Исследование факторов, влияющих на адсорбцию метиленового синего скорлупой арахиса с нанопокрытием Fe3O4



Введение

В последние годы, наряду с развитием промышленности, увеличиваются фабрики и зоны экспортной переработки, которые выбрасывают большое количество сточных вод, вызывая загрязнение окружающей среды. Вьетнам является страной с развитой текстильной промышленностью крашения, поэтому сточные воды этой отрасли составляют значительный объем. В этих сточных водах содержатся много цветных токсичных органических веществ. Если эти органические вещества не будут обработаны, они могут быть поступать в организм и накапливаться, нанося серьезный вред здоровью человека, или разрушить природный ландшафт окружающей среды.

В настоящее время существует множество различных методов удаления цветных органических веществ из водной среды, таких как: обратный осмос, нанофильтрация, осаждение или адсорбция... В котором адсорбция является методом со многими преимуществами, такими как адсорбенты относительно распространены, просто изготовлены, дешевы и безвредны для окружающей среды. В качестве адсорбента могут использоваться природные материалы (латерит [1], железная руда, базальтовая почва...) или материалы, изготовленные из побочных продуктов сельского хозяйства, таких как скорлупа арахиса [2], [3], кокосовое волокно [4], стебель лотоса [5]...Эти материалы дешевы, экологичны и их легко найти в быту.

Скорлупа арахиса с нанопокрытием Fe ₃ O ₄ обладает хорошей адсорбционной способностью по отношению к цветным органическим веществам в водной среде [7]. Однако влияющие факторы, термодинамика и химическая кинетика процесса адсорбции детально не изучены.

Цель настоящей работы — исследование влияющих факторов для адсорбции метиленового синего (MB) наноматериалом Fe ₃ O ₄ , диспергированными на скорлупе арахиса.

Экспериментальная часть

Модифицирование скорлуп ы арахиса лимонной кислотой и рассредоточения нано Fe ₃ O ₄ на скорлуп е арахиса: эти процессыпроводилисьпо методике [7].

Адсорбции метиленового синего ( MB ): добавили 0,03 г адсорбента в треугольник с 25 мл раствора метиленового синего с концентрацией C мг/л, pH = x. Перемешивали смесь магнитной мешалкой при комнатной температуре в течение t мин со скоростью 200 об/мин. После адсорбции отфильтровали раствор и измерили оставляющую концентрацию MB в растворе с помощью спектрофотометрического метода (UV-Vis). Адсорбционная емкость q (мг/г) рассчитывали по формуле:

(1)

где C ₀ , C _f — начальная и оставляющая концентрация метиленового синего после адсорбции (мг/л); V: объем раствора (л); m: масса адсорбента (г).

Исследованы факторы, влияющие на процесс адсорбции, в том числе рН раствора (pH = 1 ÷ 8; C = 150 мг/л, t = 120 мин), время адсорбции (t = 30÷180 мин; C = 150 мг/л; pH = 7) и исходная концентрация метиленового синего (C = 50 ÷300 ppm; t = 120 мин, pH = 7).

Кинетику адсорбции метиленового синего скорлупой арахиса с Fe ₃ O ₄ оценивали с помощью двух очевидных кинетических моделей первого и второго порядка [6]: (2)

(3)

Где q _e и q _t — адсорбционная емкость в момент установления равновесия и в момент времени t (мг/г); k ₁ , k ₂ — константы скорости кажущейся адсорбции первого (мин ^-1 ) и второго порядка (г мг ^-1 мин ^-1 ).

Чтобы оценить соответствие кинетических моделей экспериментальным данным, определили относительную среднюю ошибку:

(4)

Где q _e,cal , q _e,exp — расчетная и экспериментальная равновесная адсорбционная емкость.

Полученные изотермы адсорбции обрабатывались с помощью моделей Ленгмюра, Фрейндлиха

(5)

(6)

Где q _m — максимальная адсорбционная емкость по Ленгмюра (мг/г); K _L — константа адсорбции Ленгмюра (л/мг); K _F — постоянная Фрейндлиха (мг/г); 1/n — эмпирический параметр, который является мерой адсорбционной силы или неоднородности.

