Ruimtebegrensd effect Eenpotssynthese van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH heterostructuren met uitstekende adsorptieprestaties

Abstract

Hierin werd γ-AlO (OH) als een anorganisch middel met succes in de MgAl-LDH-laag ingebracht door een éénpotssynthese, de composiet als een adsorbens voor het verwijderen van methyloranje (MO) uit afvalwater. De structuur en adsorptieprestaties van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH werden gekarakteriseerd. Het onderzoek toont aan dat het expansievlak (003) en de hydroxyl-actieve plaats van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH respectievelijk de adsorptiecapaciteit en de adsorptiekinetiek kunnen bevorderen. Daarom vertoont γ-AlO(OH)/MgAl-LDH een superadsorptieprestatie, die MO volledig adsorbeert bij een concentratie van 1000 mg g⁻¹ . Bovendien was de maximale adsorptiecapaciteit van MO 4681,40 mg g⁻¹ volgens het Langmuir-model. Deze resultaten geven aan dat γ-AlO(OH)/MgAl-LDH een potentieel adsorbens is voor de verwijdering van organische kleurstoffen in water.

Inleiding

Organische kleurstoffen worden veel gebruikt in veel producten zoals textiel, leer, verf en rubber [1,2,3]. Deze kleurstoffen worden gemakkelijk in het water geloosd [4], wat ernstige milieuproblemen veroorzaakt, zoals schade aan in het water levende organismen, het verbruik van opgeloste zuurstof en het verkleuren van water [3, 5]. Bovendien zijn de meeste organische kleurstoffen zeer polair, niet-vluchtig en moeilijk biologisch afbreekbaar. Er wordt waargenomen dat afvalwater van kleurstoffen ernstig schadelijk is voor de menselijke gezondheid. Daarom is de behandeling van kleurstofafvalwater een dringende taak. Momenteel maken de meeste behandelingen voor kleurstofafvalwater gebruik van fysieke adsorptie, fotokatalyse, biologische en chemische oxidatie, flocculatie en membraanscheiding [4, 6]. Onder hen heeft de fysische adsorptiemethode een speciale positie op het gebied van afvalwaterbehandeling vanwege het vermogen om bepaalde verbindingen selectief te verrijken. Bovendien heeft de adsorptiemethode de kenmerken van een goed adsorptie-effect, een eenvoudige bediening en een breed toepassingsgebied en wordt ze veel gebruikt op het gebied van de behandeling van kleurstofafvalwater [7, 8].

Gelaagde dubbele hydroxiden (LDH's), een veel voorkomende anionische klei, bestaan uit brucietachtige lagen [9]. De algemene formule kan worden uitgedrukt als [M ²⁺ _{1 − x} M ³⁺ _x (OH)₂ ][(A ⁿ )_{x /n} ]·yH₂ O, waar M ²⁺ , M ³⁺ , en A ⁿ vertegenwoordigen de tweewaardige kationen, driewaardige kationen en n -valente anionen, respectievelijk [10]. LDH heeft uitstekende adsorptie-eigenschappen voor kleurstoffen vanwege de hoge anionenuitwisselingscapaciteit en het grote oppervlak. Lafi et al. bereid MgAl-LDH door middel van een coprecipitatiemethode; de adsorptiecapaciteit van het adsorbens op Congorood bereikte 111,111 mg g⁻¹ [11]. Zheng et al. bereid Zn-Mg-Al LDH ook via de coprecipitatiemethode, die een uitstekende adsorptiecapaciteit heeft van wel 883,24 mg g⁻¹ voor methyloranje bij pH =3 [12]. Het is duidelijk dat voor LDH-adsorbentia de meeste onderzoekers zich richten op het nastreven van een hoge ionenuitwisselingscapaciteit en een groot specifiek oppervlak. Helaas is de nanokristallisatie van LDH's niet onbeperkt. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers ontdekt dat organische of anorganische insertie in LDH-lagen de adsorptiecapaciteit van LDH kan verhogen. Mandal et al. natriumalginaat tussen de LDH-lagen ingebracht om een samengesteld adsorbens te vormen. Het natriumalginaat helpt bij het verbreden van de tussenlaagruimte van het LDH en verhoogt de adsorptiecapaciteit van het adsorbens voor de oranje II-kleurstof [13]. Bruna et al. gesynthetiseerd organisch/LDH (organisch anion dodecylsulfaat (DDS) ingevoegd in MgAl-LDH) als een adsorbens van polycyclische aromatische koolwaterstoffen in water en bodem-watersystemen [14]. Daarom is het een goed idee om het adsorbens te ontwerpen door een verbinding tussen de LDH-lagen aan te brengen. Aluminiumoxidehydroxide (γ-AlO(OH)) is een goed adsorbens voor afvalwaterbehandeling, vanwege het hoge specifieke oppervlak en de grote hoeveelheid hydroxylgroepen op het oppervlak [15, 16]. Daarom is γ-AlO(OH) een potentieel anorganisch intercalatiemateriaal voor MgAl-LDH.

