Síntesis sencilla de nanocompuestos magnéticos funcionalizados en superficie para una adsorción selectiva eficaz de colorantes catiónicos

Resumen

Un nuevo nanoadsorbente magnético, Fe ₃ modificado con policatecol O ₄ nanopartículas magnéticas (Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs) se prepararon mediante un método de coprecipitación química fácil utilizando sales de hierro y solución de catecol como precursores. Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs poseían una superficie cargada negativamente con grupos que contienen oxígeno y mostraron una fuerte capacidad de adsorción y tasas de adsorción rápidas para la remoción de colorantes catiónicos en agua. La capacidad de adsorción de azul de metileno (MB), azul turquesa catiónico GB (GB), verde malaquita (MG), violeta cristal (CV) y rosa catiónico FG (FG) fue de 60,06 mg g ^{- 1} , 70,97 mg g ^{- 1} , 66,84 mg g ^{- 1} , 66,01 mg g ^{- 1} y 50,27 mg g ^{- 1} , respectivamente. El mecanismo de adsorción fue propuesto por los análisis de las isotermas de adsorción y la cinética de adsorción de colorantes catiónicos sobre Fe ₃ O ₄ / PCC MNP. Además, también se investigaron los colorantes catiónicos adsorbidos en los MNP en función del tiempo de contacto, el valor del pH, la temperatura, los iones catiónicos coexistentes y la fuerza de los iones. Estos resultados sugirieron que el Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs promete ser utilizado como adsorbente magnético para la adsorción selectiva de colorantes catiónicos en el tratamiento de aguas residuales.

Antecedentes

Los desechos orgánicos e inorgánicos producidos por las actividades humanas han dado lugar a grandes volúmenes de aguas contaminadas que amenazan la salud de los seres humanos y otros organismos vivos [1]. La contaminación del agua es uno de los problemas ambientales más graves en la actualidad, lo que dificulta el desarrollo de la sociedad humana [2, 3]. En particular, los tintes contaminantes han suscitado una gran preocupación por parte del público debido a la alta visibilidad y el impacto tóxico sobre los organismos biológicos y la ecología [4]. Los tintes orgánicos se han utilizado ampliamente en diversas ramas como el textil, el papel, la impresión, la fotografía en color, la industria farmacéutica, el cuero, los cosméticos, el plástico y otras industrias, que han sido las principales fuentes de aguas residuales industriales [5]. La cantidad de aguas residuales de tinte es extremadamente grande, generalmente, el volumen de aguas residuales vertidas de cada paso de una operación textil es aproximadamente a una tasa alta de entre 40 L / kg y 65 L / kg de producto [6]. Además, los colorantes son sustancias no biodegradables que se mantienen estables en diferentes condiciones debido a su origen sintético y estructuras aromáticas complejas [7]. Por lo tanto, es necesario seleccionar un método apropiado para eliminar los tintes de las aguas residuales antes de descargarlos al medio ambiente.

En los últimos años, se ha utilizado una variedad de técnicas para tratar aguas residuales de tintes, incluida la degradación fotocatalítica [8], la coagulación [9], los procesos electroquímicos [10], la oxidación química [11], la filtración por membrana [12], el tratamiento biológico [13] y adsorción [14]. Entre estas técnicas de tratamiento de aguas residuales con tintes, la adsorción se ha utilizado ampliamente debido a sus méritos de simplicidad, alta eficiencia y economía [15, 16]. Se ha informado que muchos adsorbentes como el carbón activado, el caolín, la arcilla de montmorillonita, el lodo rojo residual, la tierra de batán y la arcilla cocida decoloran las aguas residuales [17, 18]. Especialmente, las nanopartículas magnéticas (MNP) han atraído una atención considerable como materiales adsorbentes para tintes orgánicos y metales pesados, debido a sus propiedades magnéticas únicas, de bajo costo, biocompatibles, de fácil síntesis, fáciles de reciclar, particularmente económicas y amigables con el medio ambiente [19]. Se han desarrollado varios métodos para sintetizar Fe ₃ magnético O ₄ nanopartículas, que incluyen i) coprecipitación de solución acuosa ferrosa y férrica en presencia de una base [20]; ii) descomposición térmica de un complejo de hierro [21]; iii) enfoque ecoquímico [22].

