Hierarkiskt porösa kisel – kol – kväve-hybridmaterial mot mycket effektiv och selektiv adsorption av organiska färgämnen | vetenskapliga rapporter

Hierarkiskt porösa kisel – kol – kväve-hybridmaterial mot mycket effektiv och selektiv adsorption av organiska färgämnen | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Materialvetenskap
  • Föroreningsrensning

Abstrakt

Det hierarkiskt makro / mikro-porösa kisel – kol – kväve (Si – C – N) hybridmaterialet presenterades med nya funktioner av helt selektiv och mycket effektiv adsorption för organiska färgämnen. Hybridmaterialet genererades bekvämt genom pyrolys av kommersiella polysilazanprekursorer med användning av polydivinylbensenmikrosfärer som offermallar. På grund av Van der Waals-kraften mellan sp 2 -hybridiserade koldomäner och trifenylstruktur hos färgämnen och elektrostatisk interaktion mellan färgämnen och Si-CN-matris, uppvisar den hög adsorptionsförmåga och god regenererings- och återvinningsförmåga för färgämnen med trifenylstruktur, såsom som metylblått (MB), surt fuchsin (AF), basiskt fuchsin och malakitgrönt. Adsorptionsprocessen bestäms av både ytadsorption och intrapartikeldiffusion. Enligt Langmuir-modellen är adsorptionskapaciteten 1327, 7 mg · g −1 respektive 1084, 5 mg · g −1 för MB respektive AF, vilket är mycket högre än för många andra adsorbenter. Tvärtom adsorberar hybridmaterialen inte färgämnena med azo-bensenstrukturer, såsom metylorange, metylröd och congro-röd. Således ger det hierarkiskt porösa Si – C – N-hybridmaterialet från en lätt och billig polymderivererad strategi ett nytt perspektiv och har en betydande potential i behandlingen av avloppsvatten med komplexa organiska föroreningar.

Introduktion

Pyrolysen av prekeramiska prekursorer har nyligen väckt stor uppmärksamhet vid tillverkning av keramik med skräddarsydda kompositioner (Si – C, 1 Si – O – C, 2 Si – C – N, 3 eller Si – B – C – N 4 ) och olika morfologier ( bulkmaterial 5, fibrer 6, 7, beläggningar 8, rör 9, skum 10, 11 och porösa komponenter 12, 13 ) på grund av fördelarna med prekursormolekyler utformade i kombination med formningsprocesserna. Bland de polymer-härledda keramerna (PDC) har det ternära kisel – kol-kväve (Si – C – N) -systemet intensivt undersökts för att generera amorfa eller kristallina icke-oxid-Si-C – N-keramik på grund av dess exceptionellt höga temperaturbeständighet 14, oxidationsbeständighet 15 och mekanisk hållfasthet 16, därför kan den användas även i vissa hårda kemiska förhållanden, såsom hög temperatur, omfattande slitage och frätande medier.

För PDC: er bestämmer pyrolysstemperaturen betydligt arten hos de resulterande strukturerna. Vid en temperatur över 800 ° C kan keramiken med täta och låga porösa strukturer genereras 17 . När en måttlig pyrolystemperatur på 400–800 ° C användes resulterade emissionen av flyktiga arter av föregångare i porösa strukturer i ett organiskt-oorganiskt hybridtillstånd. Högspecifik ytarea (SSA) gör dem lämpliga för katalytiska stödjare, adsorption och avlägsnande av föroreningar 18, 19, 20 De skummade gräddeämnen till exempel från preceramiska prekursorer, fyllmedel och blåsmedel genom pyrolys vid en måttlig temperatur av 600 ° C kan användas som ett alternativt material för aktiverade kol i kolväteradsorption 18 .

När hybridmaterialen erfordras för att uppnå multifunktionalitet är dessutom ofta den hierarkiska porositeten önskvärd. Till exempel kan makro / mikro-porös struktur effektivt förbättra katalys, adsorption eller separationsprestanda för mikroporösa material. I allmänhet tillhandahåller makroporkanalerna kemisk och mekanisk stabilitet, lågt tryckfall och hög extern massöverföringshastighet på grund av de sammankopplade porstrukturerna 21 . Emellertid skulle mikro / mesoporösa strukturer uppnå funktionaliteten för en given applikation på grund av stor ytarea. Här har omfattande forskningsinsatser ägnats åt att förbereda porösa material med skräddarsydda hierarkiska porstrukturer. Genom att använda polysiloxaner och platinsyra som prekursorer och polystyrenpärlor som mallar, Adam et al. 22 erhöll den hierarkiskt ordnade makro / mikro Si – C – O– (Pt) skummad keramik med hög specifik yta och potential i adsorption och katalysatorapplikation.

Nu utgör olika färgämnesutflöden från papper, livsmedel, plast, textil och kosmetiska fält ett allvarligt hot mot miljön på grund av deras djupa färg, låg biologisk nedbrytbarhet och cancerframkallande egenskaper 23, 24 . Avfallshantering av färgämnen från avloppsvatten har blivit en viktig fråga. Adsorptionen 25, biologisk behandling 26, kemisk koagulering 27 och fotokatalytisk nedbrytning 28 har undersökts för avlägsnande av färgämnen från lösningen. Adsorption har visat ett effektivt och lovande perspektiv på grund av dess enkelhet och flexibilitet i design och drift 29, 30 . Många adsorbenter har använts för avlägsnande av vanliga färgämnen 31, såsom metalloxidmikrosfärer 32, kolbaserade material 33 och grafener 34 . Dessa metoder är ogynnsamma vid praktisk tillämpning på grund av låg absorptionseffektivitet, lång absorptionstid och höga kostnader. Polymer-härledda Si-C – N-material har många distinkta fördelar, såsom elektrokemiska egenskaper och kemisk inertitet. Emellertid har obetydlig uppmärksamhet ägnats åt deras potentiella tillämpning som avlägsnar färgämnen. Särskilt har Si – C – N-systemen en betydande potential inom området avancerad keramik. Si-C – N-systemen har emellertid aldrig använts för att separera föroreningar från avloppsvatten. Denna studie ger ett nytt perspektiv, att det genom en kontrollerad pyrolys var det möjligt att producera höga SSA Si-C – N hybridmaterial, som uppvisade utmärkt adsorptionsprestanda mot färgämnen.