In dit artikel werd γ-AlO(OH) met succes ingevoegd in MgAl-LDH door middel van een hydrothermische methode. Dit composiet vertoont uitstekende adsorptie-eigenschappen voor methyloranje (MO). De structurele kenmerken van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH-composieten werden geëvalueerd met behulp van röntgenpoederdiffractie (XRD), Fourier-transform infraroodspectroscopie (FTIR), veldemissie scanning-elektronenmicroscopie (FESEM), transmissie-elektronenmicroscopie ( TEM) en transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HRTEM). De adsorptie-eigenschappen van de composieten werden geëvalueerd via de adsorptie van MO, en er werd diepgaand onderzoek gedaan naar het synergetische mechanisme van γ-AlO(OH) en MgAl-LDH.

Methoden

Bereiding van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH

Alle chemische reagentia waren van analytische kwaliteit en werden zonder verdere zuivering gebruikt. De γ-AlO(OH)/MgAl-LDH-composiet werd bereid met behulp van de hydrothermische methode. In een typische synthese, Mg(NO₃ )₂ ·6H₂ O (4,615 g) en Al(NO₃ )₃ ·9H₂ O (3,376 g) werden opgelost in 50 ml gedeïoniseerd (DI) water (Mili-Q, 18,2 MΩ) om oplossing 1 te vormen. NaOH (2,516 g) werd opgelost in 25 ml ontgast gedeïoniseerd water, zodat oplossing 2 werd geproduceerd . Oplossingen 1 en 2 werden druppelsgewijs toegevoegd aan een reactievat dat 25 ml gedeïoniseerd water bevat en er werd krachtig geroerd bij een constante pH-waarde van 10 en een temperatuur van 60°C. Vervolgens werd de resulterende slurry gedurende 10 uur verder behandeld onder hydrothermische omstandigheden bij 140°C en afgekoeld tot kamertemperatuur. γ-AlO(OH)/MgAl-LDH werd verschillende keren gewassen met gedeïoniseerd water en gevriesdroogd in een vacuümvriesdroger. Ter vergelijking:pure MgAl-LDH en γ-AlO(OH) werden bereid door dezelfde hydrothermische behandeling (140 °C, 10 uur).

Karakterisering

De fasestructuur werd gekenmerkt door poederröntgendiffractie (XRD; X'Pert PRO PANalytical) in de 2θ bereik van 5-80° met Cu Kα-straling bij een golflengte van 0,15406 nm. De oppervlaktemorfologie van het monster werd afgebeeld door FESEM (S4800) bij 5 kV. De microstructuur van de monsters werd geanalyseerd met HRTEM (JEM-2100F) bij 200 kV. IR-spectra werden opgenomen in het bereik van 4000-400 cm⁻¹ met behulp van een FTIR-spectrometer (NEXUS 470, Nicolet-instrumenten) met een optische resolutie van 4 cm⁻¹ en een opening van 100 im. Stikstofadsorptie-desorptie-experimenten voor kwantificering van oppervlakte en porositeit werden uitgevoerd bij -196 ° C met een NOVA-1200e-instrument. Voorafgaand aan de analyse werden de monsters 12 uur onder vacuüm bij 80 ° C voorbehandeld. Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS; ESCALAB 250Xi) metingen werden uitgevoerd met Al Ka-straling. De energie van het scannen van het onderzoeksspectrum was 100 eV bij de stapgrootte van 1 eV. De energie van scannen met hoge resolutie was 20 eV bij de stapgrootte van 0,1 eV. Het vacuüm van de test is 10⁻¹⁰ mbar. De UV-Vis-absorptiespectra van de verschillende monsters werden verkregen met behulp van een UV-3600-spectrofotometer uitgerust met een integrerende bol. De fotoluminescentiespectra van de materialen werden verkregen met een fluorescentiespectrofotometer (VARIAN).

