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环境和公共卫生杂志》上/2015年/文章

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体积 2015年 |文章的ID 687094年 | https://doi.org/10.1155/2015/687094

t·伯克斯、f . Akthar m . Saleemi m·阿维拉y Kiros, ”ZnO-PLLA纳米纤维纳米复合材料连续流模式净化的水铬(VI)”,环境和公共卫生杂志》上, 卷。2015年, 文章的ID687094年, 7 页面, 2015年。 https://doi.org/10.1155/2015/687094

ZnO-PLLA纳米纤维纳米复合材料连续流模式净化的水铬(VI)

t•伯克斯,1 f . Akthar,2 m . Saleemi,3,4 m·阿维拉,3 和 y Kiros1

1化学工程与技术、皇家理工学院(k), 100年44斯德哥尔摩,瑞典

2工程科学和数学、吕勒奥理工大学,971 87吕勒奥,瑞典

3功能材料,皇家理工学院(k), 164年40 Kista,瑞典

4材料与环境化学,阿伦尼乌斯实验室,10691年斯德哥尔摩,瑞典斯德哥尔摩大学

学术编辑器:布莱恩·巴克利
收到了 07年7月2015年
接受 2015年11月08
发表 2015年11月23日

文摘

ZnO-PLLA纳米材料的纳米纤维已经被用于吸附铬(VI)的首要一步水的净化。灵活的制造和应用ZnO-PLLA纳米纤维纳米复合材料作为功能材料在这个发达的体系结构实现了由化学浴沉积合成氧化锌纳米线阵列生长实际上电纺poly-L-lactide纳米纤维。纳米复合材料已经测试了Cr (IV)的去除和再生溶液在“连续流模式”通过研究pH值的影响,接触时间和解吸步骤。铬(VI)的吸附物种的解决方案是极大地依赖于博士SEM显微图确认成功制造ZnO-PLLA纳米纤维纳米复合材料。铬(VI)物种的吸附和解吸更有可能由于氧化锌和铬(VI)离子之间的静电相互作用的函数博士的吸附和解吸实验利用ZnO-PLLA纳米纤维纳米复合材料中似乎是一个有效的纳米复合材料的去除和再生铬(VI)的物种。

1。介绍

不断增加的人口和产业导致有毒物质的释放到环境中。这些物质严重影响生物体的新陈代谢,可以造成永久性如果不是致命的伤害,随后,将对生态系统潜在的危害。全球环保组织,例如,美国环境保护署(EPA),使重金属污染物的去除包括铬和其他有毒物质从水生系统环境工程和其他技术领域的一个重要问题。此外,需要高效和成本有效的发展过程排出流的治疗和恢复宝贵的组件(1,2]。

为无机污染物,过渡金属铬,存在于氧化态铬(III)和铬(VI)。铬(VI)被认为是水污染的严重关切(3]。铬是一种金属自然矿床矿石中含有其他元素。它通常是由工业过程如电镀、不锈钢、防护涂料在金属,磁带,和颜料油漆、水泥、纸、和橡胶地板的组合和其他材料(4- - - - - -8]。由于工业和废物处置地点,铬已被释放到环境通过泄漏和可怜的存储在制造或处理不当行为(9,10]。由于铬的基本性质及其环境中的溶解度和流动特征(11),美国环境保护署(EPA)设置一个可执行的标准水平称为最大污染物水平(制程)铬,它被指定为0.1毫克−1。六价铬是一种有毒元素对公众健康有严重的结果被认为是诱变剂,畸胎原,和致癌物的暴露,摄入或吸入也可能导致呼吸衰竭和溃疡的身体12- - - - - -14]。铬(III)主要存在Cr+ 3pH值低于3.5。铬(III)展品低毒性和固定于碱性微酸性条件。饮用水包含超过0.05毫克−1铬是非常有毒的生物11]。因此,有效的去除或减少铬(VI)铬(III)从受污染的水和废水是非常重要的15]。

金属氧化物,如氧化锌是必不可少的有效的发展和智能材料16]。氧化锌纳米颗粒可以在广阔的应用程序包括制药和化妆品17)、橡胶制造(18),和电子材料19]。其他传统和生物质吸附剂,用于重金属的去除活性炭(20.],麦麸[21),激活楝叶粉(22,贻贝的壳23)和核桃壳粉(24),和花生壳25]。