Обсуждение результатов

1. Влияние pH среды

Влияние pH среды на адсорбционную способность материала скорлупы арахиса c Fe ₃ O ₄ для метиленового синего показано на рис. 1.

Рис. 1. Влияние pH среды на адсорбционную емкость скорлупы арахиса c Fe ₃ O ₄ для метиленового синего

Экспериментальные данные показали, что при повышении рН от 1 до 7 адсорбционная емкость материала резко возросла, после чего практически не изменилась. Адсорбционная емкость скорлупы арахиса c Fe ₃ O ₄ для метиленового синего при рН 7 достигала значение q = 99.8 мг/г.

Это может быть объяснено на основе данных изоэлектрической точки материала, которая имеет эмпирическое значение pH _I = 4,5. B среде pH < pH _I = 4,5 материал протонирован и имеет положительный заряд, тогда как в среде pH > pH _I материал депротонирован и имеет отрицательный заряд. В кислой среде как материал, так и метиленовый синий имеют положительный заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга и адсорбционная емкость материала мала. При повышении pH среды до значения pH > 4,5 материал и адсорбент имеют противоположные заряды, поэтому они притягиваются друг к другу и адсорбционную емкость резко увеличивается. Однако, при pH > 7 почти все функциональные группы материала депротонируются, поэтому адсорбционная емкость, по-видимому, остается неизменной.

Таким образом, подходящая среда pH для адсорбции MB скорлупой арахиса c Fe ₃ O ₄ , составляет pH = 7.

2. Кинетика адсорбции

Результаты зависимости адсорбционной емкости метиленового синего материалом скорлупы арахиса c Fe ₃ O ₄ от времени представлены на рис. 2.

Рис. 2. Влияние времени на адсорбционную емкость скорлупы арахиса c Fe ₃ O ₄ для метиленового синего

Из рисунка 2 видно, что при увеличении времени от 30 минут до 120 минут адсорбционная емкость увеличивается, достигая максимума при t = 120 минут, а затем постепенно снижается. Так, для метиленового синего адсорбционное равновесие было достигнуто через 120 мин, последующее встряхивание могло нарушить равновесие, в результате чего скорость десорбции оказалась выше скорости адсорбции, поэтому адсорбционная емкость снизилась после t > 120 мин.

На основе данных о влиянии времени на адсорбционную емкость материала был построен график, описывающий кажущуюся кинетику адсорбции первого и второго порядка (рис. 3). По значениям наклона и сечения с вертикальной осью линейных линий определяют значения k ₁ , k ₂ , q _{e , cal} и ARE (табл. 1).

Рис. 3. Графики, изображающие кажущуюся кинетику адсорбции первого порядка (- — -) и второго порядка (….) адсорбции метиленового синего.

Таблица 1

Параметры уравнения кажущейся кинематики

Модель	k	R 2	q e , cal	ARE (%)
первого порядка	0.0113	0.7525	24.78	75.12
второго порядка	0.0013	0.9954	101.01	1.21

Эксперименты показывают, что кажущаяся кинетическая модель второго порядка имеет большой коэффициент детерминации (R ² ≈ 1) и маленькую относительную среднюю ошибку (ARE = 1.21 %). Отсюда можно предположить, что для описания процесса адсорбции метиленового синего скорлупой арахиса c Fe ₃ O ₄ кажущаяся кинетическая модель второго порядка является более подходящей, чем модель первого порядка.

3. Уравнение изотермической адсорбции

Начальная концентрация метиленового синего также влияет на адсорбционную способность материала (рис. 4).

