评估治疗咖啡废物去除铬(VI)的水介质

文摘

工业排放含有重金属对水生生态系统和人类健康存在几个问题。在这种背景下,本研究旨在评估潜在的生花咖啡渣去除铬水介质。咖啡渣的结构和结构的研究是由红外光谱、XRD和TGA分析。最优条件的铬(VI),解决方案的初始浓度100 mg / l,吸附剂剂量2.5 g / l, pH值4.0,接触时间90分钟。朗缪尔等温线的吸附平衡结果表明,最好的描述了过程的吸附容量42.9毫克/克,吸附动力学遵循pseudosecond-order模型。计算热力学参数表明,吸附是放热的,自发的。活化能值(E_一个保留在本质上是physisorptive)表示。吸附剂的再生是由三种洗脱液,其中盐酸是最好的。最后,一个简短的成本估算显示的巨大潜力的咖啡渣作为低成本吸附剂。

1。介绍

城市化、工业化和全球化正在导致水污染增加(1]。水污染是科学家面临的最重要问题之一。主要水污染物中,铬是最高优先级的有毒污染物,根据美国环境保护署(2]。在自然界中,通常有两种氧化态铬、铬(III)和铬(VI) (3]。铬(III)更少的有毒和对人体至关重要(4]。铬(VI)的毒性远高于铬(III)。铬(VI)是有毒、致癌和致突变的和相关的植物生长,植物形态学的变化(5]。铬(VI)通常用于生产颜料、金属表面处理的,在化工行业作为氧化剂(6]。未经处理的废水从这些行业可能包含10到100 mg / L的铬(VI) (7]。根据目前世界卫生组织的标准(8)、铬(VI)的容许浓度的饮用水是0.05 mg / L和0.1 mg / L地表水。铬(III)的浓度5 mg / L是容许限度。因此,铬(VI)的去除废水是非常重要的环境安全、清洁。为此,几种方法已经被使用,例如,过滤、电化学沉淀和离子交换9]。这些过程有许多局限性如高成本,形成有毒的副产品,和生产的污泥10]。与他们相比,吸附已被证明是有效的在经济和操作条件(11]。不能使用商业活性炭在废水处理的情况下,由于它的高成本和困难的再生(12]。出于这个原因,相对有效,便宜,而且容易获得替代今天在高需求(13]。研究集中在使用bioadsorbent浪费,例如,浪费土豆皮(14),Lathyrus巨大成功皮(15],橘子皮[16],茶浪费[17],稻壳[18),柑橘皮(19),Cortaderia selloana花(峰值20.),大蒜稻草(21],粟壳[22),玉米(23),和橄榄蛋糕浪费24]。然而,缺乏研究的使用了咖啡渣(SCGs)作为吸附剂。咖啡是世界第二石油后最重要的大宗商品,最大的农产品的体积(25]。根据国际咖啡组织,每年世界咖啡产量达74亿公斤。主要生产商巴西(40%)、越南(20%)、哥伦比亚(10%)、印度尼西亚(7%)、埃塞俄比亚(5%)。几乎所有的这些数量作为固体废物排放26]。维持价格的残留提出了非常重要的环境和社会经济优势。本研究是这种观点的一部分,包括检查的可能性SCGs从水介质去除铬(VI)。等温线的参数、动力学和热力学分析,以及影响吸附的因素。此外,再生SCGs和成本估算是指使用SCGs作为吸附剂的成本效益。

2。材料和方法

2.1。准备和描述的吸附剂

SCGs用于本研究收集的自助餐厅在城市梅克内斯(摩洛哥)。原料与热洗几次蒸馏水(60°C),然后在105°C烤箱干24小时。干燥的产品然后通过筛子保留< 250的晶粒尺寸μm,并储存在干净、干燥玻璃烧瓶。所有实验中使用的吸附剂是没有任何进一步的治疗。吸附剂的描述解释吸附机制是一个重要的因素。本研究中使用的原始SCGs受到几个测量。

红外光谱:化学官能团,现在从表面上看,是由傅里叶变换红外光谱学,使用一个红外光谱仪(日本岛津公司,JASCO 4100)。样本分析的很好干KBr丸约4% (w / w)。光谱被记录从4000年到400厘米⁻¹4厘米的一项决议⁻¹和16个扫描每个样本。