Debido a sus altas energías de superficie e interacciones magnéticas intrínsecas, fácil agregación de Fe ₃ O ₄ Las MNP reducirían su relación superficie / volumen y la estabilidad de la dispersión en solución acuosa [23]. Los estabilizadores como tensioactivos, soportes, óxidos o compuestos poliméricos se han utilizado para modificar el Fe ₃ O ₄ MNP para aumentar su estabilidad y mejorar su dispersión. Zhang y col. Fe ₃ magnético sintetizado O ₄ / Nanopartículas de núcleo de caparazón y se utilizan como absorbentes que tienen una buena capacidad de adsorción para eliminar el tinte [24]. Wang y col. preparado Fe ₃ O ₄ nanopartículas con asistente de bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) para la eliminación por adsorción de rojo congo (CR) y azul de metileno (MB) [25]. Además, la capacidad de adsorción del Fe ₃ desnudo O ₄ MNP no es lo suficientemente fuerte.

Para mejorar la propiedad de adsorción, funcionalización superficial de Fe ₃ O ₄ Se han estudiado las MNP. Zhang y col. Fe ₃ modificado O ₄ MNP con 3-glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPTMS) y glicina (Gly), los nanocompuestos magnéticos podrían eliminar de manera excelente los colorantes aniónicos y catiónicos en entornos severos (muy ácidos o alcalinos fuertes) [26]. Además, la adsorción selectiva se puede mejorar en gran medida para el enriquecimiento de contaminantes debido a la introducción de un gran número de sitios activos. Pourjavadi y col. informó de un nuevo nanocompuesto magnético funcionalizado de poli (acrilato de metilo) para la eliminación eficiente de colorantes aniónicos de medios acuosos [27]. El policatecol, resultante de la polimerización de catecol catalizada por Fe (III) [28,29,30], se ha aprovechado en modificaciones superficiales como adhesivos y recubrimientos en una amplia gama de materiales orgánicos e inorgánicos debido a sus propiedades térmicas y estructurales únicas. y la capacidad de formar complejos estables con óxidos metálicos [31, 32]. Significa que Fe ₃ O ₄ Los MNP modificados con policatecol aumentarán en gran medida la capacidad de adsorción de Fe ₃ O ₄ MNP. Sin embargo, no hay ningún informe sobre Fe ₃ modificado con policatecol. O ₄ MNP como absorbente para la eliminación de tintes.

En este trabajo, el policatecol modificó Fe ₃ O ₄ MNP (Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs) se prepararon mediante un método de coprecipitación fácil y se utilizaron como adsorbentes para la eliminación del tinte. El absorbente se caracterizó mediante lazos de histéresis magnética, análisis termogravimétrico y técnica de análisis de potencial zeta. Se eligieron cinco tipos de colorantes catiónicos, que incluyen azul de metileno (MB), azul turquesa catiónico GB (GB), verde malaquita (MG), violeta cristal (CV) y rosa catiónico FG (FG), como compuestos modelo para exponer la adsorción. comportamiento de Fe ₃ O ₄ / PCC MNP. También se investigaron la cinética de adsorción, los análisis de isotermas y el efecto de diferentes condiciones experimentales sobre la eliminación de colorantes catiónicos.

Métodos

Materiales

Cloruro férrico (FeCl ₃ · 6H ₂ O), sulfato ferroso (FeSO ₄ · 7H ₂ O), hidróxido de amonio (NH ₃ · H ₂ O, 25%), MB, GB, MG, CV, FG, naranja ΙΙ, fucsina, naranja de metilo (MO) y catecol se obtuvieron de Chuandong Chemical Inc., Chengdu, Sichuan, China. Todos los productos químicos eran de grado analítico y se utilizaron sin purificación adicional y todas las soluciones y suspensiones se prepararon con agua desionizada. Las estructuras de cinco tintes catiónicos, incluidos MB, GB, MG, CV y FG, se muestran en la Fig. 1.

Estructuras moleculares de ( a ) MB ( b ) GB ( c ) MG ( d ) CV ( e ) FG. Como se muestra en la Fig. 1, se describe la estructura de cinco tipos de tintes catiónicos

Preparación y caracterización de Fe ₃ O ₄ / PCC MNP

Fe ₃ O ₄ / PCC MNP se prepararon mediante un método de coprecipitación química fácil utilizando sales de hierro y catecol como precursores [23]. Todo el proceso de síntesis se realizó en atmósfera ambiente. En resumen, FeCl ₃ · 6H ₂ O (10 mmol) y FeSO ₄ · 7H ₂ Se disolvieron O (5 mmol) en 75 ml de agua desionizada, luego se mezclaron con 75 ml de catecol (20 mM) suficientemente. Cuando el catecol se mezcló con una solución de hierro (pH 2,87), la polimerización del catecol catalizada por Fe ³⁺ sucedió, formando policatecol, que era un precipitado negro grueso [30]. Simultáneamente, Fe ³⁺ Los iones se adsorbieron químicamente en el policatecol a través de la complejación y sirvieron como precursores de la nucleación. La mezcla se dejó reposar durante 30 min y luego se añadió rápidamente a 100 ml de hidróxido de amonio (3,3 M), envejeciendo durante 120 min con agitación vigorosa. Las nanopartículas magnéticas in situ crecieron para formar agregaciones en la superficie de las cadenas de policatecol. Parejas de Fe ₃ O ₄ / Las cadenas de PCC se combinaron entre sí de forma ajustada para formar Fe ₃ O ₄ / PCC MNP. Todos los procesos de síntesis se realizaron en atmósfera ambiente, sin atmósfera protectora. Las nanopartículas magnéticas negras se separaron mediante un imán externo y se lavaron con agua desionizada hasta pH neutro y se secaron en un horno de vacío a 50 ° C durante 24 h. Fe ₃ O ₄ Las MNP se sintetizaron con los mismos procedimientos mencionados anteriormente sin añadir catecol. Todos los productos se almacenaron en un desecador a temperatura ambiente para experimentos adicionales.

Las propiedades magnéticas se midieron a temperatura ambiente en un sistema de medición de propiedades magnéticas (MPMS XL-7, Quantum Design, América). El análisis termogravimétrico (TGA) se llevó a cabo para muestras de polvo utilizando un analizador termogravimétrico TGA / DSC 1 (TGA) (Mettler-Toledo, Suiza) bajo N ₂ ambiente a una velocidad de calentamiento de 5 ° C min ^{- 1} . Los potenciales zeta de las suspensiones de catalizador a diferentes pH se determinaron con un Zetasizer Malvern 3000.

Experimentos de adsorción por lotes

Los experimentos de isoterma de sorción se llevaron a cabo agitando 25 mg de Fe ₃ O ₄ / PCC MNP en solución de 25 ml con adsorbatos variados, con una concentración inicial de adsorbato que varía de 0,02 mM a 0,4 mM. La mezcla se agitó continuamente en un agitador a 180 rpm a temperatura controlada de 30 ° C hasta alcanzar el equilibrio. El pH de la solución se ajustó usando 1,0 M H ₂ SO ₄ o soluciones de NaOH 1,0 M. Después de la adsorción, el adsorbente se separó de la solución bajo magnetismo, y luego se midió el líquido sobrenadante a la absorbancia máxima de cada tinte mediante un espectrofotómetro UV-vis.

Además, se estudió la cinética de adsorción de los procesos. 100 mg de Fe ₃ O ₄ / PCC MNP se suspendieron en 100 ml de soluciones de adsorbatos 0,1 mM y luego se agitaron a 180 rpm a pH 6,0 y 30ºC. A diferentes intervalos de tiempo, se extrajeron 0,5 ml de muestra de suspensión e inmediatamente se separaron mediante un magnetismo externo y se recogió el líquido sobrenadante para su análisis.

También se estudiaron las influencias del valor de pH y la temperatura sobre la adsorción de colorantes catiónicos. El experimento típico de adsorción por lotes se llevó a cabo de la siguiente manera:50,0 mg de Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs se dispersó en 50.0 mL de solución de colorantes catiónicos y luego se agitó en un agitador con una velocidad de 180 rpm.

Todos los experimentos de adsorción se llevaron a cabo por duplicado. La capacidad de adsorción de cada tinte en el sistema de adsorción, q _e , se calculó de acuerdo con la Ec. (1):

$$ {q} _e =\ izquierda ({C} _i- {C} _e \ derecha) \ V / {M} _s $$ (1)

Donde q _e (mg g ^{- 1} ) es la capacidad de adsorción, C _e (mM) es la concentración de equilibrio en la fase acuosa, Ci (mM) es la concentración de fase acuosa inicial, V (L) es el volumen de solución y M _s (g) es la masa de adsorbente sólido.

Resultados y discusión

Caracterización de Fe ₃ O ₄ / PCC MNP

La Figura 2a muestra los bucles de histéresis magnética determinados a temperatura ambiente para Fe ₃ O ₄ y Fe ₃ O ₄ / PCC MNP. Los valores de magnetización de saturación de Fe ₃ O ₄ / PCC MNP fueron 53,5 emu g ^{- 1} , más alto que el de Fe ₃ O ₄ (49,6 emú g ^{- 1} ), lo que sugiere que podrían separarse fácilmente mediante un campo magnético externo [33]. El tamaño de partícula, el fenómeno de inclinación del giro, el efecto de tamaño y otros, están relacionados con la magnetización de saturación de las nanopartículas de ferrita [34]. La modificación del policatecol hace que el Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs mucho más altos en cristalización y más pequeños en tamaño de partícula que Fe ₃ O ₄ MNP, que podrían resultar en una mayor magnetización de saturación de Fe ₃ O ₄ / PCC MNP que Fe ₃ O ₄ MNP. Además, una mayor magnetización de saturación del Fe ₃ preparado O ₄ / PCC MNPs también podrían atribuirse al efecto de superficie, a veces llamado "superficie muerta". La superficie muerta está asociada con un trastorno del giro superficial [35].

un Comportamiento de magnetización del Fe ₃ O ₄ MNP y Fe ₃ O ₄ / PCC MNP a temperatura ambiente. b Curvas de termogravimetría (TGA) de Fe ₃ O ₄ MNP y Fe ₃ O ₄ / PCC MNP. c potenciales zeta de Fe ₃ O ₄ / Nanopartículas magnéticas PCC. En la Fig.2, las líneas en blanco representan la naturaleza del Fe ₃ O ₄ MNP, y las líneas rojas son en nombre de la propiedad de Fe ₃ O ₄ / PCC MNP

Los comportamientos térmicos del Fe ₃ O ₄ y Fe ₃ O ₄ / Las MNP de PCC se investigaron adicionalmente mediante análisis termogravimétrico (TGA) (Fig. 2b). Para la curva TGA de Fe ₃ O ₄ MNP, la pérdida de peso (6,5%) por debajo de 150 ° C se debió a la pérdida de agua adsorbida físicamente. Para la curva de Fe ₃ O ₄ / PCC MNP, la pérdida de peso (5.2%) por debajo de 150 ° C se debió a la pérdida de agua adsorbida físicamente, la pérdida de peso (9.4%) de 150 ° C a 400 ° C se atribuyó a la pérdida de oxígeno funcional que contiene grupos, la pérdida de peso (6,8%) de 400 ° C a 800 ° C se atribuyó principalmente a la quema de carbono, y una ligera ganancia de peso (2,3%) por encima de 800 ° C se debió a la oxidación de Fe ₃ O ₄ a γ-Fe ₂ O ₃ [36]. El Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs exhibieron una estabilidad térmica más baja en lugar de Fe ₃ O ₄ , debido a la modificación del policatecol [37].

La Figura 2c muestra los potenciales zeta del Fe ₃ O ₄ y Fe ₃ O ₄ / Suspensiones de PCC a varios valores de pH. Como se muestra en la Fig. 2c, el punto isoeléctrico de Fe ₃ O ₄ era 4.2, mientras que la superficie de Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs poseían cargas negativas en el rango de pH de 3.0 a 10.0, lo que podría deberse a la electronegatividad del grupo hidroxilo fenólico en el policatecol. Además, la densidad de carga superficial de Fe ₃ O ₄ / Los MNP de PCC aumentaron a medida que el pH aumentó de 3.0 a 10.0. Las cargas negativas de Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs también impidieron la aglomeración de nanopartículas.

Adsorción selectiva de Fe ₃ O ₄ / PCC MNP

Las propiedades de adsorción del Fe ₃ O ₄ / Se investigaron en detalle las MNP de PCC hacia colorantes catiónicos, colorantes aniónicos y fenol de solución acuosa. La Figura 3 muestra las eficiencias de eliminación de MB como una especie de tinte catiónico, MO como una especie de tinte aniónico y fenol adsorbido en Fe ₃ O ₄ / PCC MNP. Se observó que la eficiencia de eliminación de MB fue del 75,7%. Sin embargo, la eficiencia de eliminación de MO fue solo del 10,9% y la eficiencia de eliminación del fenol fue solo del 1,5%. Los resultados indicaron que el Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs adsorbieron selectivamente colorante catiónico, debido a la interacción electrostática (Fig. 2c).

La eficiencia de eliminación de MB, MO y teléfono adsorbidos por Fe ₃ O ₄ / PCC MNP. Como se muestra en la Fig. 3, la línea en blanco representa la eficiencia de eliminación de MB, la línea roja representa la eliminación de MO y la línea azul representa la eliminación de phonel

Cinética de adsorción de tintes catiónicos

Cinética de adsorción de cinco colorantes catiónicos sobre Fe ₃ O ₄ / PCC MNP se estudiaron utilizando dos modelos cinéticos, a saber, el modelo de pseudo-primer orden y el modelo de pseudo-segundo orden (Fig. 3). En el modelo cinético de pseudo primer orden, la constante de velocidad de adsorción de tintes se expresa como [38]:

$$ Ln \ left ({q} _e- {q} _t \ right) =\ mathit {\ ln} \ left ({q} _e \ right) \ hbox {-} {k} _1 \ t $$ ( 2)

donde q _e y q _t son las cantidades de colorantes adsorbidos (mg g ^{- 1} ) en equilibrio y en cualquier instante de tiempo t (min), respectivamente, y k ₁ es la constante de velocidad de adsorción de pseudoprimer orden (min ^{- 1} ).

El modelo cinético de pseudo-segundo orden se describe mediante la fórmula [39]:

$$ t / {q} _t =1 / {k} _ {ad} \ {q_e} ^ 2 + 1 / {q} _e $$ (3)

Donde q _e y q _t son, respectivamente, la cantidad de colorantes adsorbidos en el equilibrio y en el tiempo t (mg g ^{- 1} ); y k _anuncio es la constante de velocidad de pseudo-segundo orden para el proceso de adsorción (mg g ^{- 1} min ^{- 1} ). Los valores de los parámetros para cada modelo se calcularon a partir del método lineal de mínimos cuadrados y los coeficientes de correlación se presentaron en la Tabla 1. Los resultados mostraron que toda la cinética de adsorción de estos cinco colorantes catiónicos en Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs podrían describirse bien mediante un modelo de cinética de pseudo-segundo orden con alto coeficiente de correlación (R ² > 0,997) y las constantes de velocidad ( k _anuncio ) se calcularon en 0.043, 0.047, 0.051, 0.057, 0.052 g mg ^{- 1} mL ^{- 1} , correspondientes a MB, GB, MG, CV y FG, respectivamente (Fig. 4 y Tabla 1). Además, la capacidad de adsorción de MB en Fe ₃ O ₄ / PCC MNP se mejoró significativamente, en comparación con el de Fe ₃ O ₄ MNP (archivo adicional 1:Figura S1). La razón principal fueron las atracciones electrostáticas entre la carga positiva de los colorantes catiónicos y la carga negativa de Fe ₃ O ₄ / PCC MNP.

Adsorción de colorantes catiónicos sobre Fe ₃ O ₄ / PCC MNP ( a ) cinética de pseudo-segundo orden ( b ) cinética de pseudoprimer orden. Como se muestra en la Fig.4, la línea en blanco representa la adsorción de MB, la línea roja representa la adsorción de GB, la línea azul representa la adsorción de MG, la línea magenta representa la adsorción de CV y la aceituna representa la adsorción. de FG

Isotermas de adsorción de diferentes tintes catiónicos

La isoterma de adsorción jugó un papel importante en la evaluación de las propiedades de adsorción del Fe ₃ O ₄ / PCC MNP [40]. Para representar el proceso de adsorción a fondo, se aplicaron dos ecuaciones isotermas conocidas, las ecuaciones de Langmuir y Freundlich (ecuaciones (4) y (5)) [41].

Ecuación de Langmuir:

$$ {C} _e / {q} _e ={C} _e / {q} _m + 1 / {K} _L \ {q} _m $$ (4)

donde q _e (mg g ^{- 1} ) es la capacidad de adsorción en equilibrio del tinte sobre el adsorbente; C _e (mg L ^{- 1} ) es la concentración de colorante en equilibrio en solución; q _m (mg g ^{- 1} ), la capacidad máxima del adsorbente; y K _L (L mg ^{- 1} ), la constante de Langmuir.

Ecuación de Freundlich:

$$ {q} _e ={K} _F \ {C_e} ^ {1 / n} $$ (5)

Donde q _e y C _e se definen como los mismos que los anteriores; K _F (L mg ^{- 1} ) es la constante de Freundlich; y n es el factor de heterogeneidad.

La Figura 5 muestra las isotermas de adsorción de colorantes catiónicos en Fe ₃ O ₄ / PCC MNP. Los resultados indicaron que la adsorción de los cinco colorantes catiónicos encajaba mejor con la ecuación de Langmuir que con la ecuación de Freundlich según los coeficientes de correlación. Las capacidades máximas de adsorción ( q _m ) para estos tintes se calcularon mediante la ecuación de Langmuir que se enumeran en la Tabla 2. La q _m para colorantes catiónicos:MB, GB, MG, CV y FG fueron 60.06, 70.97, 66.84, 66.01 y 50.27 mg g ^{- 1} , respectivamente. El modelo de Langmuir ajustado asumió que el contaminante único se adhirió a un solo sitio en el adsorbente y que todos los sitios de la superficie en los adsorbentes tenían la misma afinidad por el contaminante y ninguna interacción entre el contaminante [42].

un Isotermas de adsorción de tintes catiónicos sobre Fe ₃ O ₄ / PCC MNP ( b ) Langmuir y ( c ) Modelos de isotermas de adsorción de Freundlich para tintes orgánicos por Fe ₃ O ₄ / PCC MNP. Como se muestra en la Fig.5, la línea en blanco representa la adsorción de MB, la línea roja representa la adsorción de GB, la línea azul representa la adsorción de MG, la línea magenta representa la adsorción de CV y la línea de oliva es en nombre de la adsorción de FG

Efecto de la temperatura sobre la adsorción de tintes catiónicos

El efecto de la temperatura sobre la adsorción de colorantes catiónicos se muestra en la Fig. 6. Como puede verse, la eficiencia de eliminación de MB aumentó con el aumento de temperatura (30-45 ° C) y alcanzó hasta 84% a 45 ° C , que sugirió que la adsorción de MB en Fe ₃ O ₄ / PCC fue un proceso endotérmico. Mientras que la eficiencia de eliminación de GB y CV disminuyó con el aumento de la temperatura, lo que sugiere una reacción exotérmica para la adsorción de GB y CV, lo que indicó que los procesos de sorción fueron principalmente adsorción física. Además, la temperatura de reacción tuvo poco efecto sobre la adsorción de WG y FG. El efecto de la temperatura de reacción sobre la adsorción de cinco tintes catiónicos fue diferente, principalmente debido a la diferente estructura de los tintes y al orificio de los MNP. Cuando los orificios de los MNP son demasiado pequeños para entrar, las moléculas de adsorbato tienen que atravesar la barrera alta para ingresar al orificio. Dado que los orificios son pequeños y la difusión está bloqueada, el proceso de adsorción es más inestable, lo que genera una mayor energía y el proceso es endotérmico. De lo contrario, el proceso es exotérmico.

Efecto de la temperatura sobre la adsorción de colorantes catiónicos sobre Fe ₃ O ₄ / PCC MNP. Como se muestra en la Fig. 6, la línea en blanco representa que la temperatura es de 30 ° C, la línea roja representa que la temperatura es de 40 ° C y la línea azul representa que la temperatura es de 45 ° C

Efecto del pH sobre la adsorción de tintes catiónicos

El pH de la solución acuosa fue un factor importante que afecta el proceso de adsorción del tinte, ya que influyó en la carga superficial de un adsorbente y en el comportamiento de ionización tanto del adsorbente como del tinte [43]. Se estudió el efecto del pH sobre la eliminación de colorantes catiónicos a una concentración de colorante de 0,1 mM a 30 ° C y a valores de pH de 3,0 a 9,0. Como se muestra en la Fig. 7, la eficacia de eliminación de los colorantes catiónicos aumentó al aumentar el valor de pH. Porque el Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs poseían carga negativa, y su densidad de carga superficial aumentaba con un pH más alto (Fig. 2c), los tintes catiónicos se adsorbieron en Fe ₃ O ₄ / PCC MNP a través de las atracciones electrostáticas entre la carga positiva de las moléculas de colorantes catiónicos y la carga negativa de Fe ₃ O ₄ / PCC MNP. A medida que aumenta el pH, la atracción electrostática entre la superficie cargada negativamente del Fe ₃ O ₄ / El compuesto de PCC y la molécula de colorantes catiónicos aumentaron, lo que resultó en un aumento en la capacidad de adsorción de los colorantes catiónicos. Por lo tanto, el pH elevado ayudó a eliminar los colorantes catiónicos por el Fe ₃ O ₄ / PCC MNP.

Efecto del pH inicial sobre la eliminación de colorantes catiónicos sobre Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs la temperatura es de 30 ° C. Como se muestra en la Fig. 7, la línea en blanco representa que el pH de la solución es 3.0, la línea roja representa que el pH de la solución es 6.0 y la línea azul representa que el pH de la solución es 9.0

Efecto de los cationes coexistentes sobre la adsorción de MB

Los efluentes de tinte siempre contenían una gran variedad de iones coexistentes, que podrían afectar el proceso de adsorción del tinte [4]. En este estudio, tres sales que coexisten comúnmente, NaCl, MgSO ₄ y FeCl ₃ fueron seleccionados para estudiar el efecto de los cationes coexistentes y su fuerza iónica sobre la adsorción de MB en Fe ₃ O ₄ / PCC MNP con los resultados presentados en la Fig. 8. Como puede verse, Na ⁺ , Mg ²⁺ y Fe ³⁺ todos suprimieron la adsorción de MB debido a la adsorción competitiva entre cationes y MB en los sitios de adsorción de Fe ₃ O ₄ / PCC MNP. Además, la eficiencia de eliminación de MB disminuyó del 63% al 20% con Fe ³⁺ concentración aumentando de 0,1 mM a 0,5 mM. Esta adsorción competitiva se informó ampliamente en la literatura [44]. Los resultados confirmaron aún más la adsorción electrostática de MB en Fe ₃ O ₄ / PCC MNP.

Efecto de los cationes coexistentes y la fuerza iónica sobre la adsorción de MB en Fe ₃ O ₄ / PCC MNP. Como se muestra en la Fig.8, la línea en blanco representa la adsorción de MB sin iones coexistentes, la línea roja representa el efecto sobre la adsorción de MB con NaCl 10 mM, la línea azul representa el efecto sobre la adsorción de MB con NaCl 50 mM, la línea magenta línea reperesente el efecto sobre la adsorción de MB con 10 mM MgSO ₄ , la línea de aceituna repite el efecto sobre la adsorción de MB con 50 mM MgSO ₄ , la línea azul marino repite el efecto sobre la adsorción de MB con FeCl ₃ 0,1 mM , la línea violeta repite el efecto sobre la adsorción de MB con FeCl ₃ 0,2 mM , la línea violeta repite el efecto sobre la adsorción de MB con FeCl ₃ 0,1 mM

Reciclaje del adsorbente

Después de la adsorción, Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs se podrían regenerar con desorción de etanol a pH 4.0 durante 12 hy lavar con agua desionizada hasta condiciones neutras. El Fe ₃ O ₄ / PCC MNP se pueden regenerar y reutilizar cinco veces. La Figura 9 muestra el rendimiento de adsorción del Fe ₃ regenerado O ₄ / PCC MNP para colorantes catiónicos. La eficacia de eliminación de los colorantes catiónicos disminuyó gradualmente durante el primer ciclo de adsorción-desorción hasta el quinto ciclo. En el sexto ciclo, la eficiencia de eliminación de MB, GB, MG, CV y FG disminuyó drásticamente al 27%, 23%, 37%, 43% y 39%, respectivamente. Cabe destacar que la presencia de nanopartículas magnéticas facilitó la separación y recuperación del adsorbente. Indica que el Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs tiene una cierta viabilidad económica.

El histograma de la eficiencia de eliminación de colorantes catiónicos por Fe ₃ O ₄ / Adsorción de PCC MNPs ([Fe ₃ O ₄ / PCC] =1.0 g L ^{- 1} , [tintes] ₀ =0,1 mM, pH 6,0, t =300 min)

Conclusión

En conclusión, un nuevo nanoadsorbente magnético (Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs) se preparó con éxito con sitios de adsorción activos para eliminar los colorantes catiónicos de la solución acuosa. La introducción de policatecol en la estructura de Fe ₃ O ₄ / Las MNP de PCC obtuvieron ventajas asombrosas, incluida la prevención de la aglomeración de las nanopartículas y la mejora del comportamiento de adsorción de las MNP. Se descubrió que la interacción electrostática es la fuerza principal del comportamiento de adsorción de los colorantes catiónicos. El proceso de adsorción fue bien descrito por cinética de pseudo-segundo orden y modelos de isoterma de Langmuir, respectivamente. Los resultados demostraron que Fe ₃ O ₄ / PCC MNPs mostraron una aplicación potencial para la eliminación de tintes catiónicos en efluentes industriales.