根据他们的粒度和浓度,有一些优势使用上述非常规吸附剂;他们可以消除多达90%的吸附剂。吸附剂也是现成的,只需要较少的维护和监督。另一方面,需要进一步治疗之前,他们可以用来提取重金属的选择(26]。氧化锌的优点和有趣的特性,如低成本和防紫外线使他们成为一个很好的候选人吸附研究[27]。过去十年以来,增加活动的金属氧化物纳米颗粒的毒性和其他大部分材料都与如何生活和无生命的生物。约纳利等人说明使用商用非织造聚乙烯超细纤维为基材,氧化锌纳米棒是增加了一个名为化学浴沉积的方法28]。此外,Rodriguez-Tobias等人伪造抗菌聚(D, L-lactide)掺杂氧化锌纳米颗粒的纳米纤维研究形态学、机械、和抗菌特性29日]。纤维基质的利用在这个想法,从研究,发现纳米纤维是一种令人兴奋的新类材料的直径从几纳米到微米(5,30.]。还有其他特征表面积与体积比高,抗拉强度和灵活性,使这些纤维的应用程序包含一个优秀的候选人等发生表面反应/分离过滤膜和surface-supported化学反应(31日,32]。这些纤维通常是一个数量级的两三次小于纤维传统生产的。使用的电纺的技术准备和形成的聚合物纳米纤维在非织造布垫的形式。这种技术是一种简单而通用的方法产生一个相当大规模的纤维从不同的材料。这些纤维nonmechanical和静电,涉及利用静电场收费相当高聚合物溶液表面的液滴,从而诱导液体射流的喷射沉积到收集器的板。

为了利用这些材料,我们报告的高度灵活的纳米纤维制造poly-L-lactide(丙交脂)电纺的,这是作为一个为径向导向的氧化锌纳米线的生长基质的化学浴沉积方法。组装纳米聚合物nanofibrous垫保持灵活性和高表面积;氧化锌纳米棒的附加功能。作为这个组装纳米结构的直接结果,我们设计了一个简单的设置对吸附和解吸的铬(VI)从单一金属离子水溶液在连续流模式。

2。实验

2.1。材料

Poly-L-lactide (Mw = 100000),氯仿,氢氧化钠,盐酸从Sigma-Aldrich购买。所有化学试剂是分析纯试剂,用作收到没有进一步净化。高纯度水的电阻率18 MΩcm使用在所有的实验。

2.2。制造Poly-L-Lactide Nanofibrous垫(丙交脂)灵活

Poly-L-lactide纳米纤维是由一种被称为电纺的技术。用氯仿溶解聚合物(7 wt %),同时为24小时搅拌。样品被加载到一个注射器组成的不锈钢针直径(0.8毫米)。注射器是连接到阳极电压供应(勃兰登堡)。收集器的板覆盖铝箔,与阴极的电压供应。9 - 10千伏的电压应用针和收藏家。包含聚合物溶液的针是安装一个注射器泵(Cole-Parmer)在水平方向。针的尖端的距离收集器是10厘米流量为1.0毫升h−1。归集高压电源,可能应用于皮下注射针(针Nokor掺和)结束的注射器。

2.3。ZnO-PLLA组装纳米结构的合成

总时间为30分钟,丙交脂纳米纤维被浸到胶体氧化锌悬浮液由修改方法描述Bahnemann et al。33),随后让它干燥。“播种”纳米纤维被浸到锌的混合水溶液的20毫米(没有3)2乌洛托品和加热到75°C 6 h。准备PLLA-ZnO组装纳米材料被随后在真空干燥箱干燥1 h。

2.4。连续流处理铬(VI)吸附

PLLA-ZnO组装纳米材料准备是插入一个玻璃管。这个专栏是连接到一个100毫升玻璃瓶通过蠕动泵(水库)。吸附实验进行混合的K2Cr2O7在水溶液中与0.01纳米3和泵的流量2.0毫升分钟−1和总时间为1500分钟。提供的解决方案是不断在PLLA-ZnO组装纳米结构。每个指定的时间后,样本取自水库和准备分析。铬(VI)离子的数量在上层的决心与电感耦合等离子体(ICP-OES iCAP 6000系列热科学)。

在水相,铬(VI)的数量每单位质量吸附剂的吸附 (毫克g−1)计算使用 在哪里 是初始铬浓度(毫克升−1), 铬浓度在水相平衡(mg L−1)。 (左)和水总量 的质量是ZnO-PLLA纳米纤维(g)。

