Magnetiet Nano-Adsorbeerder uit Walz-Afval Verwijdert Efficiënt Cu(II) uit Water: Synthese, Karakterisering, Adsorptiekinetica en Regeneratie

Samenvatting

We converteerden staalfabriek-walz-afval tot een magnetiet nano-adsorbeerder (MNA) en evalueerden de prestaties voor kobber(II) verwijdering. Na conventioneel malen en hoge-energie balmahlen (HEBM) voor 3, 5 en 7 u, toonde het 7-u monster (MNA-7) een kristallijne Fe₃O₄ fase met een gemiddelde deeltjesgrootte van 11,2 nm, een specifiek oppervlak van 5,98 m² g⁻¹, verzadigingsmagnetisatie van 8,35 emu g⁻¹ en een iso-elektrisch punt van pH 5,4. Onder optimale condities (pH 5,4, 0,05 g L⁻¹ adsorbeerder, 120 min contacttijd) bereikte het een Cu(II) opname van 4,42 mg g⁻¹ en een verwijderingsefficiëntie van 62,6 %. De adsorptiedata paste het best op het Temkin-isotherm en het pseudo-tweede-orde kinetische model (R² > 0,99). Na drie regeneratiecycli behield de adsorbeerder 70,9 % van de initiële capaciteit. Dit laagkost, snelwerkend materiaal biedt een praktische route om walz-afval te valoriseren en kobber-verontreinigd water te saneren.

Inleiding

Waterkwaliteit is cruciaal voor het leven, maar industriële groei heeft zware-metalverontreiniging geïntensiveerd, met name kobber(II) (Cu²⁺). Hoewel essentieel in sporen, veroorzaken verhoogde Cu²⁺ concentraties ernstige gezondheidsrisico's en ecologische schade, wat stringente limieten dwingt: WHO stelt 2 mg L⁻¹ en EPA 1,3 mg L⁻¹. Conventionele saneringsmethoden (neerslag, ionenuitwisseling, scheiding, coagulatie, adsorptie) hebben elk nadelen; adsorptie springt eruit door eenvoud, kosteneffectiviteit en hoge verwijderingsefficiëntie. Echter, veel conventionele adsorbeerders lijden onder laag oppervlak, zwakke binding en slechte regeneratie.

Nanodeeltjes, vooral magnetische Fe₃O₄, bieden hoge oppervlak-tot-volume verhoudingen, superparamagnetisme en eenvoudige magnetische scheiding, wat ze aantrekkelijk maakt voor zware-metalverwijdering. Toch blijft het gebruik van magnetiet direct afkomstig van industriële afval onvoldoende onderzocht. Hier synthetiseren we een magnetiet nano-adsorbeerder uit staalfabriek-walz-afval via hoge-energie balmahlen, en onderzoeken systematisch de structurele, magnetische en adsorptiekarakteristieken voor Cu²⁺ verwijdering.

Materialen en Methoden

Materialen en Chemicaliën

Walz-afval chips werden verkregen van een Maleisische staalfabriek. Kobbernitraat (Cu(NO₃)₂·3H₂O) werd gebruikt om een 1000 ppm voorraadoplossing te bereiden. Gedeioniseerd water (Milli-Q) en 0,1 M HCl/NaOH werden gebruikt voor oplossingsbereiding. Een UV-Vis spectrophotometer (λ = 600 nm) kwantificeerde Cu²⁺ concentraties.

Synthese van Magnetiet Nano-Adsorbeerder (MNA)

De rauwe chips werden gewassen, gedroogd bij 104 °C, en gemalen tot <100 µm. Niet-magnetische onzuiverheden werden verwijderd via magnetische scheiding (MST) en zwak-magnetische deeltjes verworven via Curie-temperatuurscheiding (CTST). Het resulterende micron-gegroeide Fe₃O₄ werd aan de lucht gedroogd en onderworpen aan HEBM voor 3, 5 of 7 u om nano-gegroeide magnetiet te produceren (MNA-3, MNA-5, MNA-7).

