 在哪里(g / mg min)是bioadsorption pseudosecond-order的速率常数。的情节 对 , 斜率和截距可以评估。最初的吸附率,(毫克/克敏),定义如下(49]:

3所示。结果与讨论

3.1。优化激活参数的数值方法

优化前的活化过程中,混合在树皮楝楝叶对铅的影响(2)离子去除效率进行了分析(表3)。实验结果表明,铅(2)离子去除效率比印楝楝叶小树皮。根据铅(2)离子去除效率如表所示3混合比为1:3楝叶/印楝树皮被选为印楝的部分生物量的混合物进一步激活。

准备的三个变量研究了化学改性(激活楝生物质)总结表1。实验的结果进行了分析与方差分析(方差分析)模型各因素之间的关系和响应。处理一个基地氢氧化钠和随后的柠檬酸改性稳定楝生物质由于插入和交联羧基组,从而增加其阳离子吸收能力(17]。额外的修改是基于羧化作用机制引入羧基组的生物治疗。两个相邻之间的反应形成酸酐羧酸团体造成的损失一个水分子在加热的CA。酸酐与纤维素的羟基反应形成酯键(9]。

在这项研究中,数值优化用于优化激活过程:激活时间( ),活化温度( ),和柠檬酸浓度( )。Pb (II)离子去除效率的响应( )优化吸附是主要决定因素通过影响的化学结构和表面积生物质bioadsorbent。构建一个独立的实验变量之间的相关性和吸附效率,CCD应用的方法。总共20个不同的参数组合进行调查在二十(20)(表不同的测试4)。实验设计点是由六轴点,八个因子分,和六个复制中心的点。表4总结了独立因素和实验CCD设计矩阵,以及每个因素的相关反应。bioadsorbent产生的吸附结果表明,铅的去除效率^{2 +}离子被发现(表变化从30.24到90.47%4)。

3.1.1。实验结果的统计分析

基于价值,二次模型适合解释Pb的bioadsorption^{2 +}使用激活离子楝生物质相比其他RSM-CCD预定义的模型(表5)。模型的含义和适用性可以进一步通过方差分析(表解释6)。在方差分析中,计算均方的平方和除以每个变异的来源,和误差方差的模式各自的自由度。费舍尔的方差比,值的比值均方导致回归造成误差的均方。越大价值,更多的意义是相应的变量产生影响。方差分析(方差分析)方法用于确定拟合二次模型的显著性水平(表6)。的缺乏价值点燃2.73意味着缺乏适合相对于纯粹的错误并不重要。有14.71%的可能性,缺乏配合价值这个大可能是由于噪音。无意义的缺乏符合很好。该模型值为126.31意味着模型具有重要意义。只有0.01%的机会价值这个大可能是由于噪音。的值” “小于0.0500显示模型方面意义重大。值小于0.0500表明模型方面意义重大。在这种情况下, , , ,AC,公元前 , ,和模型方面非常重要。值大于0.1000表示模型条款并不重要。如果有许多微不足道的模型条件(不包括那些需要支持层次),减少模型可以提高您的模型。基于方差分析分析,最后方程的编码因素获得了使用设计专家(eq。16))。的系数参数值大于0.05取消了,没有重大的bioadsorption Pb^{2 +}离子产生楝生物质吸附剂使用。

根据情商。16),活化时间、活化温度、酸浓度、时间和温度之间的相互作用有积极的影响,而时间和酸浓度有负面影响或对消除不良影响。预测 - - - - - -的平方0.9834与调整是在合理的协议 - - - - - -(0.9913平方 ),这表明高模型的可预测性和指示数据集之间的高度相关(表吗5)。“Adeq精度”措施的信号噪声比。比大于4是可取的。比29.165意味着一个适当的信号。

线性情节(数字1(一)和1 (b))从以下软件提出了检索和统计模型的充分性是通过检查的诊断测试正常块残差和残差与预测和离群值。模型适用于预测铅的去除百分比(II)离子在选定的实验值。模型的性能可以被看到的情节也理解预测与实验比例(2)离子去除效率。评估,铅的预测值(II)离子去除效率最接近实验值。图1显示特性图表用于评价回归模型的效率。图1(一)显示了高相关性预测和实验值,而残差正态分布(图1 (b));这些支持模型足够近似的实际系统。

