Holge polyaniline-microdeeltjes halen 127,9 mg/g Cr(VI)-verwijdering voor duurzame afvalwaterbehandeling

Samenvatting

We rapporteren een schaalbare synthese van holle polyaniline (PANI) micro/nanospheren via zacht-getemplateerde monomer-polymerisatie in een alkalisch medium met behulp van Triton X-100 micellen. De resulterende nanostructuur vertoont snelle, hoge-capaciteit adsorptie van hexavalent chroom (Cr(VI)) over een breed pH-bereik, met een maximale verwijdering van 127,88 mg g⁻¹ bij pH 3. Zuurregeneratie herstelt de prestaties van het materiaal, wat de praktische herbruikbaarheid benadrukt.

Achtergrond

Cr(VI) is een kankerverwekkende verontreiniging vrijgekomen door chroomplatering, leerlooi, metaalafwwerking en textielfabrikage. De hoge mobiliteit en toxiciteit vormen ernstige gezondheidsrisico's, waaronder nierschade en leverkanker. Conventionele reductiemethoden met sulfieten of ferroze zouten genereren niet-herbruikbaar afval, wat de behoefte aan nieuwe, eco-vriendelijke adsorbenten drijft. Geleidingende polymeren, met name polyaniline (PANI), hebben aandacht getrokken voor Cr(VI)-sanering vanwege hun eenvoudige synthese, lage kosten en rijke amine-functionaliteit die elektronen kan doneren voor reductie. Echter, bulk PANI lijdt onder beperkte porositeit, wat de oppervlakte en adsorptie-efficiëntie beperkt. Holle PANI-microsferen, met hun interne kaviteiten, verhogen de beschikbare actieve plaatsen dramatisch, wat de Cr(VI)-opname verbetert. Bestaande harde-getemplateerde benaderingen zijn arbeidsintensief en compromitteren de structurele integriteit. Onze zacht-getemplateerde methode overwint deze nadelen, en levert hoge-opbrengst, reproduceerbare holle spheren.

Methoden

Doel

Een schaalbaar, herbruikbaar hol PANI-nanomateriaal fabriceren capabel van Cr(VI)-verwijdering uit industriële afvalwater.

Materialen

Aniline, NaOH, Triton X-100, en ammoniumpersulfaat (APS) werden gebruikt zoals ontvangen.

Synthese

In een typische run, werden 32 mmol aniline, 32 mmol NaOH, en 0,82 mmol Triton X-100 gedispergeerd in 20 mL gedestilleerd water onder magnetisch roeren gedurende 20 min, afgekoeld in een ijsbad, en vervolgens gemengd met 32 mmol APS (voor-gekoeld). De reactie liep 12 uur bij 0 °C. Het product werd herhaaldelijk gewassen met water en ethanol tot het filtraat helder was, en vervolgens gedroogd bij 60 °C gedurende 24 uur.

Karakterisatie

Morfologie: FESEM (Sirion 200) en TEM (JEOL-2010). Structuur: XRD (Philips X'Pert) en FTIR (JASCO FT-IR 410). Samenstelling: ICP en UV-Vis voor Cr-kwantificering; XPS (ESCALAB 250) voor oxidatietoestanden. Grootte en zeta-potentiaal: Zetasizer 3000HS.

Cr(VI)-verwijderingstest

Kaliumdichromaatoplossingen (initieel 62,4 mg L⁻¹) werden bereid en gedilueerd naar gewenste concentraties. 10 mg PANI werd gedispergeerd in 20 mL van de Cr(VI)-oplossing bij gespecificeerd pH (aangepast met NaOH/HCl), gerroeid gedurende 3 uur, gecentrifugeerd, en de supernatant's pH werd hersteld naar 7,5–8,5. De evenwichtsverwijderingscapaciteit (q_e) werd berekend door q_e=((c₀−c_e)V)/m.

Kinetiek

Verwijdering werd gemonitord bij pH 3, 4, 5. Op elk tijdstip werd de oplossing gecentrifugeerd en c_e gemeten door UV-Vis bij 350 nm. Data werden gefit aan de pseudo-tweedegraads vergelijking t/q_t=1/(k₂q_e²)+t/q_e.