解吸实验,铬(VI)的解决方案是用氢氧化钠溶液混合在pH = 9。铬(VI)释放的氧化锌nanorod-PLLA纳米纤维进入上层的决心。采收率( 铬(VI)计算 在哪里 是数量的铬(VI)释放到解决方案和 是数量的铬(VI)吸附到ZnO-PLLA纳米复合材料。

3所示。结果与讨论

3.1。描述丙交脂和ZnO-PLLA纳米纤维

高度灵活的纳米纤维纳米复合材料已经准备使用各种化学技术的结合。Sugunan等人报道,氧化锌纳米棒的生长依赖于一组参数和生长条件等浓度和温度,这直接影响纳米纤维的直径和长度(34]。纳米复合材料的形态和微观结构研究了通过扫描电子显微镜(SEM)。图1(一)提出了一种显微照片实际上电纺丙交脂纳米纤维和图1 (b)显示了这些与组装氧化锌纳米纤维。它可以观察到在图1氧化锌纳米棒的生长和制备丙交脂纳米纤维是完整和统一没有退化。丙交脂纳米纤维的截面范围从几十纳米到4μm。此外,纳米复合材料的截面增加了12μm,这依赖于生长条件和理化性质等参数(温度和浓度)的氧化锌纳米棒。

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(一)
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(b)
图1
(一)SEM显微图的组装ZnO-electrospun丙交脂纳米纤维。插图:组装纳米结构的表征。(b) SEM显微图实际上电纺丙交脂的纳米纤维。插图:高分辨率丙交脂纳米纤维的横截面。
3.2。pH值的影响

一个参数,可以产生间接影响的吸附铬(VI)博士铬(VI)的吸收,这种高度灵活的纳米纤维的纳米复合材料解决方案作为接触时间的函数,研究了pH值、铬(VI)浓度。铬的氧化态范围从−2 + 6;在自然界中,主要发现在两个氧化态铬(III)和铬(VI)。铬(III)和铬(VI)在许多不同的pH值等属性,生化的特性、移动性和毒性。铬酸铬(VI)物种形成中存在的解决方案( )、重铬酸盐( )和重铬酸( )[3,4]。在这项研究中,铬(VI)是唯一的物种的解决方案视为我们的起始物料K2Cr2O7。对于每一个样品,2 - 3波长选择,以确保敏感性,提高了精度,检测极限,同时保持最小干扰其他元素不解释。轴向等离子体定向用于铬(VI)离子的分析解决方案。ICP标准解决方案准备和生成校准曲线。金属氧化物纳米颗粒的重量计算的ICP分析获得。铬(VI)离子的数量在上层的决心。铬(VI)的数量柔性纳米纤维上吸附纳米复合材料平台作为pH值的函数在实验2到9的范围确定和数据在图所示2。最佳pH值为铬(VI)的吸附物种的灵活ZnO-PLLA纳米纤维纳米复合材料是≤3.5。在低pH值,实现更好的吸附铬(VI)这可能是由于大量的氢离子(H+),也发表在文献[5,35]。铬(VI)的吸附酸性pH值范围的工作类似于阿维拉等人调查了吸附铬(VI)的使用表面功能性聚丙烯腈(PAN)纳米纤维在pH = 236]。


图2
pH值依赖、铬(VI)初始浓度= 2.3毫克L−1接触时间= 24小时总量= 100毫升,流量= 2毫升分钟−1。

pH值可以中和负电荷氧化锌吸附剂表面,随后减少阻碍铬(VI)离子的扩散。相反,在pH值增加,大量的氢氧根离子(哦−)增加阻碍铬(VI)离子的扩散,从而减少去除效率。在碱性溶液中,氧化锌的表面电荷是负的。与中性H等铬物种2阴极射线示波器4和带负电荷的 , 和 将静电排斥。因此,在高pH值,吸附铬(VI)会减少的37]。

3.3。在氧化锌电动电势的影响

执行电动电势的主要目的是获得理解材料的色散行为。如图3,有一个电动电势的变化为氧化锌纳米颗粒对氢氧化钠滴定为零电荷点(PZC)氧化锌被确定。它可以观察到,随着氧化锌到达PZC,氧化的表面电荷变成中性的。后来,很少不吸附铬(VI)。金属氧化物的pH值趋于酸性政权,铬(VI)的主要形式,作为一种离子, ;因此,表面变得更带正电,最大吸附铬(VI)的解决方案可以发生。其他的研究报道,锌的吸附物种的大小影响标志和氧化锌纳米颗粒的表面电荷(38,39]。积极的PZC更高,优势种锌2 +(40]。