Adsorptie-experimenten

De adsorptieprestaties van de monsters werden getest op de adsorptie van methyloranje (MO) in waterige oplossing. Een monster van 50 mg werd geplaatst in 50 ml 1000 mg L⁻¹ MO-oplossing onder magnetisch roeren. De pH-waarde van de oplossing werd aangepast met 0,1 M HNO₃ zuur of 1 M NaOH-oplossing. Na een geschikte tijd werd het watermonster (3 ml) uit de suspensie genomen. Het supernatant werd verkregen door centrifugeren en de concentratie van de oplossing werd gemeten met behulp van een UV-Vis-spectrofotometer (UV-3600). De evenwichtshoeveelheid adsorptie (q _e (mg g⁻¹ )) en de momentane hoeveelheid adsorptie (q _t (mg g⁻¹ )) werden berekend met de volgende vergelijkingen:

$$ {q}_t=\frac{\left({C}_0-{C}_t\right)V}{m}\kern35em (1) $$$$ {q}_e=\frac{\left( {C}_0-{C}_e\right)V}{m}\kern35.25em (2) $$

waar C ₀ (mg L⁻¹ ) is de initiële MO-concentratie; C _e (mg L⁻¹ ) en C _t (mg L⁻¹ ) zijn de MO-concentratie bij evenwicht en op tijdstip t (min), respectievelijk; V (L) is het volume van de oplossing; en m (g) is de massa van het adsorbens.

Desorptie-experimenten

Het desorptie-experiment van MO werd uitgevoerd met DI-water als storend middel. Een portie van 50 mg van de gebruikte monsters werd voorzichtig met water gewassen om alle ongestoorde MO te verwijderen. Bovendien werden geladen MO-monsters krachtig geroerd met ethanoloplossing en gecentrifugeerd. Na centrifugeren werden de verkregen monsters gevriesdroogd. Vervolgens werden de resulterende poedermonsters onderworpen aan opeenvolgende adsorptie-desorptiecycli.

Resultaten en discussie

Karakterisatie van As-Synthesized Samples

De XRD-patronen van de gesynthetiseerde monsters worden getoond in figuur la. Voor γ-AlO(OH)/MgAl-LDH wordt waargenomen dat de belangrijkste diffractiepieken liggen op 10,09°, 19,95°, 34,40°, 60,56° en 61,48°, wat overeenkomt met de (003), (006), (012), (110) en (113) vlakken van respectievelijk MgAl-LDH (JPCDS nr. 89-0460). Bovendien kunnen de pieken bij 14,1 °, 27,9 °, 38,1 ° en 48,9 ° worden toegeschreven aan de (020), (120), (031) en (051) diffractievlakken van γ-AlO(OH) (JPCDS nr. 21-1307), respectievelijk. Dit resultaat geeft aan dat de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH-composiet MgAl-LDH- en γ-AlO(OH)-fasen heeft. Ter vergelijking:het (003) vlak van MgAl-LDH bevindt zich op 2θ =11,63°, wat aangeeft dat wanneer γ-AlO(OH) werd ingevoegd in MgAl-LDH, de afstand van het (003) vlak toenam van 7,6 Å (2θ =11,63°) tot 8,77 Å (2θ =10,09°). De parameters van de eenheidscellen worden weergegeven in Tabel 1. Er wordt waargenomen dat de "a"-assen van MgAl-LDH en γ-AlO(OH)/MgAl-LDH niet zijn veranderd.

XRD-patronen van gesynthetiseerde samples (a ). De FTIR-spectra van gesynthetiseerde monsters op 400-4000 cm⁻¹ (b )

De FTIR-spectra van de gesynthetiseerde monsters worden getoond in figuur 1b. In het FTIR-spectrum van MgAl-LDH is de band bij 3449 cm⁻¹ kan worden toegeschreven aan de O-H-rektrilling [17]. De banden van 400 tot 900 cm⁻¹ zijn te wijten aan M–O, O–M–O en M–O–M (M =Mg²⁺ en Al³⁺ ) uitrekkende trillingen [18], en de band op 781 cm⁻¹ wordt veroorzaakt door een Al-OH-trilling [19]. Voor γ-AlO(OH), de banden bij 3111 en 3325 cm⁻¹ behoren tot respectievelijk de υas(Al)O–H en υs(Al)O–H rektrillingen [20]. De trillingen van waterstofbruggen werden waargenomen op 1142 en 1066 cm⁻¹ [21]. Bovendien zijn de pieken bij 481, 636 en 749 cm⁻¹ kunnen worden toegewezen aan Al-O-bindingen [22]. Voor γ-AlO(OH)/MgAl-LDH kunnen de meeste banden eenvoudig worden toegewezen op basis van de vergelijking met γ-AlO(OH) en MgAl-LDH. De sterke band van 3474 cm⁻¹ kan worden toegeschreven aan de rektrilling van de –OH-groepen in γ-AlO(OH) en MgAl-LDH. De banden op 826, 669 en 445 cm⁻¹ komen overeen met metaal-zuurstof-, metaal-zuurstof-metaal- en zuurstof-metaal-zuurstof-rektrillingen in respectievelijk MgAl-LDH [18]. Vergeleken met MgAl-LDH is de band van Al-OH verschoven van 781 naar 826 cm⁻¹ . Bovendien is de band op 1064 cm⁻¹ kan worden toegeschreven aan de trilling van de waterstofbrug in γ-AlO(OH). De banden op 1618, 1633 en 1619 cm⁻¹ in MgAl-LDH kunnen respectievelijk γ-AlO(OH) en γ-AlO(OH)/MgAl-LDH worden toegeschreven aan de buigtrilling van de watermoleculen. Bovendien zijn de banden op 1360, 1385 en 1380 cm⁻¹ in MgAl-LDH zijn respectievelijk γ-AlO(OH) en γ-AlO(OH)/MgAl-LDH gerelateerd aan CO₃ ²⁻ [23]. De band van CO₃ ²⁻ in γ-AlO(OH) geeft aan dat sommige op carbonaat gebaseerde residuen gevangen blijven in de zeer poreuze cellulaire monoliet, zelfs na herhaaldelijk wassen [24].