I detta bidrag framställdes de hierarkiskt makro / mikro-porösa Si-C – N-hybridmaterialen genom pyrolys av polysilazan (PSZ) vid en låg temperatur med användning av offerfyllmedel av polydivinylbensenmikrosfärer (PDVB) såsom schematiskt illustreras i figur 1. Intressant nog poröst hybridmaterial uppvisade mycket effektiva och totalt selektiva adsorptionsegenskaper för trifenylmetanfärgämnen. Således har Si-C – N-hybridmaterialet, som kan massproduceras till en låg kostnad, en lovande potential som ett nytt adsorbent för separering av organiska färgämnen illustrerade i figur 2 (metylblått (MB), syrafuchsin (AF) basisk fuchsin (BF), metylviolett (MV), malakitgrön (MG), metylorange (MO), kongro röd (CR) och metylröd (MR)) från vattenlösning.

Image

Bild i full storlek

Image

Bild i full storlek

Resultat

Pyrolysbeteende hos polymera prekursorer

För framställning av makro / mikro-porös hybrid Si-C – N-material användes den linjära PSZ bestående av vinylgrupper och kiselvätebindningar (Si – H) eftersom det var en av de lågkostnads- och allmänpolymerförstadierna för PDC: er . Molekylstrukturen hos PSZ kännetecknades av 1H NMR och gelgenomträngningskromatografi såsom presenterades i figurerna S1–2 i stödjande information. I likhet med den välkända HT-1800 35 är det molförhållandet kiselvätebindningar och vinylgrupper på PSZ-huvudkedjan 4: 1 med en Mn på 800 g · mol −1 .

Figur 3 visar pyrolysbeteenden hos P1 (rent PDVB-offerfyllmedel), P2 (NiCp2 innehållande polysilazan) och P3 (polysilazan med NiCp 2 och offerfyllmedel) under kväve genom samtidig TGA och DSC. Från TGA-kurvorna i figur 2a genomgår PDVB en dramatisk termolytisk nedbrytning i temperaturområdet från 430 till 500 ° C, i överensstämmelse med en betydande exoterm topp som presenteras i DSC-kurva (figur 3b). Viktminskningen är cirka 80% vid 1 000 ° C, vilket indikerar att de tvärbundna PDVB-mikrosfärerna kvarhåller några få rester efter pyrolys. Därefter observeras för P2 (PSZ: NiCp 2 = 1: 0, 04) en viktförlust på 15% inom temperaturområdet från 450 till 800 ° C. Över 800 ° C förblir TGA-kurvan nästan konstant tills 1 200 ° C. Den skarpa endotermiska toppen vid cirka 170 ° C är relaterad till tvärbindningsreaktionen som involverar radikalpolymerisation av vinylgrupper och hydrosilylering mellan vinylgrupp och kiselvätebindning 36 . När det gäller P3 (PSZ: PDVB: NiCp 2 = 1: 1: 0, 04) observeras en anmärkningsvärd viktminskning från 430 till 800 ° C, vilket tillskrivs sönderdelningen av PDVB och kedjescission av PSZ detekterad genom samtidig masspektrometri .

Image

Termogram av P1 (rent offerfyllmedel), P2 (NiCp 2 innehållande polysilazan) och P3 (polysilazan innehållande NiCp 2 och offerfyllmedel) erhållna från samtidig analys av TGA / DSC under en argonatmosfär med en skanningshastighet av 10 K min −1, (a) TGA-kurvor, (b) DSC-kurvor.

Bild i full storlek

Figur 4 visar analysen av samtidig TGA och masspektrometri av P3. För jämförelsen utfördes analysen också för P0 (nativ polysilazan), Pl (rent offerfyllmedel) och P2 (NiCp2 innehållande polysilazan) såsom presenterades i figur S3. Det finns två toppar för P3, dvs toppar maximalt vid 430 och 600 ° C. Enligt termogrammen för P1 och P2 motsvarar den första uppsättningen toppar för P3 huvudsakligen nedbrytningsprodukterna av PDVB (H2, m / z = 2, kolväten CH x, x = 1–4, m / z = 14 –16, NH3, m / z = 17, CH x CH y, m / z = 25, 26 och 28) såväl som andra oligomerfragment (m / z = 38-74). Emellertid tillskrivs en annan grupp toppar främst klyvning av PSZ (H2, m / z = 2, kolväten CHx, x = 1-4, m / z = 132–16, NH3, m / z = 17, CH x CH y, m / z = 25, 26 och 28).

Image

Bild i full storlek

Från termogrammet i figur S3c för P2 tillskrivs utvecklingen av CH4 eller kolväten i temperaturområdet 400–900 ° C till nedbrytningen av Si – CH3-grupper och klyvning av C – C-bindningar. H2-utvecklingen tillskrivs dehydrokopplingsreaktionen från Si – H / Si – H- eller Si – H / –NH–-grupperna. Dessutom tillskrivs emissionen av NH3 till transamineringsreaktioner. För P2 och P3 som innehåller NiCp 2 blir utvecklingen av NH3 i överensstämmelse med transamineringsreaktioner märkbart svagare, till och med kan inte detekteras i jämförelse med den nativa PSZ i figur S3a. Således reducerade införlivandet av nickel produktionen av NH3 från transamineringsreaktionerna och fler element reserveras, vilket är i överensstämmelse med TGA-kurvan som visas i figur 3a.

Mikrostrukturer av hybridmaterial

Pulver XRD-mönstren för porösa hybridmaterial (PSZ: PDVB: NiCp 2 = 1: 1: 0, 04) pyrolyserade vid olika temperatur visas i figur 5a. Pyrolys vid låg temperatur (600 och 750 ° C) leder till material med kompletta amorfa strukturer. När pyrolystemperaturen höjs till 1 100 ° C observeras fortfarande inte en distinkt kristallin topp, vilket indikerar den goda strukturella stabiliteten hos porösa Si – C – N-material. Den breda diffraktionstoppen vid 2 = 26 ° indikerar närvaron av ett antal fria koler härledda från resterna av PDVB och PSZ. En viktig egenskap hos PDC: er är möjligheten att införliva fritt kol i matrisen, vilket är gynnsamt för strukturell stabilitet mot kristallisation och hög temperaturbeständighet mot oxidation 37 . Till exempel Mera et al. 38 rapporterade att kristallisationen berodde på kolinnehållet för olika föregångare, och provet med det högsta kolinnehållet var mindre benägna att bilda p-SiC-fasen. Här kan man dra slutsatsen att även om införlivandet av Ni var användbart för bildandet av en kristallin fas, kan närvaron av kol göra det amorfa kännetecknet vid högre temperaturer 39 . Dessutom kan tillsats av nickel katalysera bildningen av konjugerade kol (C = C, sp 2 ) liknande polyaromatisk-liknande konjugerad struktur 36, 40, vilket kan vara till hjälp för interaktionen mellan det porösa Si-C – N-materialet och organiska färgämnen.