矫正性大动脉转位:热重分析进行TA60日本岛津公司设备。测量进行了20毫克样品,25到600°C,一个线性增长10°C / min在露天。

XRD:的结晶阶段SCGs被x射线衍射评估使用衍射仪(Brucker-AXS D8)铜管(λ= 1.5406)。产生的辐射在40 mA和40千伏。2的衍射角θ从10°- 70°测量步长为0.04和1 s的每一步。

pH值_pzc:零电荷点由盐添加技术(27]。在一系列的烧杯包含40毫升的氯化钠溶液(0.1米),大量的0.2克SCGs已被添加。pH值_我调整了盐酸溶液(0.1米)和氢氧化钠(0.1米)。pH值_f24小时后测量值。pH值_PZC得到从ΔpH的情节(= pH值_f−pH值_我)与pH值_我在ΔpH = 0。

2.2。制备铬(VI)的解决方案

在这项研究中,分析质量重铬酸钾K₂Cr₂O₇(西格玛奥德里奇。每年≥99.0%;分子量294.19克/摩尔)被用来准备一个储备溶液溶解铬(VI)的2.828 g 1000毫升蒸馏水。实验方案,得到了所需的浓度,用蒸馏水稀释股票的解决方案。

2.3。吸附实验

批处理模式进行吸附试验和在室温下。一剂SCGs混合着20毫升的合成在50毫升烧杯铬(VI)的解决方案。风潮是由电磁搅拌器在200 rpm。的影响的不同参数对去除铬(VI)研究了变接触时间(5 - 180分钟),pH值(1 - 8),吸附剂剂量(0.5 7 g / L),和温度(25 - 50°C)。吸附动力学进行研究解决浓度为100 mg / L 4 pH值和最优吸附剂剂量的2.5 g / L,在不同的温度下(20、25、30和40°C)。吸附等温线实验通过联系固定剂量的SCGs (2.50 g / L)与20毫升的铬(VI)解决方案不同初始浓度从10到200 mg / L 4 pH值和温度25°C。

每次实验后,吸附剂被离心分离解决方案在3000 rpm为20分钟。铬(VI)的残余浓度溶液中测定的紫外/可见光光谱仪(日本岛津公司,UV1240),使用1 - 5 diphenylcarbazide作为络合剂在酸性介质在波长540纳米。吸附量的铬(VI)问_t(毫克/克)和去除百分比R_t(%)是由以下方程(28]: 在哪里C₀铬(VI)初始浓度和吗C_t浓度在时间吗t(毫克/升),V是溶液体积(L),米吸附剂的质量(g)。

为了评估性能和动力学和等温模型的有效性,确定系数(R²)和卡方检验(χ²)使用29日]: 在哪里问_卡尔和问_经验值分别计算和实验吸附能力(毫克/升)。

3所示。结果与讨论

3.1。吸附剂描述

红外光谱分析(图1(一))透露,SCGs吸收带典型的木质纤维原料。最广泛的乐队,集中在3441厘米⁻¹,对应的拉伸s债券(地30.酚类化合物组成的废料。乐队在2934厘米⁻¹和2852厘米⁻¹是由于脂肪族碳氢键的伸缩振动(30.]。乐队在1740厘米⁻¹是由于nonconjugated C = O键的伸缩振动。这些振动主要是相应的醛、酮、酯和羧酸函数的果胶和半纤维素和氧杂蒽衍生物如咖啡因(31日,32]。根据文献[31日,33),峰值约1644,1465,1379,1242厘米⁻¹表明自己的首席运营官、公司和首席运营官⁻组在吸附剂表面。其他的乐队1200至1000厘米⁻¹是由于切断键的伸缩振动的芳香族化合物,乙酰和羧酸函数(34]。

的矫正性大动脉转位曲线(图1 (b))的减肥20毫克样品SCGs当暴露于加热从20到600°C。的演变可分为三个步骤。第一次开始在大约60°C和对应于一个轻微的减肥约10.1%的由于蒸发的水(脱水的样本),第二阶段(290°C <T< 390°C)中质量最大的损失发生。在这个阶段,解聚多糖发生分解,导致50.2%的体重。第三和最后阶段对应的碳化SCGs (390°C <T< 600°C)与26.8%的体重。

评估的结晶度SCGs,纤维素光谱从国际衍射数据中心数据库(ICDD)用作参考。SCGs主要由纤维素、木质素和半纤维素。最后这两个被无定形聚合物材料、峰值位于15.7°,x射线衍射测量光谱(图22.6°1 (c)),是纤维素的结晶度的证据。这些值分别的特征(110)和(200)飞机的纤维素35]。相比之下,DRX模式类似于其他木质纤维素的废物36,37]。

点的pH值零电荷pHpzc吸附剂的表面电荷为零(38]。pHpzc pH值决定了工作范围有利于吸附剂和被吸附物之间的静电吸引。图1 (d)表明,pH值_PZCSCGs等于5.3。这个值是与其他研究人员报道(32,39]。