De morfologie en microstructuur van de monsters werden onderzocht met behulp van veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FESEM) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Zoals getoond in Fig. 2a, wordt waargenomen dat het MgAl-LDH-monster uit nanosheets bestaat. De gemiddelde dikte van de nanosheets wordt geschat op 140 tot 150 nm. Het FESEM-beeld in Fig. 2b laat zien dat γ-AlO (OH) uit nanonaalden bestaat. Het γ-AlO(OH)/MgAl-LDH-monster getoond in Fig. 2c heeft een morfologie die bestaat uit schilferige agglomeraten in plaats van de morfologie van γ-AlO(OH). In het geval van Fig. 2d, e, tonen de TEM-afbeeldingen van respectievelijk MgAl-LDH en γ-AlO (OH) ook sterk bewijs van de nanosheet-achtige morfologie van MgAl-LDH en de nanonaaldachtige morfologie van γ- AlO(OH). Interessant is dat duidelijk wordt waargenomen dat het γ-AlO (OH) / MgAl-LDH-monster bestaat uit nanosheets en nanonaalden (figuur 2f). Bovendien kwam in het HRTEM-beeld van -AlO(OH)/MgAl-LDH (Fig. 2g) de roosterafstand 0,235 nm en 0,152 nm overeen met het (031) vlak van γ-AlO(OH) en (110) vlak van MgAl-LDH. Bovendien demonstreerde ik met EDX-mapping van Fig. 2h de uniforme verdeling van C-, O-, Mg- en Al-elementen in composieten, wat aangeeft dat γ-AlO(OH)/MgAl-LDH-composiet homogeen was gemengd.

FESEM-afbeeldingen van MgAl-LDH (a ), γ-AlO(OH) (b ), en γ-AlO(OH)/MgAl-LDH (c ). TEM-afbeeldingen van MgAl-LDH (d ), γ-AlO(OH) (e ), en γ-AlO(OH)/MgAl-LDH (f ). HRTEM-afbeelding (g ) en EDX-toewijzing (h , ik ) van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH

De XRD-, FTIR-, FESEM- en HRTEM-analyses laten zien dat de nanonaald γ-AlO(OH) met succes werd bereid in de MgAl-LDH-lagen door de hydrothermale methode, die gebruik maakt van het "ruimtebegrensde" effect van MgAl-LDH.

Effect van de pH van de initiële oplossing

De pH van de oplossing speelt een belangrijke rol in het adsorptieproces vanwege de oppervlaktelading van het adsorbens [25]. Figuur 3 toont de adsorptieprestaties van het γ-AlO(OH)/MgAl-LDH-monster op MO onder verschillende pH-waarden, met de initiële MO-concentratie bij 1000 mg L⁻¹ . Er wordt waargenomen dat de hoogste adsorptie optreedt wanneer de initiële pH =3, en de adsorptiecapaciteit afneemt met toenemende pH, wat aangeeft dat het gesynthetiseerde monster effectiever is in het adsorberen van MO in zure oplossing. Bovendien verdwijnen de structuren van de gelaagde materialen met hydroxidevellen wanneer de pH lager is dan 3 [26]. Daarom wordt gesuggereerd dat de initiële pH van de oplossing die in dit onderzoek wordt gebruikt 3 is. Foto's van het γ-AlO(OH)/MgAl-LDH-monster dat MO adsorbeert bij verschillende pH-waarden worden ook getoond in Fig. 3 (inzet). Er wordt waargenomen dat bij pH =3, nadat MO gedurende 210 minuten was geadsorbeerd, de kleur van de oplossing helder was, wat aangeeft dat MO volledig was geadsorbeerd. Naarmate de pH toenam, werd de kleur van de oplossing donkerder.

