文摘
炭质吸附剂,活性炭(AC)和生物无机的纳米复合材料(MAC),准备使用Dalbergia sissoo木屑作为废弃物生物质,在这项研究中。吸附剂都以红外光谱、EDX、SEM、XRD、TG / DTA、表面积和孔径分析仪。使用的吸附剂是一种抗生素,强力霉素(DC)抗生素,从废水为了减少负载抗生素工业废水,因此耐药性问题。最初,吸附剂的有效性确认使用批处理,等温吸附实验模型像朗缪尔,弗伦德里希Temkin,约万诺维奇,Harkins-Jura利用管理的最大吸附容量交流和MAC而准一和二阶动力学模型被用来估计的值不同的动力学参数。朗缪尔模型最适合平衡数据而pseudo-second-order动力学模型最好修剪动力学数据。的pH值对吸附的影响也是评估最大去除观察吸附剂的pH值5和7之间。温度对吸附的影响是评价熵变(Δ年代0出来有一个数值正值而(Δ吉布斯自由能变化G0)和焓变化(ΔH0)为负表明自发的性质和过程的可行性。的膜分离技术正在迅速取代传统技术但同时患上了膜污染的问题。作为预处理,AC和MAC是用于混合动力超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)膜而渗透通量和百分比保留直流比较裸膜操作和AC /膜和MAC /膜过程。MAC /膜过程的渗透通量大比AC /膜和裸膜过程显示生物无机的复合犯规控制的有效性,因此复苏废水的直流。超滤膜较低的百分比保留与NF和RO膜。提高百分比保留超滤/ AC,超滤/ MAC, NF / AC, NF / MAC, RO / AC和RO / MAC观察。生物无机的复合MAC包含磁性氧化铁后有效地除去泥浆使用通过磁过程和高渗透通量的主要原因在MAC /膜操作。
1。介绍
制药化合物不断被添加到从医药行业环境,医院污水、兽医卫生保健中心,国内废水1)有负面影响在水生动物和能增强耐药性的问题等微生物生活在水域与时代根据抗生素包含适应改变的环境。强力霉素(DC)是一个目标两种革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的抗生素用于盆腔炎性疾病的治疗,梅毒,慢性前列腺炎(2]。人类和动物的身体内,直流并非完全代谢代谢(20 - 50%),其余是一成不变的排泄到环境中。这就是为什么直流屡次发现的遗骸在地表水、地下水,甚至在土壤3]。已经证实,即使是低水平的联系直流水生光合微生物死亡,当地的微生物种群,在微生物耐药基因的传播(4- - - - - -6]。许多二手了抗生素和重金属去除方法从水生环境如高级氧化、臭氧氧化、离子交换、沉淀、吸附、膜混合方法(7,8]。在这些方法中,吸附的策略是高效、操作方便、廉价和没有风险的有毒副产品(9]。因此,它可以作为最活跃的方法之一,抗生素和其他污染物的去除水生环境。clay-biochar等各种吸附剂改性纤维素纳米纤维、硅胶、沸石和稻壳已经使用了抗生素去除从水生环境(10,11]。活性炭具有较高的表面积,因此,最有效的吸附剂。然而,由于重量轻,再建立时间在反应堆和一个必须等待几天分开后浆在工业中使用。去除这种不一致,许多研究人员准备了生物无机的想法包含磁性氧化物复合材料等复合材料有一个类似的表面积活性炭,由于他们的存在氧化后可分离浆使用通过磁铁的应用12]。
上述方法是传统方法并不快速,需要时间。另一方面,膜技术的快速方法,可以使用符合的快速回收工业废水(12]。等不同膜超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)用于不同污染物的去除。然而,膜多孔结构的孔可能被污染物有大小大于沉积膜孔可能是由于浓差极化和吸附。这种现象被称为膜污染。为了确保膜行业的有效使用,活性炭(AC)方法被研究人员建议。最初,人们认为如果活性炭进入膜系统,这将不会影响到膜效率但后来负面观察活性炭对渗透通量的影响。为了解决这个问题,Zahoor等人利用磁性氧化物/ AC复合预处理,提高渗透通量被观察到。由于磁性特征,这种吸附剂的入口进入膜结构是停止通过使用的磁铁13- - - - - -15]。在目前的研究,两个碳质吸附剂AC和生物无机的复合MAC的锯末Dalbergia sissoo并应用从废水预处理有效去除直流直流控制膜污染煽动的行业。
