Hoog-efficiënte magnetische koolstofmicrosferen voor herbruikbare verwijdering van sulfonamide uit water

Samenvatting

We rapporteren een eenvoudige hydrothermale synthese van magnetische koolstofmicrosferen (MCMs) met behulp van glucose en Fe₃O₄ nanodeeltjes. Calcinatie bij 600 °C gedurende 1 uur levert een materiaal met een uitzonderlijke BET-oppervlakte van 1228 m²/g en een poriëvolume van 0,448 m³/g. De MCMs adsorberen sulfonamide met een maximale capaciteit van 24,6 mg g⁻¹ bij pH 4,0, dalend tot 19,2 mg g⁻¹ bij pH 10,0. Adsorptie volgt een Langmuir-isotherm en pseudo-tweede-orde kinetiek, en de adsorber behoudt 18,31 mg g⁻¹ na vier regeneratiecycli, wat robuuste herbruikbaarheid demonstreert.

Achtergrond

Antibiotica-verontreiniging, met name sulfonamides, vormt een significante bedreiging voor aquatische ecosystemen en de menselijke gezondheid. Traditionele koolstofadsorberen zijn moeilijk uit water te herwinnen, wat hun praktische gebruik beperkt. Het incorporeren van magnetische nanodeeltjes in koolstofmatrices creëert magnetische koolstofcomposieten die moeiteloos met een externe magneet kunnen worden opgehaald. Hoewel dergelijke materialen zijn verkend voor kleurstoffen en fenolen, blijft hun toepassing op sulfonamide-verwijdering onderontwikkeld.

Methoden

Chemicaliën en Materialen

Alle reagentia waren analytische graad (Sinopharm, Nanjing Chemical Reagent Co., Ltd., Xilong Chemical Co., Ltd.). Gedestilleerd water werd doorheen gebruikt.

Fe₃O₄ nanodeeltjes synthese

FeCl₃·6H₂O (1,35 g) en NaAc·3H₂O (3,60 g) werden opgelost in 40 mL ethylenglycol, overgebracht naar een 100 mL Teflon-gevoerde autoklaaf, en verwarmd bij 200 °C gedurende 8 uur. Het product werd gewassen met water en ethanol.

Bereiding van MCMs

0,1 g Fe₃O₄ nanodeeltjes werden gedispergeerd in 60 mL water met glucose, geroerd, en hydrothermisch behandeld bij 200 °C gedurende 11 uur. De resulterende microsferen werden gewassen, geïmpregneerd met 40% ZnCl₂, gedroogd, en gecalcineerd onder N₂ bij 600 °C gedurende 1 uur.

Karakterisatie

MCMs werden onderzocht met TEM, FE-SEM, VSM, BET-analyse en zeta-potentiaalmeting. Vergelijkingen voor adsorptiecapaciteit en kinetische modellen werden toegepast zoals beschreven in de oorspronkelijke studie.

Adsorptie-experimenten

Sulfonamide-oplossingen (50 mL) werden gemengd met MCMs (1 g L⁻¹) en geschud bij 300 K en 120 rpm. Na evenwicht werd de adsorber magnetisch gescheiden en de sulfonamide-concentratie gemeten bij 258 nm. Regeneratie omvatte NaOH (0,1 M) desorptie, ultrasonische agitatie, en spoelen tot pH 7.

Resultaten en Discussie

Microstructuur

TEM-beelden (Fig. 1) bevestigen ~200 nm Fe₃O₄ kernen uniform gecoat met een koolstofschil, vormende sferische MCMs.

Spectroscopische Analyse

FT-IR toont karakteristieke Fe–O rekving (~574 cm⁻¹) en –OH brede banden (~3462 cm⁻¹). XRD bevestigt de kubische magnetiet-fase.

Oppervlakte en Porositeit

BET-analyse (Fig. 3) onthult een oppervlakte van 1228 m²/g en een poriëvolume van 0,448 m³/g voor het bij 600 °C/1 uur gecalcineerde monster (MCM-d). ZnCl₂-impregnatie en hogere calcinatietemperaturen zijn cruciaal voor het bereiken van deze hoge porositeit.

Magnetische Eigenschappen

VSM-data (Fig. 4) tonen een verzadigingsmagnetisatie van 42,3 emu g⁻¹, voldoende voor efficiënte magnetische scheiding terwijl een superparamagnetische respons behouden blijft.

Adsorptie-isotherm

Langmuir-fitting levert een maximale capaciteit Qm = 27,86 mg g⁻¹, wat monolaag-adsorptie aangeeft. Freundlich-parameters (KF = 3,06 L g⁻¹, 1/n = 0,476) bevestigen gunstige adsorptie. Het Langmuir-model geeft een hogere R², wat op een homogene oppervlakte duidt.

Adsorptie-kinetiek

Pseudo-tweede-orde kinetiek (R² = 0,999) presteert beter dan pseudo-eerste-orde, wat impliceert dat chemisorptie het proces controleert.

Effect van pH

Adsorptie daalt van 24,22 tot 12,48 mg g⁻¹ naarmate pH stijgt van 4 tot 12, door veranderingen in protonatiestatus van sulfonamide en oppervlakteladinginversie van de MCMs.

Effect van Temperatuur en Ionsterkte

Hogere temperaturen en toegevoegd KCl verlagen de adsorptiecapaciteit, waarschijnlijk door competitie en thermische desorptie.

Herbruikbaarheid

Na vier regeneratiecycli behouden MCMs 73,23% verwijderingsefficiëntie (18,31 mg g⁻¹) en vertonen geen morfologische verandering (Fig. 7b). De adsorber kan minstens vijf keer hergebruikt worden met acceptabele capaciteitsverlies.

Conclusies

We hebben een magnetische koolstofmicrosfeer ontwikkeld met een ongekende oppervlakte (1228 m²/g) en poriëvolume (0,448 m³/g) die effectief sulfonamide uit water verwijdert. Het materiaal volgt Langmuir-adsorptie, pseudo-tweede-orde kinetiek, en kan geregenereerd worden met NaOH, met behoud van hoge prestaties over meerdere cycli. Deze bevindingen bieden een praktisch pad voor het ontwerpen van herbruikbare adsorberen voor farmaceutische verontreinigingen.