Effect van initiële pH-waarden van de oplossing op de adsorptie van MO van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH (initiële MO-concentratie:1000 mg L⁻¹ , dosering adsorbens:1 g L⁻¹ , contacttijd:210 min), inzet:de optische foto's van MO-oplossing na geadsorbeerd bij verschillende pH

Effect van de contacttijd en de kinetiek van adsorptie

Het effect van de contacttijd op de MO-adsorptie door de monsters wordt getoond in Fig. 4. Voor alle adsorbentia zijn de initiële adsorptiesnelheden erg snel. Vergeleken met pure γ-AlO(OH) en MgAl-LDH, vertoont γ-AlO(OH)/MgAl-LDH verbeterde adsorptieprestaties in termen van adsorptiesnelheid en -capaciteit. Wanneer de initiële concentratie van MO 1000 mg L⁻¹ . was voor γ-AlO(OH)/MgAl-LDH en 200 mg L⁻¹ voor γ-AlO(OH) en MgAl-LDH, de maximale experimentele evenwichtsadsorptiecapaciteit van 1000 mg g⁻¹ werd verkregen met γ-AlO(OH)/MgAl-LDH, dat hoger was dan dat van γ-AlO(OH) (183,3 mg g⁻¹ ) en MgAl-LDH (155,5 mg g⁻¹ ). Zoals getoond in Fig. 4 (inzet), wordt waargenomen dat de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH-oplossing volledig kleurloos is na equilibratie. De kleuren van de zuivere γ-AlO(OH)- en MgAl-LDH-oplossingen blijven echter erg diep.

Effect van contacttijd op MO-adsorptie, inzet:de optische evenwichtsfoto's van MO-oplossing na geadsorbeerd

Om de adsorptiemechanismen van de monsters te begrijpen, werden kinetische modellen van pseudo-eerste-orde en pseudo-tweede-orde gebruikt om de experimentele gegevens te passen. De pseudo-eerste-orde en pseudo-tweede-orde snelheidswetten worden berekend uit Vgl. (3) en (4) [27], respectievelijk:

$$ \ln \left({q}_e-{q}_t\right)=\ln {q}_e-{k}_1t\kern30.25em (3) $$$$ \frac{t}{q_t} =\frac{1}{k_2{q}_e^2}+\frac{t}{q_e}\kern37.25em (4) $$

waar q _t (mg g⁻¹ ) en q _e (mg g⁻¹ ) zijn de hoeveelheid geadsorbeerde MO op tijdstip t (min) en bij evenwicht, respectievelijk, en k ₁ (min⁻¹ ) en k ₂ (g mg⁻¹ min⁻¹ ) zijn de adsorptiesnelheidsconstanten van respectievelijk de pseudo-eerste-orde en pseudo-tweede-orde kinetische modellen [28].

Tabel 2 toont de twee adsorptiekinetische modellen en correlatiecoëfficiënten. Uit de correlatiecoëfficiënt R ² in Tabel 2 wordt waargenomen dat de adsorptie van monsters beter paste bij het pseudo-tweede-ordemodel dan bij het pseudo-eerste-ordemodel. Bovendien zijn de theoretisch berekende waarden (q _e,cal ) uit het pseudo-tweede-ordemodel liggen dichter bij de experimentele waarden (q _e,exp ) dan die van het pseudo-eerste-ordemodel. Daarom, gebaseerd op de aanname van pseudo-tweede-orde kinetiek, worden de adsorptiesnelheden van MgAl-LDH, γ-AlO(OH) en γ-AlO(OH)/MgAl-LDH gecontroleerd door chemische interacties [29].

Adsorptie-isothermen

Figuur 5 toont de adsorptie-isothermen van de gesynthetiseerde monsters. Van de drie voorbeelden is de q _e waarde van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH vertoonde de snelste stijging met C _e . Bovendien werden de adsorptie-experimentgegevens geanalyseerd via de Langmuir- en Freundlich-modellen om de relatie tussen MO en adsorbentia bij evenwicht te evalueren [30]. De vergelijkingen zijn als volgt:

$$ \mathrm{Langmuir}:\frac{C_e}{q_e}=\frac{1}{q_m{K}_L}+\frac{C_e}{q_m}\kern29em (5) $$$$ \mathrm{ Freundlish}:\ln {q}_e=\ln {K}_F+\frac{1}{n}\ln {C}_e\kern27.25em (6) $$

De evenwichtsadsorptie-isothermen van de monsters

waar C _e (mg L⁻¹ ) is de evenwichtsconcentratie van de MO, q _e (mg g⁻¹ ) is de hoeveelheid MO geadsorbeerd per massa-eenheid van de adsorbentia, en q _m (mg g⁻¹ ) is de monolaag adsorptiecapaciteit. K _L (L mg⁻¹ ) is de Langmuir-constante gerelateerd aan de adsorptiesnelheid. K _F [(mg g⁻¹ ) (L mg⁻¹ )^1/n ] en n ⁻¹ (dimensieloos) zijn Freundlich-constanten gerelateerd aan respectievelijk de adsorptiecapaciteit en adsorptiesterkte.