3.1.2。相互影响的变量

RSM模型预测的充足率Pb (II)在实验条件下吸附和独立的交互影响参数对Pb (II)去除三维的评价。三维响应面块被评估交互的独立变量(II)离子去除。图2(一个)说明了交互的形式组合的影响活化温度和活化时间bioadsorption (II)的铅离子。这一概念与响应面解释3 d绘图。增加接触时间将增加导致(II)离子的去除效率相当的水平。最大的铅(2)离子去除效率观察交互时间后60分钟100和温度所代表的是阴暗的红色区域的阴谋。是感知的交互影响是积极改善铅的去除效率(II)离子去除。最大的铅(2)离子是86.5%左右。

的交互影响柠檬酸浓度和接触时间对铅(2)离子去除效率进行了研究,并相互作用的趋势如图2 (b)。这种组合是积极推动bioadsorption能力在某种程度上。这是观察到的三维曲面图。最大的铅(2)离子去除效率95%左右的被后的浓度0.6米,约60分钟。它从3 d图可以看到,柠檬酸浓度和时间对铅(2)离子去除负面影响。在一般情况下,在较低浓度和活化时间,观察改性生物质的去除效率最低,和最大bioadsorption观察到更高的激活参数值。铅(2)离子去除函数的计算的交互影响柠檬酸浓度和温度对响应面图使用响应面分析的方法得到。另外,柠檬酸浓度和活化温度的影响(2)积极离子去除。这意味着领导(II)离子去除增加柠檬酸浓度的增加和活化温度。在低浓度随着温度高,去除效率增加。 As shown on Figure2 (c)观察、高效柠檬酸浓度和活化温度更高。

3.1.3。流程优化和验证

在这项研究中,数值优化方法被用来优化激活时间、温度和酸浓度,主要决定因素影响生物量的吸附容量的增加表面积和更多的活性位点的金属离子。最优条件评价复合愿望0到1的价值,最重要的统计指标,即最低价值和缺乏健康,和最高价值和了选择最优模型与最大愿望功能激活时间35.76分钟,活化温度122.03 ,和柠檬酸的0.73米;在这种情况下,模型预测大约93.17%的Pb (II)。过程优化的愿望价值被发现是1.00。

一个实验激活时间,温度和酸浓度是为了进行研究设计的结果或效果。三个实验进行了优化条件的激活时间36分钟,活化温度122 ,和柠檬酸0.73米。三个实验分别为93.34%,93.21%,92.98%。这些显示获得的价值是在良好的协议与模型预测。因此,该模型被认为是准确和可靠的预测使用CMNB Pb (II)离子去除效率。

3.2。印楝生物质原料和修改的描述

3.2.1之上。PZC分析

零电荷点测定bioadsorbent是重要的知道bioadsorbent材料上的电荷。此外,它有助于解释吸附机制。生物量变化的表面功能溶液的pH值变化。了解bioadsorption机制,有必要确定零电荷的pH值点(pH值_PZC)的吸附剂。一般来说,吸附的阳离子的青睐 ,而阴离子的吸附的青睐 。阳离子的吸附pH值变化_PZC对较低的值,而吸附阴离子的pH值变化_PZC向更高的价值。

根据图3,还观察到,pH值_PZC化学改性的印楝生物质(CMNB)约为5。这表明在低溶液pH值,解决方案仍然是阳离子,随着溶液的pH值增加,去质子化的程度增加,而溶液的pH值约5以上,解决方案就会变得阴离子,导致更多的阳离子金属离子吸附。

3.2.2。扫描电子显微镜(SEM)分析

SEM分析用于调查楝生物活化前后的表面结构在200年μm表面放大(图4)。相对于印楝的表面结构生物量在激活之前,它是观察到更多的毛孔开口上创建激活后印楝生物量的表面结构。这增加的表面积生物量、进而提高吸附剂的结合位点。显微照片图像,黑暗中结构表明通过电子通过创建的毛孔。毛孔的增加改性生物质可能由于消除了杂质用木质素和纤维素的化学活化和打破债券。

3.2.3。官能团分析

图5显示了原始的红外光谱谱楝叶、生印楝树皮、氢氧化钠提取,柠檬酸修改样本所示。对于原始印楝叶,高峰在1109年,1277,1382,2924,3445厘米¹表明酯切断拉伸(50)醚切断,硝基组N = O弯曲,H-C-H烷烃不对称和对称拉伸,h(拉伸类似于胺)官能团被发现。1109、1269、1382、2074和2368厘米¹显示出酯切断拉伸(50)醚切断,硝基组N = O弯曲和醛与碳氢键拉伸C = O。3458厘米的吸收峰¹是由于北半球₂(拉伸类似胺)51]。氢氧化钠提取样品的峰值1100,1269,2080,2933,3453厘米¹表明酯切断拉伸(50),醚切断,炔烃的碳碳,ch烷烃不对称和对称拉伸,h(拉伸类似于胺)官能团被发现(51]。柠檬酸改性样品另一方面峰值为1109,1385,1621厘米¹(由于- c = O伸展振动)52]。这些山峰与酯切断拉伸(50],硝基组N = O弯曲和烯烃群碳碳= C的对称。峰值显著减少由于多糖的损失。样品红外光谱显示峰值在3400厘米左右¹由于地伸缩振动(50- - - - - -52]。可以看出,傅立叶变换红外光谱表明ionisable官能团的存在如氨基酸/氨基酸组,醚切断拉伸和ch₂烷烃的不对称和对称。电离团体官能团可以执行作为质子供体/受体影响的能力一个分子作为酸或碱(50]。这个电离生成空活跃的网站,可以替代金属离子(51]。这表明激活楝生物量中可能被用作吸附剂Pb (II)等重金属离子。峰表明有一些bioadsorbent的表面官能团,可与许多离子反应在修改。

3.2.4。x射线衍射(XRD)

使用x射线衍射研究无定形和结晶矿物的存在对bioadsorption能力。生印楝树皮RNB衍射光谱的非晶在性质和显示一些明显的结晶峰(图的扫描范围6)。XRD的RNB模式(楝单独离开,印楝树皮)显示几个山峰几乎相同的模式17°,45.1°,66.6°,78.7°但楝树皮粉末衍射显示长峰高强度的角度 。结晶度生印楝叶的面积为51.11%,原始印楝树皮是54.12%,氢氧化钠提取印楝生物量是46.4%。这表明楝树皮是比其他碳质样本。同样,氢氧化钠提取也显示四个XRD峰在不同值和一小部分crystanity由于分心的生物质木质素、纤维素和其他碳组件由氢氧化钠和生物量deminiralization组件。结晶度减少原始印楝生物质处理基地和后来的柠檬酸改性。的非晶特性biosorbents表明,金属离子能更容易渗透的表面柠檬酸改性NB。顶点的缺失表明,活性炭的主要部分是无定形的,这是一个优势好bioadsorbent财产。

3.2.5。表面积和孔隙分析

押注氮吸附表面积仪,是一个非常方便的工具特性的非晶态材料。它有助于区分的精确面积只有1%错误。样品的孔隙大小分布在这项研究中更多的是微孔如图4。生产柠檬酸修改NB的表面积164.07米²/ g,总孔隙体积0.3051 cc / g,孔隙大小为16.58μm。然而,氢氧化钠提取NB的表面积140.72米²/ g,总孔隙体积0.2675 cc / g,孔隙大小为18.69μm。另一方面,原始印楝生物量有79.57米²/ g表面积,0.2217 cc / 16.58 g总孔隙体积和孔隙大小。从这三个样品对比,柠檬酸改性NB有更大的表面积和孔隙体积最小。这是由于活化样品的CA的有效性。挥发性物质的生物质原料由内容和其他降解组件导致最小孔隙体积和表面积。然而,氢氧化钠提取NB最大孔隙大小由于挥发性切除的激活。一般来说,激活天然楝生物量的柠檬酸增加表面积和孔径43.46和27.34%,分别由氢氧化钠提取增加了孔隙大小11.3%(表7)。

3.3。批量吸附研究

3.3.1。pH值的影响

在低pH值(2)的酸性性质活跃网站与铅离子和氢离子的种族提供20.89%的去除效率,但随着质子化作用减少,去除效率增加到98.6%,pH值6,和吸收效率bioadsorbent降低到90.58%(图7的pH值7)。pH值结果,进一步增加导致(II)离子减少吸收效率。pH值6、铅(2)离子存在的解决方案是自由离子,随着pH值的增加,各种氢氧化铅化合物形成的复合物,降低铅的浓度^{2 +}离子大幅超出pH值6。PbOH等化合物和复合物⁺Pb(哦)₂,Pb3(哦)₄^{2 +}被创建。因此,铅的附件(2)离子在改性楝叶最高的pH值6,这表明铅(2)离子的存在是自由的。这表明初始pH值将发挥十分重要的作用的铅^{2 +}离子从溶液。PbOH的干扰⁺Pb(哦)₂和铅₃(哦)₄^{2 +}不再导致铅的降水,这不会导致吸附效率的提高。

观察到的pH值对铅的影响^{2 +}去除效率遵循类似的趋势与观察到的铅(2)离子吸附到各种bioadsorbents如小麦茎(20.)和玉米叶(53]。

在低pH值,吸附剂是带正电荷的,因为 。因此,Pb (II)离子的去除效率是很小的。这个结果归因于带正电的H之间的静电斥力₃O⁺Pb (II)离子和阳离子的吸附是不喜欢酸度不足_PZC(51,54]。因此,当pH值的价值从4个增加至6日水合氢离子的数量是最小化积极Pb (II)离子bioadsorbent的活性部位(图方法7)。所以,去除效率增加,成为最大的6点,这是大于pH值_PZC(6)的吸附剂是带负电荷的pH值。

3.3.2。接触时间的影响

如图8铅的去除^{2 +}增强与接触时间。增量很快最初50分钟的接触时间;之后,继续以较慢的速度以达到饱和。数值,time-removal效率成正比10分钟(85.46%)到50分钟(97.29%)。bioadsorption的速度迅速在最初由于bioadsorbent免费提供足够的表面积。增强后的接触时间,更大量的铅(2)的外表面离子被吸附到bioadsorbent(因为范德瓦尔斯力吸引),并在现有面积减少。

这表明,最初,迅速的外表面发生吸附bioadsorbent后跟内部扩散慢,但这很可能是率定义的步骤。另外,大偏差是由于丰富的表面网站访问和最初相对较高的浓度梯度,导致增加吸附由于大规模运输。50分钟后,很难征服现有空置的表面,由于固体溶质分子之间的斥力和批量阶段。这种情况与Pb的竞争扩散过程有关^{2 +}通过巩膜和其他毛孔。竞争扩散可能会阻止巩膜和停止Pb的入口^{2 +}离子通过完全深处的bioadsorbent最大初始Pb^{2 +}浓度,增加了饱和时间。类似的观察报告Babarinde et al。53)和Pitsari et al。9]。

3.3.3。初始铅(2)离子浓度的影响

铅的去除效率的百分比(II)离子减少,当初始金属离子浓度增加,如图9。有大量的空网站访问在低浓度的铅离子(2)绑定100毫克L¹,给98.81%的去除效率。随着初始浓度的增加,网站会饱和,因此,减少铅的去除效率(II)离子。有一个减少到68.79%当初始铅(2)离子浓度增加到300毫克¹。协议与先前的文献中,显示了重金属离子的初始浓度对吸附过程产生影响(40]。bioadsorbent材料的效率的原因变得筋疲力尽逐渐增加的初始(II)铅离子浓度。这是由于固定吸附剂剂量,现有吸附活性和总网站不足,成为饱和浓度更高。

3.3.4。吸附剂剂量的影响

从图10看到,当bioadsorbent数量从0.1提高到1 g / L, (II)铅离子去除已经从97.7%上升到78.5,分别。这可以被描述为原因,bioadsorbent剂量越高的解决方案,更好的是可交换的活动网站的可用性铅(2)离子。铅的去除^{2 +}增加与吸附剂用量的增加到一定数量,然后,剩下的几乎不变。这是可预见的,因为增加的初始Pb的吸附剂表面和损失^{2 +}的浓度,从而减少传质。因此,0.9 g / L的吸附剂剂量可以作为最佳bioadsorbent剂量进一步优化实验;0.9 g / L后,不会出现重大变化对吸附效率。据张et al。55),建议Pb^{2 +}可能转化为氢氧化沉淀溶解度很低的更高剂量的吸附剂。高剂量可以推进Pb的更积极的网站^{2 +}去除百分比;尽管如此,并不是所有活跃的网站被用来去除重金属由于重叠和聚合。类似的结果使用磁性活性炭[55)和农业吸附剂(56]。

3.4。吸附等温线的研究

常用的吸附机理模型如朗缪尔,弗伦德里希,Temkin用于铅(2)通过化学改性楝生物质混合物bioadsorbent离子去除。朗缪尔吸附等温线是一个重要的单层剥夺被吸附物分子之间的相互作用。吸附的过程发生在特定网站内的吸附剂。每个站点有一个分子的吸附物。吸附剂的吸附物的有限能力的平衡。最后,一个饱和点,不能进行进一步的吸附。在这一点上,所有的网站都是相同的和积极平等(57,58]。

的值和确定为吸附剂的拦截和斜坡线性情节。的值表明实际的实验数据点之间的偏差。因为它可以从图表示11,情节为优化CMNB样本值为0.9791,具有明显的,斜率和截距值。朗缪尔常数测定的值从斜率( )和拦截( )。 和分别为16.891和1.059,计算。