Image

(a) Pulver XRD-mönster av Si-C – N-porösa material erhållna från P3 (PSZ: PDVB: NiCp 2 = 1: 1: 4) vid 600, 750 och 1100 ° C, (b) Ramanspektrum av Si- C – N porösa material erhållna från P1 (PSZ: PDVB: NiCp 2 =: 2: 0, 04) pyrolyserade vid 600 ° C.

Bild i full storlek

Ramans spektrum är ett av kraftfulla verktyg för att ytterligare känneteckna fria kolhydrater. För kolatomer med låg kristallinitet består Ramanspektra huvudsakligen av ett starkt "sp 3- liknande" resonansbidrag och sp 2- liknande dublett 41 . Från figur 5b uppvisar C1 en bred topp vid 1334 cm-1 såväl som en skarp absorptionstopp vid 1600 cm-1, motsvarande kolvibration i det så kallade D- och G-bandet. D-bandet vid 1334 cm −1 härstammar från sp 3- bundna kolatomer, och G-bandet vid 1600 cm −1 tillskrivs E 2g- vibrationsläget för alla sp 2- bindningarna i grafit 42 . Således ger de romerska spektra tydligt en verifiering av sp 2- bundna kolatomer i Si-CN hybridmaterial.

Sammansättning av hybridmaterial

Den detaljerade strukturen av poröst Si-C – N-hybridmaterial (PSZ: PDVB: NiCp 2 = 1: 2: 0, 04) pyrolyserad vid 600 ° C utvärderades med XPS såsom presenterades i figur 6 och den ifrågavarande atomkompositionen listades i tabell 1 Naturligtvis består materialet huvudsakligen av kisel-, kol-, kväve- och nickelelement, även om toppen som motsvarar Ni2p inte observeras på grund av dess lägre innehåll. Si2p-toppen avbryts i topparna C – Si – O, N – Si – N, N – Si – O och Si – O x topparna 43, 44 . C1s-toppen sönderdelas i C – Si, C = C, C – C, C – O – H och C = O-topparna 45, 46, 47, och N1s-toppen sönderdelas till Si – N – C, Si – N x och Si – N – O toppar 48 . Överskottet av syre i 5–10 nm ytan av poröst material uppmätt med XPS beror främst på O2-absorptionen med pulverprov före mätning. Samtidigt kan lite syre erhållas från polysilazan-prekursorerna som användes vid beredningen.

Image

Bild i full storlek

Full storlek bord

Hierarkiska porer av hybridmaterial

För framställning av poröst material med hjälp av uppsamlingspåfyllningsmall är den porösa strukturen i överensstämmelse med mallstorleken. Dessutom har innehållet i mallmaterial också ett betydande inflytande på de efterföljande strukturerna vad gäller sammankopplingsförmåga, porositet och väggtjocklek. De pyrolyserade porösa strukturerna erhölls av PSZ-prekursorer med varierande procentandel av PDVB. Pyrolystemperaturen hölls vid 750 ° C. SEM-bilderna i figur 7 visar att de porösa materialen har en förväntad regelbunden morfologi bestående av porer. Det framgår tydligt att de isolerade porerna fördelas jämnt i matris när innehållet i fyllmedelsmallen är relativt lågt. När innehållet i mikrosfärfyllmedel ökar blir avståndet mellan de isolerade porerna mindre och de icke-kontaktmikrosfärerna tenderar att komma i kontakt med varandra för att bilda en mycket porös komponent. Vidare, när innehållet i mikrosfärsfyllmedel ökas till 200%, produceras de sammankopplade cellulära bitarna och volymen av tomrum i matrisen ökar kontinuerligt.

Image

SEM-bilder av Si-C – N-porösa material från prekursorer med en PSZ: PDVB: NiCp 2 av (a) 1: 0, 3: 0, 04, (b) 1: 0, 5: 0, 04, (c) 1: 1: 0, 04, (d) 1: 2: 0, 04.

Bild i full storlek

När innehållet i PDVB var relativt lågt tenderade PSZ att bilda den kontinuerliga fasen och mikrosfärerna dispergerades separat i matrisen för att bilda morfologin som liknar havsöstrukturen, där storleken på porerna i matrisen huvudsakligen var 1 μm lik offerfyllmedlet. Med ökad mängd PDVB fick emellertid fler och fler PDVB-mikrosfärer tillgång för att skapa kontakt med varandra för att bilda en hav-havsstruktur. I detta fall fylldes håligheterna mellan mikrosfärer med PSZ, och pyrolysfragment av PSZ dispergerades enhetligt för att utgöra den sammankopplade cellstrukturen. Därför kan massöverföringsresistensen orsakad av mikroporer under diffusionsprocessen reduceras avsevärt genom närvaron av sammankopplade makroporer.

Det är välkänt att den maximala pyrolystemperaturen spelar en kritisk roll för att bestämma naturen hos de resulterande PDC: erna, särskilt SSA och porstorleksfördelningen 49 . För att undersöka påverkan av pyrolysstemperatur på mikrostrukturen av materialen, bereddes två typer av prover under olika pyrolysförhållanden för att bestämma den specifika ytan genom N2-absorptions-desorptionsmätning, dvs C1 (PSZ: PDVB: NiCp 2 = 1 : 2: 0, 04, 600 ° C) och C2 (PSZ: PDVB: NiCp 2 = 1: 2: 0, 04, 750 ° C). Som visas i figur 8a visar adsorptions-desorptionskurvan för C1 en brant ökning vid mycket låga relativa tryck, vilket är en typisk egenskap för mikroporöst material med isoterm av typ I. Därefter sker en långsam ökning av adsorptionsmängden under det relativa tryckområdet 0, 4–0, 8, vilket indikerar förekomsten av några mesoporer. Således kan adsorptionen betraktas som flerskiktsadsorption och kapillärkondensation i dessa mesoporer med kvävemolekyler när P / PO är under respektive 0, 4. Den beräknade BET-ytarean och porvolymen för C1 är 251, 6 m 2 · g −1 respektive 0, 09 cm 3 · g −1 .

Image

Kväveadsorption - desorptionsisotermer och motsvarande porstorleksfördelning (PSD) beräknat med hjälp av adsorptionsgren av BJH-algoritmen för (a) C1 och (b) C2.

Bild i full storlek

Tvärtom, för C2-pyrolyserad vid 750 ° C, byter kväveadsorptions-desorptionsisoterm från typ I till typ II-isoterm. Som visas i figur 8b inträffar nästan ingen adsorption vid lågtrycksområdet, vilket indikerar att många mikroporer försvann. Med den ökade P / PO ökar mängden adsorberad kväve mycket långsamt. Dessutom sammanfaller adsorptions-desorptionskurvorna bra och nästan ingen hysteresslinga kan observeras, vilket innebär frånvaron av mesoporer. Den beräknade BET-ytan för C2 minskar drastiskt till 3, 2 m 2 · g −1 jämfört med C1. För både Cl och C2 ökar dessutom adsorptionskapaciteten fortfarande när det relativa trycket är över 0, 8, vilket indikerar närvaron av stora porer producerade genom pyrolys av PDVB. Enligt litteraturen 50 inträffar i allmänhet transformationen av polymer till keramik i temperaturområdet 500–800 ° C åtföljt av krympning och densitetsökning. TGA- och masspektrometri-kurvan för prekursor (PSZ: NiCp 2 = 1: 0, 04) som visas i figur 4 visar att jonströmtätheten når maximalt vid cirka 600 ° C bekräftat av de sönderdelade organiska delarna av den prekaramiska polymeren (huvudsakligen CHx och CH x CH y ), vilket bidrar till många mikroporer i matrisen. Emellertid är uppbyggnaden av porositet övergående eftersom den kan elimineras vid en förhöjd temperatur för att uppnå keramiseringsprocessen 51 . BET-resultaten i kombination med de från SEM-analyser indikerar tydligt närvaron av hierarkiska makro- / mikroporestrukturer i Si – C – N-material vid en låg pyrolystemperatur på 600 ° C. Här valdes C1 med hög BET-ytarea som målmaterial för att undersöka adsorptionsprestanda för organiska färgämnen.

Adsorption Kinetics

Med tanke på adsorptionskinetik är adsorptionen en heterogen process som involverar fysiska, kemiska och elektrostatiska interaktioner. Adsorptionshastigheten för färgämnen beror på kontakttiden för det fasta och vätska såväl som på diffusionsprocessen. Den temporära utvecklingen av UV-spektra för två färgämnen av MB och AF på C1-färgämnen presenteras i figur 9, och de kinetiska adsorptionskurvorna presenteras i figur 10. C1 uppvisar en utmärkt adsorptionsprestanda för två färgämnen. I allmänhet kan avlägsningseffektiviteten på 83, 5% och 70, 1% uppnås inom de första 60 minuterna för MB respektive AF med den initiala koncentrationen på 200 mg · L −1 . Adsorptionsavlägsnandet av två färgämnen var snabbt vid den inledande perioden (10 min) och blev sedan långsam med den ökade kontakttiden fram till jämvikt. Avlägsnandet av föroreningar är från början snabbt, men minskar gradvis med ökad tid tills det når jämvikt. Detta fenomen tillskrivs det faktum att ett stort antal lediga adsorptionsställen på C1 är tillgängliga i det initiala adsorptionssteget, och efter en tidsfördröjning är de återstående lediga platserna svåra att uppta på grund av repulsiva krafter mellan färgämnets lösta molekyler på de fasta och bulkfaserna 52 .

Image

Den temporära utvecklingen av UV-spektral för två färgämneslösning i närvaro av Si-C – N-poröst material (a) MB (b) AF.

Bild i full storlek

Image

(a) Adsorptionskinetikkurvor och (b) pseudo-andra ordning kinetiska plott för adsorption av två färgämnen på C1 (initial koncentration: 200 mg L −1 för MB och AF, dosering av C1: 666 mg L −1 ).

Bild i full storlek

För att studera det övergående adsorptionsbeteendet hos färgämnen användes två vanliga kemiska reaktionskinetiska modeller, dvs pseudo-första ordning (PF) och pseudo-andra ordning (PS), kinetiska modeller, för att analysera adsorptionsprocessen. Den lineariserade pseudo-första ordningen kinetiska modellen uttrycks enligt följande 53 .

Image

där Q e och Q t är mängden adsorberat färgämne (mg · g −1 ) vid en jämvikt respektive tid t (min). K1 är hastighetskonstanten för den pseudo-första ordningen kinetiska modellen (1 / min). Den linjära formen av en pseudo-andra ordning kinetisk modell ges av följande ekvation.

Image

där K2 (g · mg −1 · min −1 ) är hastighetskonstanten för den pseudo-andra ordningens reaktion. Figur 10b visar anpassningsdata till den pseudo-andra ordning kinetiska modellen. Följaktligen bestäms de kinetiska parametrarna och korrelationskoefficienterna R2 genom icke-linjär regression och listas i tabell 2. Värdet på R2 indikerar tydligt att den pseudo-andra ordning kinetiska modellen uppnår en bättre anpassning av experimentdata för två färgämnen och de beräknade Qe- värdena ( Qe , cal ) ligger nära de experimentella värdena ( Qe , exp ). Därför är den pseudo-första-sekunders kinetiska modellen lämpligare att karakterisera adsorptionsbeteenden hos två färgämnen på C1 jämfört med den pseudo-första ordningsmodellen (se figur S4) och adsorptionshastigheten beror på mängden lösta ämnen vid jämvikt 54 .

Full storlek bord

För att erhålla en djup förståelse för egenskaperna hos adsorptionsprocessen applicerades modellen för porediffusion (intrapartikel diffusion) presenterad av Webber också för att passa experimentella data 55 . Modellen för partikeldiffusion kan uttryckas med följande ekvation.

Image

där Kt är intrapartikelns diffusionshastighetskonstant (g · mg −1 · min 0, 5 ) och C är en konstant som ger information om tjockleken på gränsskiktet. I figur 11 visar plotterna av Qt mot t 1/2 åtminstone två linjära segment i överensstämmelse med olika steg i adsorption. För två linjära plott har Qt mot t 1/2 avlyssningsvärde långt från noll, vilket indikerar att intrapartikeldiffusion inte är det hastighetsstyrande steget i adsorptionsprocessen och den externa massöverföringen kan vara betydande i den hastighetsstyrande steg. Det första segmentet tillskrivs den yttre diffusionen på grund av massöverföringen från färgämneslösningen till den yttre ytan av adsorbenten (filmdiffusion eller gränsskiktdiffusion). Den andra delen indikerar ett stadigt adsorptionssteg, motsvarande diffusionen av adsorbat från adsorbentens yttre till porerna eller kapillärerna i den adsorberande inre strukturen (inre diffusion) 56 . Således indikerar närvaron av multilinearitet och gränsskikttjockleken att adsorptionen av två färgämnen på Cl är en komplex process och både ytadsorption och intrapartikeldiffusion sker under adsorptionsprocessen 57 .

Image

Bild i full storlek

Adsorptionsisoterm

Figur 12a visar adsorptionsisotermerna för de två färgämnena på Cl vid 25 ° C. Resultaten avslöjar att det porösa materialet uppvisar utmärkt adsorptionsförmåga mot två färgämnen. Till exempel kan avlägsningsandelen vara så hög som 99, 2% och 97, 2% när de ursprungliga koncentrationerna var 300 mg L −1 för MB respektive 200 mg · L −1 för AF. I det låga koncentrationsområdet ökar jämviktsadsorptionskapaciteten för alla färgämnen linjärt med de ökade initiala koncentrationerna. Emellertid fördröjs den linjära tillväxten av adsorptionskapaciteten vid högre initiala koncentrationer eftersom många färgämnesmolekyler har haft svårt att komma åt lediga platser för adsorbenten, varav de flesta har varit upptagna. Isotermerna är alla av L-typ, vilket avslöjar att det porösa materialet har hög affinitet mot dessa färgämnen.

Image

(a) Adsorptionsisotermer av två färgämnen på C1 och (b) Montering av tomter av Langmuir-isotermodeller för två färgämnen på C1.

Bild i full storlek

Langmuir- och Freundlich-isotermodellerna antogs för att passa isotermdata och anpassningsparametrarna listas i tabell 3. Langmuir-modellen baseras på antagandet att adsorptionsprocessen är en monoskiktadsorption på en homogen adsorbentyta 58 . Dessa bindningsställen är begränsade och har samma affinitet för adsorbat. Dessutom finns det ingen interaktion mellan adsorberade molekyler. Den linjäriserade Langmuir-ekvationen uttrycks enligt följande.

Full storlek bord

Image

där C e (mg · L −1 ) är jämviktsfärgkoncentrationen i flytande fas, Q e (mg · g −1 ) är jämviktsadsorptionskapaciteten, Q m (mg · g −1 ) är maximal adsorptionsförmåga och K L (L · mg −1 ) är affinitetsparametern. De anpassade experimentella data för Langmuir-isotermodellen visas i figur 12b som indikerar att monteringsresultaten ger hög linjäritet med korrelationskoefficient på 0, 99975 för MB och 0, 99984 för AF. Dessutom antyder det att adsorptionen av två färgämnen på C1 är monolager och att ytan är homogen. Den beräknade maximala adsorptionskapaciteten enligt Langmuir isotermodell är 1327, 7 mg · g −1 för MB och 1084, 5 mg · g −1 för AF. Adsorptionsförmågan hos två färgämnen på C1 är mycket högre än för många andra adsorbenter, såsom magnetisk kitosan ympad med grafenoxid och organo-bentonit (jämfört med adsorption för MB), modifierad cellulosa och kol nanorör-grafen hybrid airgel (jämfört med adsorption för AF). Värdena som indikerar jämförelsen av adsorptionskapacitet för MB och AF på olika adsorbenter listas i tabell 4. Även om adsorptionskapaciteten för MB inte är så hög jämfört med bariumfosfat-nano-flingan och p-cyklodextrin-kitosan-nanopartiklar; den enkla beredningsprocessen, god återvinningsbarhet och låga kostnader för Si-C – N-hybridmaterial är mer fördelaktiga vid avloppsrening 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66 .

Full storlek bord

Däremot används Freundlich-isotermodellen i allmänhet för att beskriva adsorptionen på en heterogen yta med interaktion mellan adsorberade molekyler och är inte begränsad till bildandet av en monolager 67 . Det linjäriserade uttrycket för denna modell ges genom ekvation (7).

Image

där Q e är mängden färgad adsorberat per gram adsorbent (mg · g −1 ), är C jämviktsfärgkoncentrationen i lösning (mg · L −1 ), KF ((mg / g) · (L / mg) −1 ) är Freundlich-konstanten, och 1 / n är heterogenitetsfaktorn. De anpassade tomterna i Freundlich-isotermodellen för absorption av färgämnen på C1 visas i figur S5. Freundlich-modellen misslyckas med att beskriva experimentella data, vilket indikerar förekomsten av homogena adsorptionsställen på det porösa Si – C – N-hybridmaterialet.

Dessutom beräknades de termodynamiska parametrarna för att förutsäga adsorptionsprocessen med fri adsorptionsenergi (ΔGO), vilket uttrycks enligt följande 68 .

Image

där KO är jämviktskonstanten vid en viss temperatur, och R är gaskonstanten. För en adsorptionsreaktion definieras K0 enligt följande.

Image

där a s är aktiviteten för adsorberat färgämne, är e aktiviteten för färgämne i lösning vid jämvikt, Qe är mängden färgämne som adsorberas med en massa adsorbent (mg · g −1 ), vs är aktivitetskoefficienten av det adsorberade färgämnet, och v är aktivitetskoefficienten för färgämne i lösning. Färgkoncentrationen i lösningen minskar och når noll; därför kan K0 erhållas genom att plotta L n ( Q e / C e ) vs. Qe och extrapolering av Q till noll, såsom visas i figur 13. Värdet på R2 erhållet från en linjär regressionsanalys är 0, 90267 respektive 0, 86085 för MB respektive AF. Värdet på K 0 från den räta linjen avskärning med den vertikala axeln är 6, 09 för MB och 5, 32 för AF. Följaktligen är Δ G 0- värdena −4, 48 kJ · mol −1 för MB och −4, 14 kJ · mol −1 för AF. Det bekräftar att adsorptionen av färgämnen på Cl är spontan och termodynamiskt fördelaktig.

Image

Bild i full storlek

Selektiv adsorption, regenerering och återvinning

De selektiva adsorptionsexperimenten utfördes på flera andra färgämnen med olika molekylstrukturer som presenterades i figur 14 och figur 15. Resultaten visar att det porösa Si-C – N-hybridmaterialet också visar totalt selektiv adsorptionsegenskap, dvs. hög adsorptionsförmåga för MG, MV och BF och ingen adsorption för MO, MR och CR. Det verkar som att alla färgämnen med skrymmande trifenylstruktur kan absorberas av Cl, men färgämnena med azobensen (MO, MR, CR) kan inte absorberas. Repeterbarheten är också viktig för ett adsorbent för dess genomförbara och praktiska tillämpning. Hybridmaterialet kan lätt regenereras genom sintring på grund av dess motstånd mot hög temperatur. I denna studie användes MB som modellfärgämne för att undersöka återvinningsbarheten av poröst Si-C – N-hybridmaterial. Figur 16 visar avlägsnande av MB i fem återvinningsförfaranden med regenererad Cl. Det observerades att avlägsningseffektiviteten var 96, 94 och 96, 11% under de första två körningarna och minskade något till 94, 33% respektive 93, 56% i fjärde respektive femte körning. Den goda repeterbarheten tillskrevs stabiliteten hos sp 2- hybridiserade kol samt god strukturell stabilitet av amorft Si-CN-ramverk vid temperaturen under 600 ° C, vilket garanterade tillräckligt med adsorptionsställen för fem återvinningsprocesser för att behandla färgen med låg koncentration ( C 0 = 200 mg · L −1 ). Figur S6 visar dessutom XPS-analysen som utförts på provet Cl återvunnet efter fem körningar (Cl-fem). Jämfört med den ursprungliga C1 genomgick den yttre elementära sammansättningen av C1-five några modifieringar. Resultaten av beräkningarna avslöjade att den relativa halten kisel och kväve minskade, men den relativa halten kol och syre ökade dramatiskt jämfört med sammansättningen av C1. Adsorptionseffektiviteten förändrades dock inte signifikant, vilket indikerar de goda adsorptionsegenskaperna. Därför förväntades det att detta material lovades i den praktiska tillämpningen av adsorption av färgämnen från avloppsvatten.

Image

Adsorptionsbeteenden för Cl för olika färgämnen (a) basisk fuchsin, (b) metylviolett, (c) malakitgrön, (d) metylorange, (e) congo röd och (f) metylröd).

Bild i full storlek

Image

Bild i full storlek

Image

Bild i full storlek

Diskussion

Först drar vi slutsatsen att det porösa Si – C – N-hybridmaterialet selektivt adsorberar färgämnena med trifenylstruktur på grund av Van der Waals-kraften mellan den sp 2- hybridiserade koldomänen i adsorbent (bevisat med Raman-spektrum och FTIR) och trifenylstrukturen av färgämnen. Härnäst antogs den semiemperiska kvantkemiska metoden AM1 (Austin Model # 1) för att bestämma Van der Waals-krafter mellan sp 2- hybridiserade koldomäner i Si-C – N hybridmaterial och färgämnen även om det verkar grovt för den kvantitativa kanuleringen 69 . Enligt resultaten från AM1-modellering i figur 17 och figur S7 är det atomära avståndet mellan sp 2- kolkluster av poröst Si-C – N-hybridmaterial och MB mellan 3, 84 och 4, 49 Å, vilket ligger inom det typiska området för Van der Waals avstånd (3–4Å). För MO är emellertid det atomära avståndet mellan kolkluster och AF mellan 5, 50–5, 87 Å, vilket är utanför det typiska intervallet för Van der Waals-avståndet. Så antas det att adsorptionsställena på poröst Si-C – N-hybridmaterial kan vara relaterade till närvaron av sp 2 kol som bevisas av Raman-spektra i figur 5b. Således kan Van der Waals-krafterna mellan kolatomer (sp 2 ) i poröst hybridmaterial och trifenylstrukturen hos färgämnen vara den främsta drivkraften för adsorptionen av MB, AF, MG, MV eller BF. Å andra sidan bör även den elektrostatiska interaktionen mellan Si-NH-Si-ställena i poröst Si-C – N-hybridmaterial och aminogrupper i färgämnen övervägas. Närvaron av -NH, -NH2, N + i MB, NH och NH2 i AF, MG och MV, är gynnsam för den elektrostatiska interaktionen med Si-C – N hybridmaterial. Medan närvaron av elektron donerade grupper, såsom -N = N- i MO, MR, CR, hindras för den elektrostatiska interaktionen till Si-C – N hybridmaterial, såsom illustreras i figur 17.

Image

Den föreslagna selektiva adsorptionsmekanismen, (a) interaktionen mellan sp2-koldomänen och trifenylstrukturen hos MB, (b) interaktionen mellan sp2-koldomänen och azo-bensenringstrukturen hos MO beräknat enligt AM1, (c) föreslog selektiv adsorptionsmekanism för färgämnen för poröst Si-C – N hybridmaterial.

Bild i full storlek

FTIR-spektroskopi och XPS-analyser utfördes för att få insikt i adsorptionsmekanismen. Analyserna av FTIR-spektra för C1, MB / AF och MB / AF adsorberad Cl (MB-C1 / AF-C1) presenteras i figur S8. För C1 är den symmetriska deformationsvibrationen som motsvarar Si – CH3 vid 1268 cm −1 fortfarande närvarande. På samma sätt är toppen vid 2924 cm −1 relaterad till C – H asymmetriska sträckningsvibrationer (C (sp 3 ) –H band) svagt synlig, vilket indikerar närvaron av mättade grupper. En intensiv och bred topp vid 3440 cm-1 indikerar retentionen av N-H-bindning som överensstämmer med masspektrometri-analysen. Det är viktigt att de breda topparna vid 1624 och 1404 cm −1 tillskrivs de konjugerade banden av fria kol (C = C, sp 2 ), vilket indikerar en polyaromatisk-liknande konjugationsstruktur. Dessutom tillskrivs den intensiva toppen på 1032 cm −1 den amorfa Si-NH – Si-fasen, som också är viktig för adsorptionen av färgämnen. Efter absorption av MB på C1 (C1-MB) registreras de karakteristiska topparna av MB, såsom ringsträckan vid 1577 cm −1 och tre toppar vid 1122, 1037 och 616 cm −1 motsvarande sulfonatgrupper, i spektrumet för den adsorptiva addukten, vilket indikerar att MB har förankrats på ytan av Cl. När det gäller AF-adsorberad C1 (C1-AF), är de karakteristiska topparna av AF, såsom topparna vid 1625 respektive 1584 cm −1, relaterade till NH2 och aromatiska ringar av AF och de två topparna vid 1037 och 629 cm −1 härledd från sulfonatgrupper av AF, registreras i spektrumet för den adsorptiva addukten, vilket indikerar att AF har fästs på ytan på C1. Det finns inga andra nya toppar observerade för C1-MB och C1-AF, vilket indikerar att det är en fysisk adsorption. Figur 18 visar kväveadsorptionsisotermerna, vilket visar att den specifika ytan för det porösa materialet dramatiskt minskar till 3, 88 m 2 · g −1 respektive 2, 19 m 2 · g −1 för C1-MB respektive C1-AF, vilket indikerar att de flesta mikroporer har fyllts med MB- och AF-molekyler efter adsorptionen. Figur S9 visar att kolinnehållet i Cl-MB och Cl-AF ökar signifikant jämfört med Cl efter adsorption, vilket indikerar adsorptionen av ett stort antal färgämnesmolekyler (MB och AF) på Cl.

Image

Kväveadsorption - desorptionsisotermer av (a) C1-MB och (b) C1-AF.

Bild i full storlek

Speciellt användes MAS fast tillstånd-NMR för att ge ett experimentellt bevis för adsorptionsmekanismen. Från 13C NMR-spektra (figur 19a) finns en intensiv topp i intervallet 120-150 ppm för Cl, som tilldelas sp2-hybridiserade kolatomer av Si-CN-material 71, 70 . Dessutom tilldelas toppen vid 5 1 ppm till sp 3- hybridiserade kolatomer. För den rena MB, utöver den breda signalen inom området 77-160 ppm tilldelad kolatomerna på de aromatiska ringarna, kan en liten topp vid 5 178 ppm bero på karbonylgrupperna orsakade av luftmiljö. För C1 efter adsorption av MB (C1-MB) är toppen av sp 2- hybridiserade kolatomer vid 5 120–150 ppm signifikant högre än för sp 3- hybridiserade kolatomer vid 5 1 ppm, vilket indikerar att många MB-molekyler har adsorberats på ytan av porös C1. För att ha en tydlig studie på interaktionen mellan sp2-hybridiserade kolatomer mellan Cl och MB anpassades sp- 2- hybridiseringskolatomerna i tre prover med användning av Gaussiska toppar som visas i figur 19b. Jämfört med ren C1 och MB, även om ingen uppenbar kemisk förändring i intervallet 120-150 ppm-förändringar kan observeras för C1-MB, försvann toppen vid 5 153, 5 ppm härrörande från de centrala kolatomerna fästa till trifenylstrukturen i MB. Den visar att den kemiska miljön hos kolatomerna som är bundna till trifenylstrukturen hos MB förändras på grund av stacken med MB-molekyler på ytan av porös C1. Därför förändras den kemiska förändringen av dessa kolatomer mot högt fält efter adsorption. Så FTIR, XPS och MAS NMR-mätningar i fast tillstånd som nämnts ovan visar att Van der Waals kraft mellan sp 2- hybridiserade kolatomer och elektrostatisk interaktion kan vara den främsta orsaken till den mycket effektiva och helt selektiva adsorptionsfunktionen för Si-C – N hybridmaterial.

Image

MAS Solid-state 13C NMR-spektra av MB, Cl och C1-MB (a) och sp- 2- hybridisering kolatomer toppar monterade med användning av Gaussiska toppar (b).

Bild i full storlek

Slutsatser

Det hierarkiskt porösa Si-C – N-hybridmaterialet framställdes genom pyrolys av polysilazan-föregångare med användning av PDVB-mikrosfärer som offermallar vid en lägre temperatur. Det porösa Si – C – N-hybridmaterialet med hög specifik yta och sammankopplade makroporer uppvisade utmärkt borttagningsförmåga för färgämnen med trifenylstrukturer på grund av Van der Waals-kraften mellan sp2-hybridiserade koldomäner eller kluster i poröst material och trifenylstruktur av färgämnen. Dessutom hade hybridmaterialet den selektiva absorptionsegenskapen mot färgämnen med trifenylstruktur jämfört med de färgämnen med azobensenstrukturer. Langmuir isotermodell visade bättre passform med adsorptionsdata än Freundlich isotermodell och den beräknade adsorptionskapaciteten var 1327, 7 mg · g −1 för MB och 1084, 5 mg · g −1 för AF. Adsorptionsförmågan var mycket högre än för flera andra rapporterade adsorbenter, såsom magnetisk kitosan ympad med grafenoxid och organo-bentonit (jämfört med adsorption för MB), modifierad cellulosa och kol-nanorör-grafen hybrid-airgel (jämfört med adsorption för AF ). Detta hierarkiskt makro / mikro-hybrid-Si-C – N-material erhållet genom en lätt och låg kostnadspyrolys av kommersiella polymera föregångare uppvisade en betydande potential när det gäller att avlägsna organiska föroreningar från avloppsvatten.

metoder

material

PSZ (Institutet för kemi, Chinese Academy of Sciences) användes som mottaget utan ytterligare rening. Molförhållandet vinylgrupper och kiselvätebindningar i huvudkedjor var 1: 4 enligt NMR-integralen. Nickelocene (NiCp 2 ) köptes från Strem Chemicals (Kina). Vattenfri tetrahydrofuran (THF) destillerades nyligen under återflöde med användning av natrium / bensofenon före dess användning. PDVB-mikrosfärer med nominell storlek 1–1, 5 um syntetiserades enligt metoden rapporterad i litteraturen 72 . Alla färgämnen (MB, AF, BF, MV, MG, MO, CR och MR) levererades av Kermel Chemical Reagent Co., Ltd. (Tianjin, Kina).

Beredning av hybridmaterial

PSZ, PDVB-mikrosfärer och NiCp 2 blandades med standard Schlenk-tekniker eftersom PSZ var relativt känslig för fukt och syre. PSZ (2 g), PDVB (0, 6 g) och NiCp2 (0, 08 g) löstes i vattenfri THF (20 ml). Lösningen omrördes vid rumstemperatur under en dag för att erhålla homogen suspension. Hybridmaterial med olika kompositioner framställdes genom att variera förhållandet PSZ, PDVB och NiCp 2 (1: 0, 3: 0, 04, 1: 0, 5: 0, 04, 1: 1: 0, 04, 1: 2: 0, 04). Därefter avdunstades lösningsmedlet under högvakuum med användning av en flytande kvävefälla för att göra prekursorerna tillgängliga som torrt pulver. Sedan överfördes de beredda torra gröna pulvren till den vertikala rörugnen (GSL-1700X, Kejing New Mater. Ltd., Kina) för tvärbindning och pyrolys under argonatmosfär. Tre pyrolysprofiler utvecklades enligt följande: först upphettades föregångarna till 170 ° C för tvärbindning (hålltid: 1 timme), pyrolyserades vid 600 ° C i 4 timmar och kyldes sedan till omgivningstemperatur. För det andra upphettades föregångarna från rumstemperatur till 170 ° C för tvärbindning (hålltid: 1 timme), sönderdelades vid 550 ° C under 2 timmar, pyrolyserades vid 750 ° C under 4 timmar och kyldes sedan till omgivningstemperatur . För det tredje upphettades föregångarna från rumstemperatur till 170 ° C för tvärbindning (hålltid: 1 timme), sönderdelades vid 550 ° C under 2 timmar, pyrolyserades vid 1100 ° C i 4 timmar och kyldes sedan till omgivningstemperatur . Uppvärmnings- och kylningshastigheterna för alla experiment var 5 K min −1 .

Karakterisering

Pyrolysprocessen hos prekursorer undersöktes med termogravimetrisk (TGA) och differentiell skanningskalorimetri (DSC) -analyser med en samtidig termoanalysator STA 449 F3 kopplad till en fyrfärdig masspektrometer QMS 403 C Aëolos (Netzsch GmbH & Co., Selb, Tyskland) med en quadrupol värmningshastighet på 10 K min −1 under argonatmosfär (ett gasflöde på 50 ml min −1 ) i ett temperaturområde mellan 40 och 1300 ° C. Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) registrerades på en Nicolet ISTO-spektrometer (Varian, Palo Alto, Kalifornien, USA) över ett intervall från 4000 till 400 cm −1 . Raman-spektroskopiundersökning genomfördes med användning av ett Raman Microprobe Instrument (Renishaw, Storbritannien) med 514, 5 nm Ar + laser excitation. MAS-tillståndets NMR-mätning utfördes på en NMR-spektrometer (Bruker Anance III-400, Tyskland). Resonansen för 13 ° C var 79, 46. Alla spektra förvärvades med användning av magisk vinkelsnurrning (MAS 54, 74) -teknik med en rotationsfrekvens av 6 kHz under 13 C. Alla prover mättes med en korspolarisationssekvens (CP). Den använda återvinningsfördröjningen var 3 s för 13 ° C och anskaffningstiden var 42, 3 ms under 13 C. Adamantinet användes som kemisk referens för 13C NMR (38, 5 ppm från tetra-metylsilan). Mätningar av röntgenstrålningsdiffraktion (XRD) utfördes på X′Pert Pro pulverdiffraktometer (Cu Ka-strålning, 40 kV, 40 mA) (PANalytical BV, Nederländerna) med användning av krossade keramiska pulver. Den vetenskapliga RTMS-detekteringsenheten X'Celerator användes för detektering. Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) kärnnivåspektra mättes med användning av en monokromatisk Al KR röntgenkälla. Analysatorn användes med 23, 5 eV passagenergi och det analyserade området var 800 mikrometer i diameter. Bindande energier hänvisades till den framgångsrika kolväte Cl-linjen vid 285, 0 eV och kurvpassningen av XPS-spektra utfördes med användning av metoden med minsta kvadrat. Analysen genom att skanna elektronmikroskopi (SEM) utfördes av ett VEGA3 XMH-instrument (Tescan Co., Tjeckien). Proverna mättes innan det sputterade ett tunt lager (1-2 nm) guld. Porvolym och ytareanalys av de utvalda porösa materialen utfördes enligt Brunauer – Emmett – Teller (BET) -metoden med kväveadsorptions-desorptionsisotermanalys vid −195, 8 ° C (77, 35 K, TriStar II 3020, Micromeritics Instrument Co., USA). De pulverformiga proverna avgasades vid 150 ° C under 24 timmar före mätningen. Specifik ytarea beräknades med användning av BET-ekvationen. Fördelningar av porstorlek härrörde från desorptionsgrenen för isotermerna med Barrett – Joyner – Halenda (BJH) -metoden.

Färgadsorptionsbeteende

Adsorptionen i batch-läget genomfördes för att studera adsorptionskinetiken och adsorptionskapaciteten för färgämnen, inklusive MB och AF. Färgkoncentration bestämdes genom att mäta vid maximal UV-absorbans (Xmax = 590 nm för MB, Xmax = 545 nm för AF). Kalibreringskurvorna plottades mellan absorbans och koncentration av färgämnen för att erhålla absorbans-koncentrationprofilen baserad på Beer-Lamberts lag (se tabell S1 – S2 och figur S10 i stödinformation). För den kinetiska studien dispergerades fast adsorbent (20 mg) i lösning (30 ml) med den initiala koncentrationen på 200 mg · L −1 för MB respektive AF. Blandningen fick kontinuerligt omröra i den magnetiska omröraren med en hastighet av 300 varv / minut vid en konstant temperatur av 25 ° C. Vid olika tidsintervall extraherades cirka 3 ml suspension och centrifugerades vid 4000 rpm under 5 minuter för efterföljande analys. För jämviktsförsöket dispergerades fast adsorbent (5 mg) i färglösning (10 ml) med en viss initial koncentration i intervallet 300–1200 mg · L −1 för MB och 200–900 mg · L −1 för AF respektive. Blandningen fick omröras kontinuerligt under 24 timmar vid omgivningstemperatur tills jämvikten uppnåddes. Alla adsorptionsexperiment genomfördes två gånger, och endast medelvärdena rapporterades. Den maximala avvikelsen för duplikaten var vanligtvis mindre än 5%. Färgkoncentrationen i den klara supernatanten bestämdes med en XinMao Ultraviolet – Synlig (UV – Vis) spektrofotometer (UV-7504 PC). Dessutom mättes färglösningen med hög koncentration genom utspädning. Adsorptionsprocenten R (%) och adsorptionskapaciteten Q e (mg · g −1 ) beräknades med ekvationer 8 respektive 9.

Image

Image

där C 0 (mg L −1 ) är den initiala koncentrationen, är C e (mg L −1 ) jämviktskoncentrationen efter adsorption. V (L) är lösningsvolymen, och m (g) är adsorptionsmedlets massa. De undersökta molekylstrukturerna och karakteristiska egenskaperna för representativa färgämnen visas i figur 2 respektive i tabell S3.

Förnyelse och återvinning

Återvinningsbarheten av poröst Si-C – N-hybridmaterial undersöktes genom att utföra upprepad adsorption och regenerering med användning av MB som modellfärgämne. Under adsorptionssteget tillsattes poröst Si-C – N-material (20 mg) till MB vattenlösning (40 ml) med en initial koncentration av 100 mg · L-1. Suspensionen omrördes vid 300 rpm under 24 timmar, varefter det fasta ämnet separerades genom centrifugering och frystorkades över natten. Absorbansen i supernatanten bestämdes med UV-spektrofotometer. Därefter sintras det torkade pulvret vid 400 ° C under 2 timmar i vertikal rörugn under kväveatmosfär för att avlägsna färgämnet. Noterbart fanns en förlust av cirka 20% poröst material efter sintring vilket tillskrivs massförlusten orsakad av centrifugering. För att eliminera effekten av massförlust genomfördes några parallella partier adsorption / regenerering samtidigt och under samma förhållanden. Efter varje körning kombinerades det regenererade porösa materialet från dessa parallella satser, och samma mängd adsorbent extraherades från denna blandning för nästa körning.

Kompletterande information

Word-dokument

  1. 1.

    Kompletterande information

    Stödjande information

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.