De overeenkomstige parameters van de gesimuleerde adsorptie-isothermen van de monsters staan vermeld in tabel 3. Er wordt waargenomen dat de maximale adsorptiecapaciteit van MO op γ-AlO(OH)/MgAl-LDH significant hoger was dan die op γ-AlO(OH) en MgAl-LDH. Bovendien past het Langmuir-model in vergelijking met het Freundlich-model beter bij de experimentele data en heeft het een hogere R ² . De q _m van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH (4681,40 mg g⁻¹ ) uit de Langmuir-vergelijking is veel hoger dan die van γ-AlO(OH) (1492,5 mg g⁻¹ ) en MgAl-LDH (769,2 mg g⁻¹ ). Bovendien is de grotere K _F uit de Freundlich-vergelijking geeft ook aan dat γ-AlO(OH)/MgAl-LDH een verhoogde affiniteit voor MO heeft. Verrassend genoeg was de adsorptiecapaciteit van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH veel hoger dan de meeste gerapporteerde (zoals weergegeven in Tabel 4).

Het adsorptiemechanisme van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH voor MO

Afbeelding 6a, b toont de N₂ adsorptie-desorptie-isothermen en BJH poriegrootteverdeling van monsters. Volgens de IUPAC-classificatie kunnen de isothermen worden gecategoriseerd als IV-curven met H3-hysteresislussen bij hoge relatieve druk. Het is bewezen dat adsorbentia de eigenschappen van mesoporeus materiaal hebben. De poriegrootteverdeling berekend met de BJH-methode wordt getoond in Fig. 6b. Vergeleken met MgAl-LDH hebben γ-AlO(OH) en γ-AlO(OH)/MgAl-LDH bredere poriegrootteverdelingscurves. Zoals weergegeven in tabel 1, waren de resultaten van de BET-analyse van MgAl-LDH, γ-AlO(OH) en γ-AlO(OH)/MgAl-LDH 14,1 m² g⁻¹ , 95,9 m² g⁻¹ , en 34,1 m² g⁻¹ , respectievelijk. De resultaten toonden aan dat de uitstekende adsorptieprestaties van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH niet afhankelijk zijn van het grote specifieke oppervlak. De optische foto's van de monsters voor en na het adsorberen voor MO worden getoond in Fig. 6c (vóór centrifugeren). Volgens de optische foto's vóór adsorptie was het oorspronkelijke volume van het monster γ-AlO(OH)/MgAl-LDH <γ-AlO(OH) −1 ), was het duidelijk dat de hoeveelheid poeders is veranderd. De volume-expansiesnelheid van de monsters was als volgt:γ-AlO(OH)/MgAl-LDH> γ-AlO(OH)> MgAl-LDH. Daarom kan worden afgeleid dat de volume-expansiesnelheid van het adsorbens een grote invloed heeft op de adsorptieprestaties van MO.

N₂ adsorptie-desorptie isotherm curves (a ) en poriegrootteverdelingscurven (b ) van monsters. De optische foto's van monsters voor en na geadsorbeerd (c )

Figuur 7a toont de XRD-patronen van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH voor en na MO-adsorptie. Vergeleken met γ-AlO(OH)/MgAl-LDH verschenen er veel nieuwe pieken in de spectra van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH na MO-adsorptie. Bovendien, behalve de (003) en (006) vlakken van MgAl-LDH, werden de andere vlakken niet naar een lage hoek verschoven. De nieuwe pieken geven aan dat de MO-anionen via anionenuitwisseling de tussenlaag van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH binnendringen en leiden tot een verschuiving van het (003) vlak naar het kleine hoekvlak [8]. Belangrijker was dat het (003) vlak van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH met 3,22 A toenam van 8,77 tot 11,99 A na MO-adsorptie. Interessant is dat, zoals getoond in Fig. 7b, de mate die overeenkomt met het (003) vlak van MgAl-LDH niet veranderde na het adsorberen van MO, wat aangeeft dat MO niet kan worden geadsorbeerd in MgAl-LDH-lagen. Er wordt waargenomen dat γ-AlO(OH) een belangrijke rol speelt in de LDH-laag, en het adsorptie-effect op MO wordt getoond in Schema 1. Aan de ene kant, door het "ruimtebegrensde" effect, nanonaald γ-AlO(OH) ) kan worden gekweekt tussen de MgAl-LDH-lagen om de (003) vlakafstand uit te breiden, wat MO helpt om de MgAl-LDH-tussenlaag binnen te gaan door elektrostatische aantrekking. Aan de andere kant heeft MgAl-LDH meer ruimte voor het opslaan van MO, vanwege de uitbreiding tussen de LDH-lagen.