2。实验装置
直流C有公式22H24N2O8(图1;摩尔。重量= 444.44克/摩尔;λ马克斯= 275海里)是合成四环素的导数,辉瑞公司在1970年推出了(16]慷慨捐赠的Medi-craft行业,是阿贝德KP,巴基斯坦和使用没有任何更细化。它开发了第二代抗生素的毒性降低父母的第一代四环素通过替换的5β- h与哦组和6α通过H -哦。
2.1。吸附剂的制备
的准备Dalbergia sissoosawdust-based AC和MAC,生物质原料从本地机是在巴焦尔机构,巴基斯坦,在烤箱烘干,并进一步磨成细粉。在准备交流,没有预处理是一个特别设计的应用和点燃室在氮气氛的;而在MAC准备干粉末应用的预处理,包括粉末沉浸于400毫升硫酸铁和氯化铁(200毫升)然后扩散100毫升氢氧化钠在一滴一滴地从滴定管70°C。混合物被带到的pH值中性通过与蒸馏水反复冲洗。在烤箱,烘干后产生的质量是点燃按上述程序。黑色的吸附剂(AC和MAC)获得被保存在密封的瓶子,直到他们在有针对性的实验中使用。
2.2。吸附剂的表征
准备的交流和MAC等吸附剂使用EDS分析元素成分X-sight仪器(JEOL美国地产- 5910)。中的官能团AC和MAC使用珀金埃尔默了红外光谱仪器(从400 - 4000厘米−1)。AC的形态学和MAC使用扫描电镜研究,模型房子59 JEOL,日本。XRD模型jdx - 3532 JEOL、日本在MAC用来证实磁铁矿和磁赤铁矿。热重和差热分析进行了使用热重分析仪(TG珀金埃尔默成堆钻石系列,美国),800°C。吸附剂的颗粒大小,毛孔的表面区域分布,从而确定使用一个NOVA2200e类型的分析仪,Quantachrome,美国。
2.3。批量吸附实验
批量吸附最初应用于吸附等温线和动力学参数估计,而同样的方法被用于估计热力学参数和优化吸附剂用量,等。在几乎所有提到的实验中,50毫升固定直流集中的解决方案是联系在250年与吸附剂的定额烧瓶除了等温研究不同浓度的直流(20 - 300 mg / L)在50毫升容量联系固定数量的吸附剂。在优化pH值,混合物的pH值调整/要求(2)0.1 M盐酸/氢氧化钠;同时优化吸附剂用量、吸附剂的数量改变了从0.01到0.15 g。以防动力学实验中,样品被撤回在不同的时间间隔(0 - 240分钟)。研究了温度效应(估计热力学参数)在293 - 333 K范围内。瓶速度在所有实验中是170 rpm。每个实验完成后,剩余的直流集中的解决方案是通过UV / Vis分光光度计(T-60、PG、英国)275海里。选择抗生素吸附的量,因此,其百分比删除记录通过以下关系17,18]:
在方程(1)和(2),C我代表初始浓度,Cf最后的平衡浓度的抗生素使用,V为解决卷(l),米交流的质量(g)和MAC。
等温数据的验证、朗谬尔弗伦德里希,Temkin,约万诺维奇和Harkins-Jura使用而准一,二阶,幂函数,Natarajan-Khalaf,应用了intraparticle扩散动力学数据的最佳匹配。
2.4。健壮的去除直流与膜,没有预处理的吸附剂
最初,所有的三个膜(超滤、NF和RO)安装在钢支架与蒸馏水冲洗30分钟每个要注意对水膜的固有电阻;然后,100 mg / L直流的解决方案是通过从每个膜分别要注意其%保留,因此他们的污染影响的渗透通量的减少,使用以下公式(19]:
在这些方程,Cp和Cb浓度(毫克/升)代表直流渗透和饲料中,即大部分,分别J代表了渗透通量,一个给定的膜的面积是m2,V在L,渗透的体积,t是时间。
作为预处理,AC和MAC在特定比例混合饲料批量优化在批实验中,在不断搅拌反应器,平衡之后,成就是信道成膜和上述参数方程(3)和(4)计算。MAC,由于其磁特性,平衡后被阻止进入膜模块。膜使用的特征属性表S1而一个草图的试验工厂在图给出S1。
3所示。结果和讨论
3.1。吸附剂的表征
