生物无机化学与应用

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体积 2010年 |文章的ID 603978年 | https://doi.org/10.1155/2010/603978

Muataz阿里Atieh俄梅珥Yehya Bakather, Bassam Al-Tawbini, Alaadin a·布哈里法拉吉Ahmad Abuilaiwi Mohamed Fettouhi, 功能化碳纳米管表面羧基官能团的影响从水中铅的去除”,生物无机化学与应用, 卷。2010年, 文章的ID603978年, 9 页面, 2010年 https://doi.org/10.1155/2010/603978

功能化碳纳米管表面羧基官能团的影响从水中铅的去除

学术编辑器:伊恩·巴特勒
收到了 2010年6月22日
修改后的 2010年12月15日
接受 2010年12月22日
发表 08年2月2011年

文摘

从水中去除铅的吸附机制通过羧基官能团(羧基)表面功能化碳纳米管进行了研究。四个独立变量包括pH值、碳纳米管用量,接触时间,搅拌速度进行,以确定这些参数的影响从水中铅的吸附能力。合成多层碳纳米管的形态(热合)是利用场发射扫描电镜(FESEM)和透射电子显微镜(TEM)为了测量碳纳米管的直径和长度。碳纳米管的直径与平均直径变化从20到40 nm 24海里,10微米长。研究结果显示,100%的铅是通过使用COOH-MCNTs pH值7,150 rpm, 2小时。这些高去除效率可能归因于强大的亲和力导致碳纳米管的物理和化学性质。吸附等温线的情节都配备了实验数据。

1。介绍

水资源污染由于重金属的处理已经引起全世界的关注。这些金属的主要来源是采矿、冶金、化工制造、制革厂、电池制造业,化石燃料,现代化学工业主要基于催化剂,其中许多是金属或金属化合物,生产塑料、聚氯乙烯等,涉及使用的金属化合物,特别是作为热稳定剂,等等。的影响重金属如铜、铅、锌、汞、铬、镉对人体健康的广泛调查。铅是环境中无处不在,在高水平是有害的。长期饮用水含有高水平的铅会导致神经系统损伤,肾肾病、精神发育迟滞、癌症和贫血(1]。铅是不可生物降解的,因此必须从水(2]。许多方法已被开发出来并用于去除金属离子废水等粒状活性炭(3,4],粉煤灰[5],泥炭[6),回收明矾污泥(7),花生壳(8),树脂(9],高岭石[10)、锰氧化物(11],沸石[12),和生物材料13,14]。然而,这些吸附剂的金属离子的去除效率较低。因此,研究人员进行了评估新的有前途的吸附剂15]。碳纳米管,碳家族的一员,有新颖的属性,使其在很多应用程序中可能有用的纳米技术、电子、光学、水处理等领域的材料科学。自1991年发现(16),碳纳米管(碳纳米管)吸引了相当多的研究人员的利益因其特殊的机械电气性能、高的化学稳定性,和大型的特定区域(17]。碳纳米管是新的跟踪从水中污染物吸附剂,因为他们有很大的比表面积和小,中空,和分层结构。微碳纳米管(MWCNT)以前用于去除金属离子,如铅、铜、镉、银、镍。李等人。18)报道,碳纳米管吸附效率高铅移除从水和铅高于铜和镉的吸附并显著影响博士谢长廷和Horng19)报道,碳纳米管生长在氧化铝的吸附容量Pb2 +、铜2 +和光盘2 +从解决方案优于活性炭粉、商业碳纳米管和铝氧化物。Kandah和莫尼耶20.)发现镍的吸附2 +氧化碳纳米管是1.24倍商业活性炭叫弥诺陶洛斯。徐et al。21)报道,铅的去除2 +强烈依赖于pH、离子强度和外国离子的类型(22]。