De XRD-patronen van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH (a ) en MgAl-LDH (b ) respectievelijk voor en na geadsorbeerde MO

Het mechanisme van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH voor het verbeteren van de adsorptie van MO

Uit de bovenstaande discussie is het bekend dat a-AlO(OH)/MgAl-LDH een hogere adsorptiekinetiek en adsorptieprestatie heeft dan a-AlO(OH) en MgAl-LDH. Om het mechanisme van prestatieverbetering beter te bestuderen, werden de monsters onderworpen aan een zeta-potentiaaltest. Zoals getoond in Fig. 8a, vertoonde de suspensie van de monsters bij pH =3 een positief geladen oppervlak en was de ζ-potentiaalwaarde van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH (43,03 mV) veel groter dan die van MgAl- LDH (13,88 mV) en γ-AlO(OH) (4,32 mV). Dit resultaat geeft aan dat het synergetische effect kan worden geproduceerd doordat γ-AlO(OH) de MgAl-LDH-laag binnendringt, wat de zeta-potentiaal van het γ-AlO(OH)/MgAl-LDH-monster verbetert. Zoals getoond in Schema 1, kan het MO-molecuul worden gevormd tot C₁₄ H₁₄ N₃ SO₃ ⁻ en Na⁺ in water. Omdat C₁₄ H₁₄ N₃ SO₃ ⁻ anion negatief geladen is, kan het gemakkelijk worden geadsorbeerd door γ-AlO(OH)/MgAl-LDH. Hieruit zou kunnen worden afgeleid dat LDH een goede adsorptiecapaciteit heeft voor anionische kleurstoffen.

ζ-potentialen van monsters (0,2 mg mL⁻¹ ) in waterige oplossing bij pH =3 (a ). FTIR-spectra van MO, γ-AlO(OH)/MgAl-LDH voor en na geadsorbeerd MO (b )

De FTIR-spectra van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH na het adsorberen van MO wordt getoond in Fig. 8b. Vergeleken met het originele γ-AlO(OH)/MgAl-LDH, vertoonden de FTIR-spectra van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH duidelijke veranderingen na het absorberen van MO. De banden op 1608 en 1520 cm⁻¹ waren te wijten aan de N=N rektrilling en de N–H buigtrilling. Bovendien zijn de banden op 1183 en 1033 cm⁻¹ waren te wijten aan de asymmetrische en symmetrische rektrillingen van de sulfonzuurgroep (–SO₃ ⁻ ), respectievelijk. De band op 1122 cm⁻¹ was te wijten aan de symmetrische rektrilling van O=S=O [36]. De band op 1008 cm⁻¹ was gerelateerd aan de C–H aromatische buigtrilling in het vlak [1]. Uiteraard was de O–H-piek van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH verschoven van 3474 naar 3843 cm⁻¹ wanneer MO werd geabsorbeerd, wat aangeeft dat waterstofbinding deelneemt aan het adsorptieproces.

Bovendien werd XPS gebruikt om het adsorbens voor en na het adsorberen van MO te karakteriseren. Zoals getoond in Fig. 9 verscheen het S-element in het spectrum van a-AlO(OH)/MgAl-LDH na het adsorberen van MO. Het spectrum met hoge resolutie van S2p op 167 eV, getoond in Fig. 9b, geeft de aanwezigheid van MO in het adsorbens aan. Figuur 9c, d toont het O 1s-spectrum van respectievelijk γ-AlO(OH)/MgAl-LDH voor en na MO-adsorptie. Drie pieken op 530,5, 531 en 531,8 eV worden getoond in Fig. 9c, d, en kunnen worden toegewezen aan de O in de vorm van metaaloxide (M-O), het carbonaat (CO₃ ²⁻ ), en metaal-hydroxyl (M-OH) van de MgAl-LDH-tussenlaag [1]. Er zijn met name significante veranderingen in de intensiteit en samenstelling van O 1s van het adsorbens na MO-adsorptie. De nieuw verschijnende piek op 531,6 eV in Fig. 9d zou kunnen worden toegewezen aan de O in de sulfaatgroep (S-O). Bovendien, zoals weergegeven in tabel 5, is de CO₃ ²⁻ door ionenwisseling gedaald van 27,2 naar 18,1%. Het relatieve aandeel van M-O na het adsorberen van MO is verhoogd van 9 naar 26,4% en het relatieve aandeel van M-OH is afgenomen van 63,8 naar 25,7%. De resultaten laten zien dat de hydroxyl-actieve plaats van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH een belangrijke rol speelt bij de adsorptie van methyloranje, wat aangeeft dat de adsorptie van MO wordt gecontroleerd door chemische interacties; dit is consistent met het pseudo-tweede-orde kinetische model.