Karakterisering van Bereide Nano-Magnetiet Adsorbeerder (MNA)

Faseanalyse werd gedaan met XRD (Cu Kα, λ = 0,154 nm) en de Debye-Scherrer vergelijking. Morfologie werd onderzocht met HRTEM, FESEM-EDS. BET-analyse (N₂ adsorptie) leverde specifiek oppervlak en poriegrootte. Zetapotentiaal werd gemeten met een Malvern ZS Zeta-sizer, en magnetische eigenschappen beoordeeld door VSM (0–13 kOe). FTIR-spectra (400–4000 cm⁻¹) identificeerden oppervlaktefunctionele groepen.

Adsorptiestudies

Batch-adsorptietests gebruikten 100 mL Cu²⁺ oplossingen (10–50 mg L⁻¹) in 250 mL kolven. Adsorbeerder doseringen varieerden van 10 tot 50 mg. Experimenten werden uitgevoerd bij 25 °C, pH 5,4, met roeren. Verwijderingspercentage en adsorptiecapaciteit werden berekend via vergelijkingen (1) en (2). Contacttijden tot 240 min werden geëvalueerd.

Kinetische Studie

Tijdsopgeloste Cu²⁺ concentraties (0–50 min) werden gefit aan Lagergren's pseudo-eerste-orde en pseudo-tweede-orde modellen (vergelijkingen (3) en (4)). R² waarden beoordeelden modelpassing.

Regeneratiestudie

Na adsorptie werd MNA magnetisch gescheiden, behandeld met 0,1 M HCl gedurende 180 min bij 26 °C, gespoeld tot neutraal pH, en gedroogd bij 60 °C gedurende 1 u. De geregenereerde adsorbeerder werd hergebruikt in drie opeenvolgende cycli; regeneratie-efficiëntie (RE) berekend via vergelijking (5).

Statistische Analyse

Data geanalyseerd met eénrichtings ANOVA (SAS 9.4) met Duncan's post-hoc test (p < 0,05).

Resultaten en Discussie

Structurele en Fase-analyse

XRD bevestigde de transformatie van het rauwe afval in zuiver Fe₃O₄ na CTST. Het 7-u HEBM monster (MNA-7) vertoonde karakteristieke Fe₃O₄ pieken met piekverbreeding die nanokristallijne grootte aanduidt (gemiddelde kristallijngrootte ≈ 9,8 nm). HRTEM-afbeeldingen toonden irreguliere deeltjes met gemiddelde 11,2 nm. De toename van FWHM met maaltijd correleerde met verminderde kristallijngrootte.

Morfologische en Microstructurele Samenstelling

HRTEM onthulde een deeltjesgrootteverdeling van 10–22 nm, met kleinere deeltjes geproduceerd bij kortere maaltijden door verminderde agglomeratie. FESEM-EDS bevestigde de Fe:O verhouding van ≈ 3:1, consistent met magnetiet.

Magnetische Eigenschappen Analyse

VSM-data toonden verzadigingsmagnetisatie waarden van 21–27 emu g⁻¹, remanentie 1,5–6,6 emu g⁻¹, en coerciviteit 200–270 G. MNA-7 bezat de hoogste Ms (27 emu g⁻¹) en vertoonde superparamagnetisch gedrag, wat magnetische scheiding vergemakkelijkt.

Effect van Adsorptieparameters

Onder de maaltijden leverde MNA-7 de hoogste adsorptiecapaciteit (4,41 mg g⁻¹) en verwijderingsefficiëntie (62,6 %). Deze superioriteit wordt toegeschreven aan de optimale deeltjesgrootte, oppervlak en magnetische eigenschappen.