碳表面被氧化生成不仅更亲水表面结构,而且更多的含氧官能团和增加离子交换能力(23]。碳纳米管的比表面积和孔隙比体积增加与HNO氧化后3。粒子大小减少由于骨折,缺陷退出(24]。第一种功能化通常涉及使用酸或氧化剂氧化,导致羧基使职能化的缺陷和碳纳米管的两端25]。在碳纳米管表面的吸附容量增加,pH值系统的酸碱性。pH值是最重要的因素之一,影响碳纳米管的网站的离解和水解,络合作用,金属离子的沉淀。在地表酸性pH值,预计将有一个净正电荷和吸附一些Pb2 +离子。pH值以上,净负电荷存在表面的碳纳米管,促进铅的吸附2 +,因为铅之间的静电引力2 +和碳纳米管的表面。的铅2 +吸附容量迅速增加的pH值在8.5以上,事实上可以解释为Pb的降水2 +从解决方案26]。吸附的依赖与pH值的依赖在碳纳米管表面电荷的pH值(27]。

在这工作的效果修改和nonmodified碳纳米管被用来研究这些纳米材料的影响从水中铅的去除。pH值等工艺参数,碳管的用量,研究了搅拌速度和接触时间为了最大化铅的去除2 +

2。实验

2.1。碳纳米管的生产

试验装置用于合成多层碳纳米管类似报道Muataz et al。28,29日]。浮动催化剂化学气相沉积(FC-CVD)反应堆已经用于生产碳纳米管。碳纳米管在现在的生产工作已经在水平管式反应器进行。卧式反应器是一个石英管直径50毫米和900毫米的长度和热碳化硅加热元件。在这项研究中苯(C6H699.5%纯度)被用作烃源和二茂铁(选举委员会10H1098%纯度)和载气和氩氢冲洗空气从系统。几个实验反应温度从500°C到1200°C。其他条件如反应时间(45分钟)和氢气流量(300毫升/分钟)是固定的。生产的碳纳米管是利用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和透射电子显微镜(TEM)。

2.2。氧化热合

多层碳纳米管(热合)被用于这项研究。MWCNT的纯度> 95%,其内外直径是10 - 20 nm和5 - 10 nm,分别和他们的长度达到10 - 30μm。三百毫升的浓硝酸AnalaR(69%)被添加到2 g的收到基MWCNT。混合回流48 h在120°C。在室温下冷却后,反应混合物和500毫升的去离子水稀释,然后vacuum-filtered通过滤纸(3μ米孔隙度)。这个洗操作会一直重复,直到酸碱成为与去离子水,紧随其后的是干燥真空干燥箱在100°C。这种情况导致去除碳纳米管催化剂和打开管帽以及胎侧孔的形成,紧随其后的是一个沿着墙壁和随之而来的氧化腐蚀释放的二氧化碳。这少剧烈的条件下最小化缩短管子和化学改性然后有限主要的管帽和官能团的形成沿侧壁缺损处。最终产品是纳米管碎片胎侧的结束和装饰着各种含氧集团(主要是羧基组)(图1)。此外,氧化MWCNT表面羧基功能的比例不超过4%,在最好的情况下,其对应的百分比MWCNT结构性缺陷(30.- - - - - -33]。

2.3。股票的解决方案做准备

股票的解决方案是由添加2毫升的铅铅标准溶液的浓度在2 L容量瓶1000 mg / L。储备溶液的pH值调整用氢氧化钠硝酸1.0米或1.0米。最后缓冲解决方案添加到实验期间保持pH值不变。

2.4。批处理模式吸附实验

批处理模式的实验在室温下进行了吸附研究初始溶液pH值的影响,碳纳米管用量、接触时间和搅拌速度对铅的吸附2 +离子。每个实验进行了在容量瓶和Pb的初始和最终浓度2 +分析了用电感耦合等离子体(ICP)。

3所示。结果与讨论

3.1。碳纳米管的表征

多层碳纳米管是由化学气相沉积(CVD)技术。生产的碳纳米管是利用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和透射电子显微镜(TEM)。生产碳纳米管的直径变化与平均直径在20至40 nm 24海里,而碳纳米管的长度是几微米。图2(一个)显示了碳纳米管的扫描电镜图像低倍镜下而图2 (b)显示了碳纳米管的扫描电镜图像高倍镜下。从SEM观察,产品是纯和只有碳纳米管被观察到。