Isotherm

Evenwichtsadsorptie bij diverse initiële Cr(VI)-concentraties werd geanalyseerd met het Langmuir-model: c_e/q_e=1/(q_mk_L)+c_e/q_m.

Resultaten en discussie

Morfologie

FESEM-beelden onthullen uniforme holle spheren (0,5–2 µm diameter) met zichtbare centrale kaviteiten (Figuur 1a,b). TEM bevestigt de holle architectuur.

Structuur

FTIR-spectra tonen kenmerkende banden bij 1569 cm⁻¹ (chinon C-N), 1496 cm⁻¹ (benzenoïde C-N) en 1142 cm⁻¹ (N-Q-N), wat de overwegende emeraldine-vorm aangeeft. XRD toont scherpe pieken bij 20,2° en 25,4°, wat hoge kristallijnheid bevestigt.

Cr(VI)-verwijderingskinetiek

Snelle decoloratie treedt op binnen 90 min bij pH 3. Het pseudo-tweedegraads model past de data uitstekend (R²>0,998), met q_e waarden van 80,65, 37,48 en 21,56 mg g⁻¹ voor pH 3, 4, 5 respectievelijk.

Effect van pH

Verwijderingscapaciteit neemt scherp toe naarmate pH daalt van 12 tot 2, bereikend 127,88 mg g⁻¹ bij pH 3. Onder pH 2 stijgt totaal Cr door Cr(III)-desorptie, waarschijnlijk gedreven door elektrostatische afstoting. Dus, optimale verwijdering treedt op tussen pH 2–4.

Isothermanalyse

Langmuir-fitting (R²>0,998) levert maximale capaciteiten q_m van 127,88 mg g⁻¹ (pH 3), 43,20 mg g⁻¹ (pH 4) en 25,61 mg g⁻¹ (pH 5), wat monolaag-adsorptie op een homogene oppervlak bevestigt.

Mecanisme

Cr(VI) wordt eerst elektrostatisch geadsorbeerd als HCrO₄⁻ op geprotonemeerde emeraldine PANI, daarna gereduceerd tot Cr(III) terwijl PANI oxideert tot pernigraniline. Cr(III) blijft ionisch gebonden aan het PANI-oppervlak. XPS toont een Cr 2p₃/₂ bindingsenergie van 577,4 eV, kenmerkend voor Cr(III). De holle morfologie biedt uitgebreide oppervlakte (BET 32,8 m² g⁻¹) en interne poriën voor snelle massa-overdracht.

Regeneratie

Onderdompeling van uitgeputte spheren in 1 M HCl gedurende 30 min herstelt de emeraldine-toestand en herstelt ~95% van de oorspronkelijke capaciteit, wat robuuste herbruikbaarheid demonstreert.

Vergelijking met literatuur

Tabel 1 vat samen dat onze holle PANI-sferen veel gerapporteerde adsorbenten overtreffen in capaciteit en herbruikbaarheid.

Conclusies

We hebben een gemakkelijke, zacht-getemplateerde synthese van holle PANI micro/nanospheren gedemonstreerd die 127,9 mg g⁻¹ Cr(VI)-verwijdering bereiken bij pH 3, met snelle kinetiek, monolaag-adsorptiegedrag, en eenvoudige zuur-gebaseerde regeneratie. Deze kenmerken positioneren het materiaal als een veelbelovende, duurzame oplossing voor industriële Cr(VI)-sanering.

Afkortingen

APS

Ammoniumpersulfaat

B

Benzenoïde ring

EB

Emeraldine

FESEM

Veld-emissie scanning-elektronenmicroscoop

FTIR

Fourier-transformatie infrarood spectroscopie

ICP

Inductief gekoppelde plasma-emissiespectrometer

LB

Leucoemeraldine

PANI

Polyaniline

PB

Pernigraniline

Q

Chinon ring

TEM

Transmissie-elektronenmicroscoop

XPS

Röntgenfoto-elektronspectroscopie

XRD

Röntgen-diffractie