计算值在不同初始铅(2)离子浓度呈现在图12。的CMNB值在0和1之间,表明浓度的等温线是有利的价值研究。作为初始浓度提高,开发价值接近零将有效孔隙扩散吸附过程。

图13显示的情节与各种样品的CMNB是线性的。弗伦德里希常数相关的吸附容量,然后呢 是一个指标的吸附强度(eq。17))。如果该值的 接近1,表明一点浓度变化可以相对影响吸附。值 小于1表明正常和良好的吸附,表面更异构多官能团对吸附有利。此外,高(7.52)值显示更容易吸收的铅(2)离子(eq。17))。

情节有CMNB值为0.9804,具有独特的、斜率和截距值。弗伦德里希常数测定的值从斜率( )和拦截( )。的值 为0.4623,小于1表明正常和良好的吸附和更多的异构表面官能团,有利于吸附。计算是7.57。

图14礼物的价值计算斜坡和拦截Temkin等温线为各种样品,除了线性块与CMNB样本。CMNB吸附容量的增加直接与Pb平衡浓度的增加^{2 +}离子在合成解决方案。这可能是由于增强驱动力和浓度梯度顺利Pb的扩散^{2 +}离子对CMNB的表面。情节有CMNB样本值为0.9675,具有独特的、斜率和截距值。Temkin常数测定的值从斜率( )和拦截( )。 计算是14.879。的值CMNB为3.35。比较不同等温线的CMNB基于他们的值各自的等温线模型,吸附过程遵循弗伦德里希吸附等温线(通过0.9804)的价值。使用化学改性可比的结果描述辣木属鉴定离开Cd (II)的吸附铜(II)和镍(II)研究了Kumar et al。38)和Pb (II)研究了Reddy et al。59]。此外,最适合到弗伦德里希等温线模型实验数据表明异构CMNB表面(60,61年]。

3.5。吸附动力学

在这项研究中,一块的相对斜坡和拦截和 与被用来计算 ,一阶速率常数(图15),二阶速率常数(图16),分别。很可能预测的行为范围的吸附和符合化学吸收作用机制的速率控制步骤。根据相关系数的值 ,pseudosecond-order吸附机制被发现首选动力学模型,并且整体铅(2)离子吸附过程的速度似乎是由化学反应控制。

吸附实验数据的线性拟合的pseudofirst-order和二阶模型显示值为0.9944和1 CMNB的样本,分别(表8)。类似的现象也在铅的吸附(II)离子从生物性像头发角质的材料(HH),绵羊毛皮(SF) [60),吸附镍(II)和锰(II)修改的Ugwuoba蒙脱石粘土(61年]。

4所示。结论

这项工作提出的影响bio-sorbent楝生物质(楝离开和树皮的混合物)铅金属(铅的去除^{+ 2})从水溶液中离子。尼姆离开的最佳混合比和树皮被发现1:3 ( ),混合物是用于化学活化法。的改进有效bioadsorption官能团的数量和面积的bioadsorbent通过基地与后续碱和酸改性预处理。的最佳活化条件被确定为37分钟,120°C,在0.73 M的柠檬酸,结果删除Pb (II)的93.17%。得出结论,激活是有效获取多孔吸附剂和改变的NB的表面化学结构与红外光谱证实,SEM, XRD,打赌。bioadsorption参数导致的最大去除百分比Pb (II)离子被发现在pH值6,接触时间50分钟,bioadsorbent剂量0.9 g / L,最初的金属浓度100毫克L¹。实验数据与弗伦德里希等温线模型( )。根据相关系数的值 ,pseudosecond-order吸附机制被发现首选动力学模型,并且整体铅(2)离子吸附过程的速度似乎是由化学反应控制。基于这些数据,可以得出这样的结论:CMNB是一种有效的候选人通过bioadsorption Pb (II)离子的吸附过程和废水处理的高性能。此外,解吸和再生bioadsorbent分析中得到了印楝叶和树皮的混合物必须考虑未来的研究。

数据可用性

在生成的数据集和/或分析在当前研究可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

作者声明没有直接或间接的经济利益与此相关的工作。

确认

作者要感谢化学工程系,亚的斯亚贝巴科技大学和埃塞俄比亚符合性评估企业提供一些表征仪器进行样品分析和研究提供试验支持,分别。这项研究是由亚的斯亚贝巴科技大学研究生论文工作。