3.1.1。溶液pH值的影响

pH值的影响的吸附铬(VI),研究了初始浓度为100 mg / l和2.5 g / l的吸附剂剂量。图2(一个)显示的最大消除对应于一个pH值约4(88.8%),下降值两侧博士的pH值对金属吸附的影响密切相关的两个主要因素:在溶液中金属的化学和表面官能团的离子状态41]。pHpzc等于5.3,表面是正当pH值低于5.3,-当pH值高于5.3。此外,铬(VI)在不同离子在溶液中存在形式(图2 (b))。在pH = 2 - 5, HCrO⁻₄离子的溶液中,扩散和吸附更容易和更大的数量由于表面施加的强大吸引力。pH值高于5吸附剂成为带负电荷的表面有静电排斥,证明除铬(VI)的下降。类似的模式也被报道的吸附铬(VI)在各种废物(42- - - - - -44]。这表明吸附是由静电力(物理吸附)。

3.1.2。吸附剂剂量的影响

吸附剂剂量的影响,研究了在0.5 - 7 g / l的铬(VI)的浓度100 mg / l和pH值4。曲线在图3表明吸附剂剂量的增加导致了铬(VI)去除率增加剂量的2.5 g / L,保持不变。这可能是由于减少之间的浓度梯度铬(VI)吸附剂表面的离子和铬(VI)离子液体的解决方案。因此,确定最佳剂量约为2.5 g / L。Nur-E-Lam [45]研究了铬(VI)的去除皮革工业废水吸附在茶叶废料。他们表明,14 g / L是需要吸附铬(VI)的95.42%。在另一项研究中,哈坎Celebi [42)测试效率的三个茶废弃物(红茶浪费(WBT),绿茶浪费(重量)和南非博士茶废弃物(关于)的吸附铬(VI);实验结果表明,最佳剂量是1 g / L, 1.5 g / L,为基于网络的培训3.5 g / L,分别重量和关于。

3.1.3。接触时间和温度的影响

时间对吸附的影响结果如图所示4。四个温度,吸附在两个阶段进行,第一阶段是快,第二个慢。这种类型的两阶段吸附也提到在其他研究[46- - - - - -48]。所有的温度达到平衡后90分钟。曲线还表明,温度的增加是不利的铬(VI),表明吸附是放热49]。

3.2。吸附动力学

Pseudofirst-order(卵圆孔未闭)和pseudosecond-order (PSO)模型通常用于符合实验数据和计算动力学参数。方程(5)和(6卵圆孔未闭的)表示的非线性形式和算法模型,分别是(50]: 在哪里问_t(mg.g⁻¹),问_e(mg.g⁻¹)吸附铬(VI)的数量t在平衡,k₁(最低⁻¹),k₂(g.mg⁻¹.min⁻¹)符合一级和pseudo-second-order模型的常数,分别。

图中给出了两个模型的表示5,的值不同的动力学参数如表所示1。比较值的误差函数χ2,R²,得到了温度,清楚地表明,pseudosecond-order模型是最适合描述吸附动力学。最初的吸附率的值h(mg.g⁻¹.min⁻¹),在不同的温度下,计算使用以下方程(51]:

从表可以看出1温度的增加会导致吸附的初始速率的增加。结合其他研究,吸附铬(VI)在其他木质纤维素的废物是pseudosecond-order [52,53]。

活化能的Ea的铬(VI)吸附SCGs从阿仑尼乌斯方程可以计算(8)[54]: 在哪里K₂是pseudosecond-order速率常数(g.mg⁻¹.min⁻¹),T是绝对温度(°K),R理想气体常数(8314 j•摩尔⁻¹。K⁻¹),一个是preexponential因素(最小值⁻¹),E_一个是活化能(kJ•摩尔⁻¹)

通过绘制ln (k₂)与1 /T(图未显示),E_一个得到的斜率线性情节。的价值E_一个发现等于10.92 kJ摩尔⁻¹。E_一个可以给一个想法的吸附的类型。根据文献[55),这种吸附是物理吸附的类型。

3.3。吸附等温线

为了描述这种现象治理铬(VI)的保留SCGs和计算的最大吸附量,吸附等温线的研究是至关重要的。吸附等温线是在平衡吸附量与浓度之间的关系保持在恒定的温度和溶液中博士的实验结果分析了朗缪尔,弗伦德里希,和Temkin模型,分别由下列方程表示(56]: 在哪里问_t(mg.g⁻¹),问_e(mg.g⁻¹)的染料吸附量t和平衡。