准备生物无机的复合MAC和父母的交流材料的特点是各种仪器技术比较形态学和结构两者之间的差异。红外光谱谱通常被用来确定吸附剂的表面官能团在图所示2(一)和2(b)。C≡C伸展是明显的峰值出现在2250年至2300厘米−1而地组的存在被证实的峰值出现在3200年和3400年之间厘米−1。异硫氰酸盐的存在可以从峰值证实在2150厘米−1。亚甲基组拉伸观察到2900厘米−1。甲氧基/甲基醚拉伸出现在1850厘米−1。醛基的存在很明显的峰值在1700 - 1800厘米−1而一个峰值1580至1675厘米−1显示了C = C伸展在AC。有机酸根的存在被认为在1370年达到顶峰,1420厘米−1。芳香拉伸出现在1510 - 1450厘米−1。最重要的峰值为700厘米−1在MAC Fe-O债券确认氧化铁复合结构的沉积。选择抗生素吸附后直流的相互作用改变了吸附剂的峰值位置如图2(c)和2(d)表示吸附剂和被吸附物之间的积极互动。在我们之前的出版物,尽管这种变化的观察,在这里,交互是更有利的,导致了高吸附能力,从而更好的对犯规的影响控制在膜过程20.- - - - - -22]。吸附剂和被吸附物的官能团之间的交互中扮演重要角色的回收污染物的水环境。转移时许多官能团的峰后吸附的污染物,被认为是更有利的交互系统相比,变化并不剧烈。在我们之前的研究中,相比没有显著变化观察到当前的研究。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
(j)
(k)
(左)
(m)
(n)
(o)
(p)
(问)
(右)
作为我们的研究目的是准备一个磁性复合,因此,进行元素分析证实铁的存在尤其是在MAC和还比较的元素组成,父母再交流(数字2(e)和2(f))。的主要成分是碳和氧交流而少量的钙、镁、磷和明显的广泛和小峰,分别。铁峰的MAC EDX光谱证实了沉积表面的氧化铁交流,导致低碳内容MAC相比AC。MAC元素光谱还表示元素(如氯、氧和低钙的比例。
表面形态形象化,SEM照片被AC和MAC(数字2(g) -2(j))。SEM AC的象形图显示多孔结构,骗子和扁平的边缘不规则地分布。类似的多孔结构的MAC是显而易见的从给定的数据而额外点散布在MAC代表立方晶体铁的表面3O4。
所有不被磁铁吸引铁氧化物。只有磁铁矿和磁赤铁矿被磁铁吸引。确认MAC的磁特性,进行了XRD分析。交流是一种无定形物质不能给任何XRD谱峰值而在MAC立方氧化铁晶体在其结构导致x射线衍射光谱的峰值(数字2(k)和2(左))。山峰在2θ36:29日,38岁和50 MAC光谱对应的折射率:220年,311400年和422年,分别确认磁铁矿存在于复合结构。
交流的热稳定性是评价通过TG / DTA分析如图2(m)。在5.441毫克的最初拍摄质量,有60%的损失60°C实际上的损失吸收水第二质量损失50.35%,从60到450°C,最有可能代表了生物质中纤维素和半纤维素的分解。第三质量损失33.99%,在最后一个部分的光谱是由于生物质转化为碳和灰分。最初的质量为5.663毫克的MAC当受到TG / DTA分析;观察3%损失从0加速到60°C,如图2(n),它实际上是水的蒸发了7%的损失观察从60到318°C的热降解纤维素的复合材料。观察第三质量损失(58%)高于318°C,碳质残留物形成发生在铁的概率3O4转换FeO说。
打赌,BJH块AC(49.53和21.76米2/ g)和MAC(18.63和41.97米2/ g)数据所示2(o) -2分别(r)。高表面积的AC值相比,MAC是铁的浸染的结果3O4在MAC上表面,导致低碳内容在MAC的等效质量。BJH孔隙分布表明,孔隙体积和孔隙半径AC,分别等于0.019 cc / g和16.11º而对于MAC他们0.016 cc / g和14.85º,分别为(23- - - - - -25]。
3.2。等温研究
执行这种类型的研究,得到一个洞察吸附过程和估计参数如吸附容量由给定的污染物,形成单层或多层等不同模型所决定的实验部分。
3.2.1之上。弗伦德里希等温线
这个模型是基于一个经验方程,最有利的描述了异构吸附系统和假定活动分布指数对于一个给定的吸附剂吸附网站。方程是应用在许多不同的形式,但最常用的是线性形式被用于这项研究[26]:
缩写在这个方程表示如下:问e(毫克/ g)是直流的数量被吸附剂吸附,KF(L /毫克)的吸附容量是AC和MAC,和1 /n吸附强度。后两个参数计算的斜率和截距相应的图在图3(一个)而表1总结了其估计的值。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
3.2.2。朗缪尔等温线
这等温线更可能描述了单层吸附过程,据推测,吸附剂具有有限表面活性的网站统一维度,和订婚后污染物分子,没有预计从外侧吸附分子相互作用[27]。方程(6)代表这个模型的线性形式:
参数方程表示如下:问e(毫克/ g)是抗生素的平衡吸附量,Ce后剩下的浓度(毫克/升)得到平衡,问马克斯的最大吸附剂去除能力在毫克/克,而Kl朗缪尔常数。最后两个参数估计(表1斜率和截距),分别从给定的图在图3 (b)。
3.2.3。Temkin等温线
这个模型(方程(7)具体描述了吸附热的变化被认为是减少线性吸附的发展(28]。
的因素β是一个复杂的数字,我数学等于RT / b而在这个关系R等于8.314 J /摩尔。Knumerically and is the universal gas constant,T在开尔文温度吗b代表相关的热吸附过程。图3 (c)代表的图形形式方程斜率在哪里β和拦截=βlnα(表1)。
3.2.4。约万诺维奇吸附等温式
朗缪尔等温线实际上是一个修改形式模型提出了方程(8),与此形成鲜明对比的是认为一些机械协会之间的吸着剂和山梨酸酯(29日]。
除了KJ以上配体的定义,其价值可以确定图的斜率3 (d)随着问马克斯从其拦截(表1)。
3.2.5。Harkins-Jura等温线
这等温线是异构系统多层形成的可能性很高。方程(9)代表其线性形式30.]。
给定的参数问e和Ce而其余之前已经定义BH和一个H常数得到的斜率和截距图如图3 (e)(估算值在表1)。
3.3。吸附动力学研究
工业,吸附过程的动力学是非常重要,因为一个提示污染物节省时间和经济复苏的主人。动力学已经评估了两种不同浓度(50和100 mg / L)。
图4(一)是关于平衡时间已达到2 h的吸附剂;然而,大多数的过程已经完成最初的30分钟由于高可用性吸附网站,然后逐渐减少,直到达到一个平衡,吸附和解吸率相等。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
从上面的实验数据拟合为以下方程的线性形式符合一级模型(31日]。
K1(1 / min)是一阶常数,问e上面已经定义,然后呢问t直流吸附在任何时候的数量吗t,前两个参数的值在表2斜率和截距的计算图如图4 (b)。
相同的数据也插入符合一级方程(方程(11)),主要应用于解释化学吸着物之间的相互作用和吸附剂吸附过程是最有可能参与(32]:
除了K2这是一个二阶方程常数,计算从拦截(表吗2鉴于在图)的阴谋4 (c)所有其他参数方程(11上面定义的。
动力学常数以及其他参数表2显示的回归系数值2nd顺序模型非常接近1显示化学互动参与直流由吸附剂的吸附。
要理解底层吸附机制,intraparticle扩散模型(方程(12))。通常,吸附是一个两步的过程在第一步解决表面孔隙的山梨酸酯转移而在第二个这是一个缓慢的一步山梨酸酯渗透到毛孔通过扩散33]。
在这个方程,Kdiff(毫克/ g.min1/2、表2从斜率(图)可以估计4 (d)),C边界层厚度是恒定的提供信息,可以从给定图的拦截,而估计问t已经在其他模型中定义。
另一个模型的幂函数模型也被应用在数学上表现为方程(13)修改的弗伦德里希模型(34]。 这里的“一个”表示初始速率,可以拦截的估计数字4 (e)而“b“代表了反应速率,在表2,估计从提到图的斜率。
Natarajan Khalaf)的模型也适用于下面的线性形式(35]。
Co(毫克/升)在这个方程初始浓度在开始实验之前,Ct(毫克/升)的浓度t,KN从日志的斜率常数估计(Co/Ct)对t图(图4 (f))。
3.4。pH值对吸附的影响
图5(一个)表明有直流吸附率的变化当pH值被改变从2到12。几乎类似的趋势在pH值依赖吸附剂的观察。pH值范围5 - 7,记录最大吸附而在低pH值山梨酸酯和吸附剂都带正电,导致较低的吸附率,即两者之间,由于负面的互动作为预测从红外光谱谱和直流物种形成图在图6 (b)。同样,负电荷优势在高pH值从图也很明显5 (b)(36];这就是为什么最佳吸附中性pH值附近已经发生。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
3.5。吸附剂量的影响
吸附剂的影响测量图5 (c)表明发生了最大吸附量为0.1 g,然后使用在几乎所有随后的实验。最初的增加吸附率与吸附剂剂量的增加可能是由于活跃的网站激增而高于最适剂量没有带来任何进一步增加由于缺乏直流分子在溶液中固定浓度的解决方案是使用[37]。
3.6。热力学过程的
对于给定流程/反应的热力学因素是重要的,因为他们给最重要的信息,如自发性和可行性的过程,和范霍夫关系(方程(15)用于达到这些重要信息中提到的∆H°(焓变),∆S°(熵变),和∆G°(吉布斯自由能的变化)38]。
K在这个关系是分区可以估计为常数K= ,R是一般的气体常数(8.314焦每摩尔),然后呢T代表开尔文温度。∆Ho和∆年代o估计从图5 (d)(分别从斜率和截距)。Δ估计的关系Go可以得到如下:
提到的所有这些估算值参数总结在表3。
迹象的这些参数,推导过程是放热的,自发的,热的和可行的,而吸附是推断的化学相互作用参与吸附的直流(39]。
3.7。直流清除从没有和吸附剂预处理方案
膜的多孔性障碍,可以有效或排除某些分子视为污染物如果他们从工业界获得进入水体。每个膜都有一个特定的排阻极限根据其孔隙直径和污染物分子的大小。正如前面提到的,他们是直接安装在排水线系列和便携式水是来自工业污染水域内的秒。然而,排除的积累产生的浓差极化分子这些多孔隔间污染是一个主要的原因导致堵塞膜,即。药效,影响膜(13- - - - - -15]。
从数据内在膜电阻是清楚的6(一),6 (c),6 (e)(分别为超滤、NF和RO膜),观察一个初始渗透通量下降的最初30分钟可以属性H+ 1噢,−1离子相互作用的膜很清楚从电导值使用的蒸馏水(6.3×10−6sm−1)。时间是那么稳定后的通量。通量的下降在直流更明显,这些数字所示的超滤膜的吸附膜上的直流预期也很容易将碘传递的分子量截止膜大于直流分子的大小。这个膜的孔隙大小但渗透浓度差和散装透露其吸附膜堵塞了毛孔和通量的下降可能是原因。NF和RO膜的通量下降由于直流更明显比超滤操作这些膜的孔隙很小,由于浓差极化效应,毛孔被阻塞。
数据6 (b),6 (d),6 (e)显示所带来的改善吸附剂的预处理。改善更明显的MAC与直流平衡后反应器是通过磁铁而没有可能性AC阻止其进入膜模块;因此,尽管低表面积,MAC带来了更好的改进。
3.8。百分比保留直流有无吸附剂预处理
直流百分比保留没有吸附剂预处理从10到12%了,与交流提高到51%和56%,MAC如图7(一)。数据7 (b)和7 (c)95%和98%保留直流无预处理提高到100%的吸附剂。然而,应该注意的是,这个实验仅仅是出于比较目的,因为我们知道这两个的分子量截止膜非常小于直流大小(13- - - - - -15]。
(一)
(b)
(c)
4所示。结论
磁性吸附剂流行是由于从泥浆用后删除的可能性。在这项研究中,尝试控制直流在膜系统的污染效果如果安装的删除在制药行业。sawdust-based吸附剂AC及其对应的MAC准备,通过不同的仪器技术特点。吸附参数估计使用批处理吸附方法。吸着剂被应用在佛罗里达大学犯规控制代理,NF, RO膜是由直流造成的。提高通量观察与MAC由于其磁性质。与其他污染物在这一点上还需要进一步的实验来验证的MAC方法实用性膜行业的流程。
数据可用性
所有可用的数据纳入女士可以获得相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢研究者支持项目数量(负责- 2021 - 45)在沙特国王大学,利雅得,沙特阿拉伯的金融支持。
补充材料
表S1:佛罗里达大学的特征属性,NF、RO膜。图S1:试验厂草图。(补充材料)