TEM进行描述纳米管(图的结构3)。TEM样品,准备一些酒精落在了碳纳米管膜,然后,这些电影都被转移,用一只镊子碳涂层铜网格。很明显的图像,所有的碳纳米管是中空的,管状的形状。在一些图片,催化剂颗粒内可以看到纳米管。TEM图像表明,高纯度的纳米管,直径分布均匀,不包含在结构畸形,人物3 (b)显示了高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)的碳纳米管。它显示了一个高度有序的晶体结构的问。

3.2。功能化碳纳米管的羧基基团(羧基)

碳管的红外光谱谱显示广泛的高峰~3425厘米−1这是一个羟基的o - h键发出的特征(图4),可以归因于羧基的振荡。表面羧基热合可能是由于碳管的表面的部分氧化净化的制造商。这个特性移动到1736厘米−1,与羧基组观察到的拉伸模式相关的红外光谱酸洗MMWNTs表明羧基组形成由于一些表面碳原子的氧化MWNTs硝酸。氧化热合的红外光谱显示出四个主要的山峰,位于3728,3425,2361,1560厘米−1。峰值为3728厘米−1是由于自由羟基。峰值为3425厘米−1可以分配给O - h键发出的羧基团体(O = C−噢和C−)而达到2361厘米吗−1可以关联到O−H从强烈的氢键−羧基。峰值为1560厘米−1与羧酸盐阴离子拉伸模式。应该注意到,收到基米碳管纯化了的制造商和部分催化金属纳米粒子可能是在净化过程中消除切割碳纳米管帽。因此,羧基团体的存在在这些热合可以预期32,33]。

3.3。pH值的影响

溶液的pH值是一个重要的变量,控制离子的吸附在固体水接口。pH值也被认为是一个重要的参数对金属离子的吸附水溶液,因为它会影响金属离子的溶解度,柜台的离子浓度对吸附剂的官能团,和被吸附物的电离度的反应。当pH值高于pH值的解决方案PZC(零电荷点),表面的负电荷提供静电相互作用,有利于吸附阳离子物种。人们已经发现,零收费”的pH值PZC原始碳纳米管的应用基6.6而M-CNTs pH值与羧基官能团转变PZC(如图3.15)[34]。

pH值的减少导致中和表面charg;因此,阳离子的吸附应该减少。pH值中起着重要作用对铅的吸附2 +离子在碳纳米管上。铅的去除两种类型的吸附剂(修改和nonmodified碳纳米管)各种pH值进行了研究。这些实验不同的pH值从3 - 7所示。降水Pb之间会发生2 +噢,- - - - - -随着酸度超过7.0李et al。35),以避免冲突的结果铅的去除2 +通过碳纳米管或沉淀,我们的实验只在这些条件下进行。图6显示了pH值对铅的吸附的影响2 +,这是作为一个模型的二价金属离子对原始碳纳米管(R-CNTs)和M-CNTs碳纳米管(M-CNTs)。结果表明,引入官能团氧化增加了碳纳米管的离子交换能力,使Pb2 +吸附容量也相应增加。铅的吸附2 +物种随着pH值的增加从3增加到7,但更急剧增加氧化碳纳米管的观察,因为化学金属离子间的相互作用和表面官能团如羟基(-哦),羧基(羧基),和羰基(- c = O)。这些功能基团的表面碳纳米管提高铅的吸附能力2 +在解决方案。低吸附发生在酸性区域(pH值4 - 5)可以部分归结于H之间的竞争+和铅2 +离子在同一地点。此外,碳纳米管的表面变得更加消极与pH值的增加,导致静电相互作用,从而导致更高的金属吸附物种。结果表明,铅的吸附增加溶液的pH值增加从使用R-CNTs和M-CNTs 4到7。最大的铅2 +通过使用R-CNTs pH值7 87%,铅的去除在酸性pH值4和5是零,因为地区原始碳纳米管的表面变得更加中和和负电荷提供静电相互作用,有利于吸附铅2 +物种。的最大去除铅通过M-CNTs pH值在100% 7。在低pH值(4和5),从解决方案通过使用铅的去除M-CNTs 17岁和25%,分别。据报道,在酸性区域会有H之间的激烈竞争+和铅2 +,这将减少铅的去除能力的官能团。它可以观察到,从水中铅的去除采用M-CNTs巨大高于原始碳纳米管由于电离一步在碳纳米管表面的官能团。

本研究表明,碳纳米管的表面修饰不仅可以使它更带负电和亲水性,但也可以形成各种官能团,大大促进铅的吸附2 +在修改后的碳纳米管。的官能团酸/碳纳米管的氧化提高了离子交换功能和Pb增加2 +相应的吸附能力。

3.4。接触时间的影响

通过保持碳纳米管用量、搅拌速度和pH值恒定值,发现铅吸附有积极结果的时间。图7表明,Pb的数量2 +吸附到原始碳纳米管(R-CNTs)和改性碳纳米管(M-CNTs)迅速增加在一开始10分钟。随后,吸附率逐渐上升,Pb 30和60分钟后达到平衡2 +通过使用(M-CNTs)和吸附(R-CNTs),分别。已经观察到,会有轻微增加铅的去除2 +R-CNTs 60分钟后。达到平衡所需的时间短表明,Pb M-CNTs有非常高的吸附能力2 +浓度的测试和Pb的巨大潜力2 +吸附剂的应用程序。

3.5。搅拌速度的影响

铅的搅拌速度对吸附容量的影响已经被研究了不同搅拌的速度从50到150 rpm(如图8)。已经观察到铅去除略微增加的百分比增加搅拌速度。这是由于这样的事实,搅拌速度的增加提高了铅离子的扩散对吸附剂的表面和降低搅拌时的传质阻力增加,提供更快的外部质量传递Pb2 +从而使更多的吸附能力。

3.6。碳纳米管用量的影响

批量吸附实验是由使用不同数量的R-CNTs和M-CNTs从5到80毫克pH值,搅拌速度,和接触时间是7点固定,150 rpm,分别和120分钟。已经指出,通过增加碳纳米管的数量到解决方案的领导增加。利用M-CNTs去除达到100%通过添加10毫克,而通过使用R-CNTs最大去除铅100%后添加80毫克的吸附剂的可用性可能是由于吸附网站(如图9)。除此之外,越来越多的实验研究是由使用M-CNTs pH值6发现以来的最佳用量最大的领导在10毫克的pH值是100。发现的最大去除铅100%在160毫克的M-CNTs添加(如图10)。到一个特定的值,没有进一步增加吸附金属离子发生的百分比增加CNT质量。

3.7。弗伦德里希和朗缪尔等温线模型

吸附等温线的分布数学模型描述液体和吸附剂之间的物种被吸收的物质,主要是基于一组假设异质性/吸附剂的同质性,相关报道的类型,和被吸附物物种间相互作用的可能性。朗缪尔模型假定没有被吸附物分子之间的相互作用和吸附单层本地化。弗伦德里希等温线模型实证关系描述溶质的吸附从液体到固体表面,并假设不同的网站和几个吸附能量。

在全食,弗朗缪尔等温线相关报道或吸附在固体表面的分子气体压力或介质的浓度高于固体表面在一个固定的温度。Pb的实验数据2 +吸附在碳纳米管在不同pH值可以近似的朗缪尔等温线模型(1)和弗伦德里希(2): 在哪里 是平衡铅浓度(毫克/升), 吸附量(毫克/ g),然后呢 是朗缪尔常数相关的吸附容量和吸附的能量,分别为: 在哪里 弗伦德里希常数相关的吸附容量和吸附强度,分别。

方程(1)和(2)可以写成

3.7.1。朗缪尔和弗伦德里希吸附等温式模型

从表可以看出1朗缪尔和弗伦德里希模型显示良好的协议与实验数据,相关系数值为0.9731和0.9971,分别。图11介绍了线性、朗缪尔和弗伦德里希等温线Pb的情节2 +吸附在M-CNTs pH值6因为R-CNTs显示了铅的吸附率低2 +在低剂量的碳纳米管。平衡数据拟合很好吸附等温线。因此,这表明单层覆盖Pb的适用性2 +离子吸附剂的表面。这是由于这样的事实:金属吸附的碳纳米管具有更大的表面积。朗缪尔的好相关系数和弗伦德里希等温线也表明,Pb2 +离子吸附M-CNTs表面。因此,证明碳纳米管有很大的潜力成为一个好的吸附剂对铅的去除2 +离子在水处理22]。


朗缪尔 弗伦德里希

6.6 0.0704 0.9731 1.6437 0.6041 0.9971

3.8。建模的动力学吸附

动态数据建模是工业应用的基本吸附因为它给信息进行比较在不同生物材料在不同操作条件下设计和优化操作条件对污染物去除废水系统(22]。

吸附动力学的研究应用于描述吸附物吸附率和这显然率控制在固液界面吸附物的停留时间。为了评价铅的吸附机理2 +碳纳米管,一阶方程,pseudo-second-order速率方程,和二阶速率方程计算了以下方程,分别为: 在哪里 在平衡的吸收能力, 的吸附能力(毫克/ g), 是Lagergren吸附速率常数(1 /分钟) 的速率常数是pseudo-second-order吸附(g·毫克1·敏1), 是时间(分钟)。

的线性情节日志( )与 , ,1 / ( )与t上面的方程, , , 可以确定从山坡上和拦截。

动力学研究获得的信息通过使用剂量的影响(千)在三个不同的时间间隔25°C到120分钟。不适用,因为符合一级动力学方程 比较小, pseudo-second-order方程。因此,pseudo-second-order方程用于本研究以探讨铅的吸附机制由碳纳米管和潜在的速率控制步骤,如质量输运和化学反应: 在哪里 的吸附能力平衡和时间(毫克/ g),分别和K2的速率常数是pseudo-second-order吸附(g·毫克1·敏1)。的边界条件 的集成形式(8)成为 这有一个线性形式: 综合形式的方程 在哪里 (g·毫克1·敏1)可以被视为初始吸附率 ;因此 如果pseudo-second-order动力学是适用于实验数据,的情节 和时间(11)给出了一个线性关系 , , 可以确定的斜率和截距情节,分别。

3.9。铅的吸附动力学模型

动力学吸附模型已经完成了铅在酸碱6代替7避免冲突的结果,因为铅沉淀的可能性的pH值7。建模的参数如表所示2


吸附剂(10毫克) (毫克/克) (g·毫克1·h1)

R-CNTs 0.30672 8.0439 0.9934
M-CNTs 2 9.7273 0.9998

的情节 和时间(图12)收益率很好的直线(相关系数, R-CNTs和 M-CNTs)。从这个(图获得的二阶速率常数12)是R-CNTs 8.0439和9.7273 (g·毫克1·h1M-CNTs)。二阶速率常数表明时间达到平衡浓度的铅2 +不使用M-CNTs与R-CNTs相比。平衡吸附容量 从图也意味着M-CNTs获得更高的吸附容量( 毫克/ g) R-CNTs相比( 毫克/克)。然而,符合一级模型没有提供好的适合数据( )。

4所示。结论

碳纳米管被发现是有效的对铅的吸附2 +在水溶液。Pb的表征2 +吸收表明铅绑定依赖于初始pH值、搅拌速度、剂量,和接触时间。吸收比例增加而增加的pH值酸碱4 - 7所示。最佳酸度在本研究发现7删除Pb,它给了87%2 +通过使用R-CNTs和100%的铅离子2 +通过使用M-CNTs从水溶液离子。吸收比例搅拌速度的增加略有增加50到150 rpm, 150 rpm的给稍高去除铅,而铅的去除百分比2 +观察是最佳的碳纳米管的高剂量,10毫克的M-CNTs贡献100%的铅2 +

确认

作者(年代)要感谢提供的支持阿卜杜勒阿齐兹国王科技城(KACST)通过科技单位法赫德国王大学的石油和矿物(KFUPM)资助这项工作通过项目没有。08-NAN91-4作为国家科学、技术和创新计划。

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