C_e(毫克/升)是平衡浓度;问_米(毫克/ g)是最大吸附容量;K_l(L /毫克)是朗缪尔的常数;K_F(mg.g⁻¹)(L.mg⁻¹)^{1 /n}和n弗伦德里希的常数。一个和bTemkin的常数。R理想气体常数(8314 J摩尔⁻¹。K⁻¹),T是绝对温度(°K)。

图6显示了这些模型的非线性曲线和表2显示了这三个模型的非线性回归常数计算。根据表,朗缪尔模型的最大价值R²和的最小值χ²。这表明朗缪尔模型是最适当的模型来描述铬(VI) SCGs吸附平衡。保留,因此,均匀吸附网站没有互动和一个单层的形式56]。最大的铬(VI) SCGs吸附能力(问_米= 42.9毫克/克)比那些报道文献中对于其他吸附剂,如表所示3。

的分离因子R_l朗缪尔等温线的特征,其价值可以确定的价值K_l根据以下方程(61年]: 在哪里K_l朗缪尔常数和吗C₀是最高的初始铬(VI)浓度(毫克/升)。

的R_lSCGs吸附铬(VI)的值为0.014,表明吸附是有利的(R_l˂1)。

3.4。吸附热力学

温度是影响吸附过程的一个重要因素。这种效应可以解释评价的热力学参数。这些参数包括吉布斯自由能变化(∆G°),标准焓变化(∆H°),和标准熵变(∆S°),使用下面的公式计算(53]: 在哪里 是分布常数,R是通用气体常数(8.314 J /摩尔K),然后呢T是绝对温度。

进行了热力学研究在25日30、40、50°C。混合物的测试进行了20毫升的解决方案在100 mg / L的浓度和pH值4 SCGs 2.5 g / L。的值(∆H°)和(∆S°)测定的斜率和截距在(Kd)的起源和1 / T(图7),分别。这些值在表收集4。∆G°的负面价值对于所有温度表明吸附铬(VI)的SCGs是自发的。∆H°的积极价值确认了吸附是放热的,虽然∆S°的积极价值反映了减少障碍在solution-solid界面吸附(62年]。在文献中许多研究的结果符合本研究[36,63年]。

3.5。再生的研究

吸附和解吸的研究允许确认机制重用吸附剂和被吸附物的可能性。的可逆性吸附成正比的性质建立吸附剂和被吸附物之间的绑定。的再生潜力SCGs测试使用三种不同的洗脱液:蒸馏水H₂O,氢氧化钠(0.5米),盐酸(0.5米)。大量的SCGs (2.5 g)与1 L铬(VI)混合溶液浓度为100 mg / L搅拌下pH值4 6小时。吸附实验后,SCGs被收集在3000转离心20分钟和干在烤箱12 h 105°C。随后,SCGs被转移到不同的洗脱液的质量。解吸进行了120分钟的搅拌(200 rpm)。连续adsorption-desorption周期由三人重复4次洗脱液。结果如图所示8。非常清楚的是,HCl是最高效的洗脱液SCGs吸附剂的再生。吸附剂的损失效率之间的第一和第四周期可以归因于材料的降解在这些极端的酸性条件和积极的进步的阻碍网站的杂质未经处理的吸附剂。此外,容易解吸的Cr (IV)表明,adsorbent-adsorbate债券较弱和确认的吸附是物理吸附类型。

3.6。成本估算

成本估算的biosorbent (SCGs)是基于近期作品中报道的方法(64年]。表5显示,生产1公斤的SCGs成本只有0.91美元,这是15倍不到1公斤的价格商业活性炭注定水处理(64年]。此外,这种吸附剂的再生是容易的,可以通过一个简单的酸洗液adsorbent-adsorbate以来相互作用主要是物理性质。

4所示。结论

本文突出了新的廉价的吸附剂去除铬(VI)从水生媒介。SCGs的描述表明,它有一个典型的木质纤维素的结构材料,其表面有丰富的函数作为吸附网站。参数影响吸附进行了研究,结果表明,2.5 g / L的SCGs足以消除88.8%的铬(VI)从溶液的初始浓度100 mg / L,在pH值和温度298°k .实验数据显示良好的协议与朗缪尔等温线和pseudosecond-order动力学模型。热力学研究表明,铬(VI)的保留SCGs是可行的,自发的,放热。活化能值(E_一个)表明,该吸附是物理吸附。这是确认SCGs容易再生的盐酸。最后,成本估算证明SCGs比活性炭更经济的15倍。考虑到所有这些结果,可以得出结论,SCGs可以被看作是一个经济的选择更昂贵的吸附剂用于去除铬(VI)在废水处理流程。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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