图3
电动电势的氧化锌纳米结构。
3.4。接触时间对ZnO-PLLA纳米纤维

为了评估的最佳联系时间吸附铬(VI)的物种,在pH = 3.5进行了实验,这是本研究的终极pH值,如图2。Choudhury等人报道,金属的快速吸附在纳米颗粒表面是由于外部表面吸附(41]。几批实验来确定达到平衡所需的时间。一段时间后,吸附曲线达到高原地区不再吸附铬(VI)物种。在此基础上观察,最佳联系时间吸附铬(VI)的物种在这个pH值确定为1300分钟。

图4说明了影响铬(VI)的吸附作为时间的函数。平衡时可以获得的最大的交互ZnO-PLLA纳米纤维纳米复合材料发生在1300分钟的时间和初始pH值3.5 3.5毫克的最大吸附g−1铬(VI)的吸附。铬(VI)的物种,在酸性pH值( )物种已占主导地位。指导价值的重要的是要注意,源自每日耐受摄入量,每日消耗的水,和体重0.05毫克L−1(42]。因此,饮用水管理方法通过吸附ZnO-PLLA纳米纤维在小浓度范围似乎是有效的。


图4
接触时间的影响:铬(VI)初始浓度= 2.3毫克L−1初始溶液pH = 3.5,总量= 100毫升,流量= 2毫升分钟−1。

如图2的PZC氧化锌纳米结构被发现10。电动电势是深受博士在氧化锌表面电荷增加积极的pH值变得更酸。当氧化锌引入解决方案由-物种,吸附容易发生。随着电动电势曲线走向更高的pH值,电荷密度的变化,静电作用不再是适用的;相反,系统解决方案显示了更多的场景。排斥相互作用的影响可以在系统中,最有益的兴趣是再生纳米材料被重用几个吸附和解吸的循环操作。氧化锌是附加到丙交脂纳米纤维,物种数量的锌溶解在解决方案被发现小于0.25毫克L−1,显示一个吸附性能稳定。

3.5。解吸的ZnO-PLLA纳米纤维

再生吸附剂纳米复合材料纳米纤维平台,至关重要的是,所有吸附铬(VI)物种眠的平台可以重用这一步是复苏的关键物种的其他进程的回收。它还能增加信息是否可逆或不可逆的吸附铬(VI)到ZnO-PLLA纳米复合材料。铬(VI)的恢复物种ZnO-PLLA纳米纤维纳米复合材料进行了测试在pH = 12。在碱性政权,哦−离子与铬(VI)离子附着在平台从而释放了铬(VI)的解决方案,从而表明解吸过程是可逆的。图5显示的最大回收铬(VI)从ZnO-PLLA纳米纤维纳米复合材料解决方案是60%。


图5
解吸的铬(VI)装载纳米纤维:氢氧化钠浓度= 0.01 M,总量= 100毫升,流量= 2毫升分钟−1。

这可能归因于这样一个事实:网站材料最初是忙于铬(VI)当介绍pH值12铬(VI)离子离开网站,被释放回解决方案(43]。同时,在碱性政权,氧化锌的表面电荷是负的。金属回收和重用的吸附剂可以成为经济上可行的整个过程(44]。

4所示。结论

在这工作,丙交脂和ZnO-PLLA纳米纤维纳米复合材料被成功制造和已被证明是一种有效的材料去除的剧毒铬(VI)的物种。考虑到最佳吸附条件,几个小时后可以达到吸附平衡。除去铬(VI)使用纳米复合材料是高度依赖于博士的pH值< 3.5,最大吸附铬(VI)。静电和表面之间的吸引力氧化锌和铬(VI)物种控制柔性纳米复合材料之间的交互平台和铬(VI)的物种。在基本pH值范围的解决方案,铬(VI)可以再生,ZnO-PLLA纳米纤维纳米复合材料可以重用。60%的铬(VI)的解吸效率是使用氢氧化钠来完成。的ZnO-PLLA纳米纤维纳米复合材料已经显示出巨大的潜力在水和废水处理等应用的重金属离子的去除铬(VI)的物种。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢教授Mamoun穆罕默德萨勒姆博士和Muhammet Toprak Uheida使用他们的设施和谈话和汉斯贝里奎斯特扫描电镜中对他的支持。

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