Рис. 4. Влияние начальной концентрации метиленового синего на адсорбционную емкость скорлупы арахиса c Fe ₃ O ₄

Рис. 5. Изотермы адсорбции Ленгмюра (а) и Френдлиха (б) скорлупы арахиса c Fe3O4 для метиленового синего

Из рис. 4 видно, что c увеличением начальной концентрации метиленового синего от 50 до 300 адсорбционная емкость повышается. На основе экспериментальных данных по влиянию концентрации метиленового синего на адсорбционную емкость материала было исследовано адсорбционное равновесие по модели изотермы адсорбции Ленгмюра и Фрейндлиха (рис. 5).

Результаты исследования показывают, что процесс адсорбции метиленового синего скорлупой арахиса с Fe ₃ O ₄ , согласуется с обеими изотермическими моделями. Однако соответствие с моделью Фрейндлиха (R ² ≈ 0,9113) хуже, чем с моделью Ленгмюра (R ² ≈ 0,9988). Это свидетельствует о том, что адсорбционные центры на поверхности этого материала относительно однородны и преобладает монослойная адсорбция.

Из уравнений изотермы определяли значение максимальной адсорбционной емкости q _max = 151,52 мг/г; постоянная Ленгмюра K _L = 0,054; Константа Фрейндлиха K _F = 20,17 и коэффициент неоднородности 1/n = 0,41.

По сравнению с материалами, изготовленными из других сельскохозяйственных побочных продуктов и скорлупы арахиса, модифицированных другими методами, адсорбционная способность скорлупы арахиса с нанопокрытием Fe ₃ O ₄ для метиленового синего, как правило, значительно лучше [1], [4], [5].

Заключение

Подходящая среда pH для адсорбции метиленового синего скорлупой арахиса c Fe ₃ O ₄ , составляет pH = 7. Адсорбция следует очевидной кинетической модели второго порядка и описывается моделей адсорбции Ленгмюра. Максимальная адсорбционная емкость скорлупы арахиса с нанопокрытием Fe ₃ O ₄ для метиленового синего по модели Ленгмюра достигает значение q _max = 151,52 мг/г, что значительно больше, чем у адсорбентов, изготовленных из побочных продуктов сельского хозяйства.

Литература:

1. Ngo T. M. V. Изучение адсорбционной способности метиленового синего и метилового оранжевого модифицированных латеритных материалов / Ngo Thi Mai Viet // Аналитический журнал химии, физики и биологии (Вьетнам). — 2015. — № 20(4). — С. 303–310.
2. S. Boumchita. Application of peanut shell as a low-cost adsorbent for the removal of anionic dye from aqueous solutions / S. Boumchita, A. Lahrichi, Y. Benjelloun [и др.] // Journal of materials and Environmental Science. — 2017. — № 8. — С. 2353–2364.
3. Aaron Albert Aryee. Application of magnetic peanut husk for methylene blue adsorption in batch mode / A. A. Aaron, Zhang Ruize, Liu Haifang [и др.] // Desalination and Water Treatment. — 2020. — № 194. — С. 269–279.
4. Динь, В. Т. Исследование распределения наночастиц Fe3O4 на кокосовом волокне для адсорбции ионов Ni (II) и Cr (VI) в водной среде / В. Т. Динь, Т. З. Ву // Молодой ученый. — 2019. — № 20. — С. 21–25.
5. Vu T. H. Изучение адсорбционной способности метиленового синего, метилового оранжевого адсорбентов из стебля лотоса / Vu Thi Hau, Nguyen Thuy Linh // Журнал науки и технологий (Вьетнам). — 2017. — № 169(09). — С. 151–157.
6. Chang Y. P. Preparation and characterization of Fe3O4/graphene nanocomposite and investigation of its adsorption performance for aniline and p-chloroaniline/ Chang Y. P., Cuiling Ren, Ji-Chun Qu[и др.] // Appl. Surf. Sci. — 2012. — № 261. — С. 504–509.
7. Dinh V. T. Исследование распределения наночастиц Fe ₃ O ₄ на скорлупе арахиса и применение адсорбции цветных органических веществ / Dinh Van Tac, Truong T. T. L., Vu T.D [и др.] // Журнал химии и приложений (Вьетнам). — 2022. — № 1B(60B). — С. 9–13.