Oppervlakteanalyse

BET-metingen van MNA-7 gaven een specifiek oppervlak van 5,98 m² g⁻¹ en een porievolume van 0,011 cm³ g⁻¹. De N₂ isotherm vertoonde een Type III hysteres, wat zwakke adsorbaat-adsorbeerder interacties aangeeft typisch voor mesoporeuze Fe₃O₄.

EDS Analyse

Pre-adsorptie EDS toonde Fe (78,3 %) en O (21,7 %). Post-adsorptie spectra onthulden additioneel Cu (≈ 1,5 %), wat Cu²⁺ opname bevestigt.

FTIR Analyse

Fe-O rekbanden bij 525 en 576 cm⁻¹ bleven na adsorptie behouden, terwijl nieuwe pieken rond 500–600 cm⁻¹ en een verbreedde OH-band bij 3478 cm⁻¹ Cu²⁺ coördinatie aan oppervlaktehydroxiden aangeven.

Zetapotentiaal Analyse

Het iso-elektrische punt van MNA-7 was pH 5,4. Bij pH > 5,4 wordt het oppervlak negatief geladen, wat electrostatische aantrekking tot Cu²⁺ versterkt en de optimale verwijdering bij deze pH verklaart.

Batch-Adsorptieanalyses

Effect van Contacttijd

Evenwicht werd bereikt binnen 120 min; adsorptiecapaciteit steeg snel in de eerste 10 min en plateauwde daarna. De maximale capaciteit van 4,41 mg g⁻¹ werd bereikt bij 120 min.

Effect van Initiële Concentratie

Hogere initiële Cu²⁺ concentraties (10–50 mg L⁻¹) leidden tot verhoogde adsorptiecapaciteiten, reflecterend een hogere dryvende kracht en meer actieve plaatsbezetting.

Effect van MNA Dosering

Adsorptiecapaciteit nam af met toenemende dosering door agglomeratie en verminderd specifiek oppervlak per gram, terwijl verwijderingsefficiëntie piekte bij 0,05 g per 200 mL oplossing.

Effect van pH

Verwijderingsefficiëntie steeg van 10,7 % bij pH 2 tot 62,6 % bij de optimale pH 5,4, daalde daarna iets bij hogere pH-waarden door concurrerende OH⁻ ionen.

Kobber Adsorptiekinetica

Het pseudo-tweede-orde model leverde R² = 0,999, wat chemisorptie met elektronenuitwisseling tussen Cu²⁺ en Fe₃O₄ oppervlakteplaatsen aanduidt. Pseudo-eerste-orde fit was minder goed (R² ≈ 0,96).

Kobber Adsorptie-isothermen

Zowel Freundlich als Temkin plots waren lineair; de Temkin-isotherm bood echter een betere fit (R² = 0,91), wat een dalende adsorptiewarmte met dekking en interactie geadsorbeerde soorten suggestie.

Regeneratie- en Desorptiestudie

Drie regeneratiecycli met 0,1 M HCl behielden 70,9 % van de oorspronkelijke capaciteit, met slechts 10 % verlies na de derde cyclus, wat goede herbruikbaarheid demonstreert.

Conclusies

Hoge-energie balmahlen van walz-afval produceerde een magnetiet nano-adsorbeerder (MNA-7) met 11,2 nm deeltjes, 5,98 m² g⁻¹ oppervlak en sterke magnetische respons. Onder optimale condities (pH 5,4, 0,05 g L⁻¹, 120 min) verwierde het 62,6 % van Cu²⁺ uit waterige oplossingen, met een adsorptiecapaciteit van 4,41 mg g⁻¹. Regeneratie met 0,1 M HCl behield 70,9 % van de capaciteit na drie cycli. Deze resultaten bevestigen dat MNA-7 een laagkost, efficiënte en herbruikbare adsorbeerder is voor kobberverwijdering, en een waardevolle route vertegenwoordigt voor afvalvalorisatie en waterbehandeling.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

De datasets gegenereerd tijdens deze studie zijn beschikbaar bij de corresponderende auteur op redelijk verzoek.