Brede XPS-spectra van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH voor en na MO-adsorptie (a ), S 2p smalle XPS van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH na geadsorbeerde MO (b ), O 1s-spectrum van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH (c ), O 1s-spectrum van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH na geadsorbeerde MO (d )

Adsorbensrecycling

De regeneratieprestaties van het γ-AlO(OH)/MgAl-LDH-adsorbens werden bestudeerd via adsorptie-desorptiecycli. Zoals getoond in Fig. 10, bleef de adsorptiecapaciteit van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH op 762 mg g⁻¹ na 4 cycli, en de verwijderingsefficiëntie bleef boven 76%. De afname van de capaciteit is te wijten aan de onvolledige desorptie van MO en het verlies van het adsorbens tijdens de adsorptie en het wassen van de kleurstofmoleculen. Deze resultaten geven aan dat γ-AlO(OH)/MgAl-LDH kan worden beschouwd als een efficiënt en recyclebaar adsorbens voor de verwijdering van MO uit water.

Adsorptiecyclusprestaties van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH. Initiële MO-concentratie:1000 mg L⁻¹

Conclusie

De samenstelling van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH werd gesynthetiseerd door middel van een éénpotsmethode. Als adsorbens vertoont de composiet uitstekende adsorptieprestaties voor MO. Enerzijds werd op basis van het "space-confined" effect tussen de MgAl-LDH-lagen γ-AlO(OH) nanonaald bereid. De uitzetting tussen de LDH-lagen leidt tot meer ruimte voor de opslag van MO. Anderzijds resulteert de hydroxyl-actieve plaats in een chemische interactie tussen γ-AlO(OH)/MgAl-LDH en MO, wat de adsorptiekinetiek bevordert. Daarom vertoont de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH uitstekende adsorptieprestaties voor MO, die volledig kan worden geadsorbeerd in 210 min bij de beginconcentratie van 1000 mg L⁻¹ . Na 4 cycli kan het geregenereerde adsorbens een aanvankelijke adsorptiecapaciteit van meer dan 76% behouden. Bovendien bereikt de maximale adsorptiecapaciteit van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH 4681,40 mg g⁻¹ volgens het Langmuir-adsorptiemodel. Gebaseerd op het positieve zeta-potentieel van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH, heeft het composiet sterkere adsorptiekinetiek en adsorptie-eigenschappen voor anionische kleurstoffen zoals MO, Congo Red en Acid Orange 7. Deze geadsorbeerde kleurstoffen kunnen worden gedesorbeerd en hergebruikt , of direct verbrand. Daarnaast is de composiet ook een potentiële fotokatalysatordrager. Wanneer de fotokatalysator wordt geladen op γ-AlO(OH)/MgAl-LDH, zullen de kleurstoffen snel rond de katalysator worden geabsorbeerd, wat de fotokatalytische reactiekinetiek verbetert. Daarom heeft γ-AlO(OH)/MgAl-LDH een groot potentieel bij de behandeling van waterverontreiniging.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die zijn gegenereerd tijdens en/of geanalyseerd tijdens het huidige onderzoek zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteur.

Afkortingen

DDS:: Organisch anion dodecylsulfaat
DI:: Gedeïoniseerd
FESEM:: Veldemissie scanning elektronenmicroscopie
FTIR:: Fourier-transformatie infrarood spectroscopie
HRTEM:: Transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie
LDH's:: Gelaagde dubbele hydroxiden
MO:: Methylsinaasappel
TEM:: Transmissie-elektronenmicroscopie
XPS:: Röntgenfoto-elektronenspectroscopie
XRD:: Röntgenpoederdiffractie
γ-AlO(OH):: Aluminiumoxide hydroxide

Optische eigenschappen en groeimechanisme van La3Ga5.5Nb0.5O14 macroporeus keramiek Uniform-sized Indium Quantum Dots gegroeid op het oppervlak van een InGaN epitaxiale laag door een tweestaps koelproces

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal