변형된 BiOCl의 합성 및 특성화 및 수용액에서 저농도 염료의 흡착에 적용

결과 및 토론

재료 특성화

그림 1a는 Fe/Bi 몰비가 다른 BiOCl의 XRD 패턴을 보여줍니다. 순수한 BiOCl(Fe/Bi =0)의 모든 피크는 정방정계 BiOCl(JCPDS 06-0249)과 잘 일치하며 다른 XRD 피크는 관찰되지 않습니다. Fe/Bi 몰비가 증가함에 따라 XRD 피크는 더 강해지고 날카로워집니다. 2θ 범위에서 새로운 피크가 관찰되지 않음을 알 수 있습니다. =20~35°(그림 1b). 알려진 바와 같이 Fe ³⁺ 쉽게 가수분해되어 (수)산화물을 형성하여 점차적으로 결정질 산화철로 전환될 수 있습니다[35, 36]. 그러나 Fe/BiOCl(x)의 XRD 패턴에서는 산화철에 해당하는 회절 피크가 관찰되지 않습니다. ), 즉 샘플이 400°C에서 3시간 동안 열처리를 했음에도 불구하고 샘플에서 산화철이 형성되지 않았습니다. 또한 Fe/BiOCl의 특징적인 피크(x ) Fe ³⁺ 임을 나타내는 순수 BiOCl과 비교하여 이동이 없습니다. 이온은 BiOCl의 결정 격자에 통합되지 않습니다[37, 38]. 따라서 철은 대부분 고도로 분산된 Fe ³⁺ 형태로 존재한다고 결론지을 수 있습니다. Cu/BiOCl [39] 및 Fe(III)-BiOCl [34]의 결과에 따라 BiOCl의 표면 또는 결정 격자에서 산화철 또는 도핑 이온보다 형성됩니다.

넓은 XRD 패턴(a ) 및 로컬 XRD 패턴(b )의 Fe/BiOCl(x) )

Fe/BiOCl의 대표적인 SEM 이미지(x )은 그림 2에 나와 있습니다. 그림 2a에서 BiOCl이 평균 직경이 약 1~2μm인 3차원 미소구체 구조를 나타냄을 명확하게 알 수 있습니다. 고배율 SEM 이미지(그림 2b)는 폭이 약 70nm이고 두께가 약 20nm인 수많은 불규칙한 나노플레이트에 의해 BiOCl 미소구체가 단단히 조립되어 있음을 보여줍니다. Fe ³⁺ 이후 그라프팅의 경우 Fe/BiOCl의 형태는 구형 구조를 유지하지만 약 0.5~1μm의 감소된 직경을 나타냅니다(그림 2c). Fe/BiOCl의 고배율 SEM 이미지(그림 2d)에서 Fe/BiOCl 미소구체는 약 15nm의 더 얇은 두께를 가진 많은 나노시트로 구성되어 있음을 알 수 있습니다. 또한 일부 새로운 정사각형 모양의 나노시트도 관찰됩니다. 보고된 바와 같이 Fe ³⁺ 도입 이온은 비스무트 옥시할라이드에서 형태 변형을 유도할 수 있습니다[11, 37, 40]. Fe ³⁺ 의 존재 우리 샘플에서 더 얇은 나노시트로 계층적 미세구조를 유도하는 역할을 할 수 있습니다.

BiOCl의 SEM 이미지(a , b ) 및 Fe/BiOCl(0.25)(c , d )

샘플의 기하학적 구조와 형태는 TEM 및 HRTEM 기술에 의해 추가로 조사되었습니다. 개별 구조의 일반적인 TEM 이미지(그림 3a)는 직경이 약 1μm인 BiOCl의 구형 형태를 추가로 보여주며, 이는 두께가 20nm인 대략 둥근 모서리를 표시하는 나노플레이트에 의해 구성됩니다. 그림 3b는 얇은 나노플레이트의 HRTEM 이미지를 보여줍니다. 여기에서 투명한 격자 무늬는 이러한 플레이트형 서브유닛의 우수한 결정성과 단결정 특성을 나타냅니다. 격자 무늬는 d 0.276nm의 간격은 BiOCl의 (110) 결정면에 속합니다. d가 있는 기타 격자 무늬 0.344nm의 간격은 BiOCl의 (101) 평면에 해당합니다. 순수한 BiOCl과 비교하여 Fe/BiOCl 샘플은 적은 양의 정사각형 구조를 가진 실질적인 나노시트에 의해 느슨하게 조립된 계층적 마이크로 플라워로 구성되며 결과는 SEM 결과와 일치합니다(그림 2c). d가 있는 그림 3d의 격자 무늬 0.276, 0.344 및 0.342nm의 간격은 각각 BiOCl의 (110), (101) 및 (011) 결정면에 속합니다. SEM 및 TEM 결과를 기반으로 Fe ³⁺ 이온은 규칙적인 정사각형 모양의 나노시트 성장을 유도하고 나노시트가 개방된 다공성 구조를 가진 계층적 미세 꽃을 형성하도록 유도할 수 있으며, 이러한 변형은 지향성 부착 및 Ostwald 숙성과 관련될 수 있습니다[37].

BiOCl의 TEM 및 HRTEM 이미지(a , b ) 및 Fe/BiOCl(0.25)(c , d )

명백한 피크 이동 및 Fe 종과 관련된 새로운 회절 피크가 XRD 패턴 및 동일한 d에서 관찰되지 않는다는 결과를 기반으로 합니다. BiOCl과 Fe/BiOCl의 간격, Fe ³⁺ Fe/BiOCl 샘플에서는 이온이 검출되지 않습니다. Fe ³⁺ 의 존재를 추가로 증명하기 위해 이온, Fe/BiOCl(0.25)의 원소 매핑은 에너지 분산 X선(EDX)을 사용하여 SEM으로 수행되었으며 그 결과는 그림 4에 나와 있습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 Fe 원소는 균질합니다. Fe/BiOCl 마이크로 플라워의 표면에 분포하여 Fe ³⁺ 의 존재를 강력하게 입증합니다. 이온.

일반적인 SEM 이미지(a ) 및 Bi의 요소 매핑(b ), Cl (c ), 모든 요소(d ), 철(e ) 및 O(f ) Fe/BiOCl(0.25)

화학적 조성을 결정하고 샘플에서 표면 원소의 화학적 상태를 지정하기 위해 XPS 측정이 추가로 수행되었습니다(그림 5). 샘플 Fe/BiOCl(0.25)의 조사 스펙트럼은 700~ 범위에서 Fe 신호에 할당된 약한 피크를 제외하고 Bi, O, Cl 및 C 원소의 공존을 나타내는 베어 BiOCl의 것과 대부분 유사합니다. 750eV C 피크는 샘플 표면의 우연한 탄소에서 비롯됩니다. Bi 4f의 고해상도 스펙트럼(그림 5b)은 Bi 4f_5/2에 할당된 164.8 및 159.5 eV에 위치한 두 개의 강렬한 피크를 표시합니다. 및 Bi 4f_7/2 , 각각. Cl 2p 코어 레벨 스펙트럼(그림 5c)에서 볼 수 있듯이 Cl 2p_3/2에 해당하는 198.2 및 199.8 eV에 두 개의 명확한 피크가 있습니다. 및 Cl 2p_1/2 , 각각. 그림 5d에서 530.3 및 533.4 eV의 결합 에너지는 각각 BiOCl 또는 Fe/BiOCl의 격자 산소와 결함 산화물 및 수산기 유사 그룹에 할당됩니다[41]. 그림 5e에 표시된 것처럼 724.0 및 710.5eV에서 관찰된 두 개의 명백한 피크가 Fe 2p_1/2에 할당됩니다. 및 Fe 2p_3/2 , 각각. 두 레벨 사이의 에너지 스팬은 약 13eV이며, 이는 Fe ³⁺ 의 특성 값입니다. 상태 [11, 42]. Fe ³⁺ 후에 Bi 4f, Cl 2p 및 O 1s 스펙트럼에서 관찰된 피크 위치의 중요한 이동이 없다는 점에 유의해야 합니다. Fe ³⁺ 임을 나타내는 수정 이온은 BiOCl의 표면에 그래프트되거나 무정형 FeO(OH)와 같은 클러스터로 존재합니다[43]. 특히 XPS 기술은 표면 요소의 화학적 조성을 감지하는 데도 채택될 수 있습니다. XPS 결과에 따르면 Fe/BiOCl 시료(0.25)의 Fe/Bi 몰비는 0.27로 추정되어 원래 배열된 값에 ​​매우 가깝습니다.

BiOCl 및 Fe/BiOCl(0.25)의 XPS 스펙트럼. 아 설문조사, b 양방향 4f, c Cl 2p, d O 1 및 e Fe 2p

표면적은 흡착제가 독성 염료, 유기 오염 물질 및 금속 이온을 제거하는 데 중요한 요소입니다[28, 33, 44]. 더 높은 비표면적(S _베팅 ) 및 기공 부피(V _T ) 흡착제의 수착 능력이 유리할 수 있다[33]. 따라서 비표면적과 BJH 기공 크기 분포는 N₂로 측정되었습니다. 흡착-탈착 실험과 그 결과를 Fig. 6a와 Table 1에 나타내었다. N₂ 시료 BiOCl 및 Fe/BiOCl(0.25)에 대한 흡착-탈착 등온선은 H3 히스테리시스 루프가 있는 유형 IV로 분류되며, 이는 교차된 각 나노플레이트 또는 나노시트 사이에 형성된 다공성 구조의 존재를 보여줍니다[45, 46]. BJH 기공 크기 분포 곡선(그림 6a의 삽입)은 샘플에서 다공성 구조의 존재를 추가로 확인합니다. 표 1에 나열된 것처럼 S _베팅 및 V _T Fe/BiOCl 값(0.25)은 BiOCl 값보다 높으며, 이는 Fe ³⁺ 이후의 더 작은 입자 크기와 열린 미세 구조 때문일 수 있습니다. 수정.

N₂ 흡착-탈착 등온선 및 기공 크기 분포 곡선(삽입)(a ) 및 제타 전위(b ) BiOCl 및 Fe/BiOCl(0.25)

제타 전위는 흡착제의 또 다른 핵심 요소인 용액에 분산된 입자의 표면 전하 크기를 정량화하는 데 널리 사용됩니다[18]. 그림 6b는 다양한 pH 값에서 측정된 BiOCl 및 Fe/BiOCl(0.25)의 제타 전위를 보여줍니다. 그림 6b와 같이 BiOCl의 표면은 pH 5~13 사이에서 음전하를 띠고 있다. Fe ³⁺ 이후 수정하면 전하가 긍정적으로 개선되지만 측정된 pH 값 중 여전히 0mV 미만입니다. 표면 전하에 대한 긍정적인 개선은 Fe ³⁺ 의 특정 흡착을 통한 전하 중화에 기인할 수 있습니다. BiOCl 표면의 이온 또는 Fe-OH₂를 형성하기 위해 양성자화되는 하이드록실 그룹(Fe-OH)의 형성 ⁺ [35].

BiOCl 및 Fe/BiOCl의 흡착 능력

다음 흡착 실험에서는 Fe/BiOCl(x ).

양이온 염료 RhB와 음이온 염료 MO는 BiOCl 및 Fe/BiOCl의 흡착 능력을 테스트하기 위한 일반적인 유기 염료로 선택됩니다. 그림 7은 0.01~0.04mmol/L 범위에서 시간의 증가에 따른 RhB 및 MO의 초기 농도에 따른 BiOCl 및 Fe/BiOCl의 흡착능을 보여줍니다. 그림 7에서 보는 바와 같이 BiOCl과 Fe/BiOCl의 흡착능력은 20분 이내의 시간 의존적이며 RhB와 MO의 초기 농도가 증가함에 따라 감소한다. 더 낮은 농도에서 더 높은 흡착 효율은 최대 수의 염료 분자가 준비된 흡착제에 흡착되는 경향이 있다는 사실과 관련이 있을 수 있습니다[47]. 그림 7a, b는 BiOCl 및 Fe/BiOCl 모두 양이온성 염료 RhB에 대해 우수한 흡착 효율을 나타내며 BiOCl 및 Fe/BiOCl에 대해 각각 5분 및 20분 이내에 최대값에 도달할 수 있음을 보여줍니다. 그러나 BiOCl은 정전기 반발이 증가하기 때문에 음이온성 염료 MO에 대해 열악한 흡착 성능을 보이며, 이는 20분 이내에 약 30%의 흡착 효율에 불과합니다. Fe ³⁺ 이후 수정, 흡착 능력이 향상되어 20분 이내에 약 60%에 도달합니다. 음이온성 MO에 대한 향상된 흡착 능력은 Fe/BiOCl의 보다 개방된 다공성 구조 및 높은 비표면적과 관련이 있을 수 있습니다. 따라서 BiOCl과 Fe/BiOCl은 RhB 제거에 탁월하지만 MO에는 적합하지 않은 흡착제임을 추론할 수 있다.

RhB에 대한 BiOCl 및 Fe/BiOCl의 흡착 용량에 대한 초기 농도의 영향(a , b ) 및 MO(c , d ) (pH =7, 온도 =25 °C)

RhB 및 MO에 대한 BiOCl 및 Fe/BiOCl의 흡착 용량에 대한 온도(25~85°C)의 영향도 조사했습니다. 그림 8에 표시된 결과는 BiOCl뿐만 아니라 Fe/BiOCl의 흡착 용량과 RhB 제거 온도 사이에 밀접한 관련이 없음을 보여줍니다. 그러나 BiOCl 및 Fe/BiOCl의 흡착 능력은 MO 쪽으로의 온도에 크게 의존하며, 이 흡착 공정에는 낮은 온도가 유리합니다. 또한, BiOCl 및 Fe/BiOCl의 RhB에 대한 흡착 능력은 여전히 ​​MO에 대한 값보다 높으며, 이는 그림 7과 일치합니다. 그림 7의 결과에 따르면 염료 분자와 흡착제 사이의 정전기 인력이 주로 BiOCl의 큰 흡착 능력을 담당합니다. Fe ³⁺ 이후 수정, BiOCl의 표면은 더 양전하를 띠며(그림 6b), 결과는 Fe ³⁺ 와 유사합니다. - clinoptilolite 접목 [35]. 이러한 현상은 용액에서 양이온성 염료를 제거하는데 불리하다. 그럼에도 불구하고 RhB에 대한 Fe/BiOCl의 흡착 능력은 25~85°C의 온도 범위에서 BiOCl 값과 거의 일치합니다. 알려진 바와 같이, 더 높은 비표면적은 염료 분자 흡착을 위한 더 많은 활성 부위를 제공할 수 있습니다[33, 35, 48]. Fe/BiOCl의 비표면적(58.96m ² /g)는 BiOCl보다 높습니다(35.05m ² ). /G); 따라서 비표면적은 Fe/BiOCl에 대한 염료 분자의 흡착 과정에서도 중요한 역할을 합니다.

RhB에 대한 BiOCl 및 Fe/BiOCl의 흡착 용량에 대한 온도의 영향(a , b ) 및 MO(c , d ) (pH =7, 초기 농도 =0.01mmol/L)

용액의 pH 값은 흡착제의 표면 전하와 염료 분자의 이온화 정도가 용액 pH에 크게 영향을 받기 때문에 흡착제와 염료 분자 사이의 상호 작용을 제어하는 ​​데 중요한 역할을 합니다[7]. 0.1M HCl 또는 0.1M NaOH로 조정한 5~13 범위의 pH 값이 흡착 용량에 미치는 영향도 연구했으며 그 결과를 그림 9에 나타내었습니다. RhB 및 MO에 대한 BiOCl 및 Fe/BiOCl의 흡착 용량 알칼리성 용액에서 열악한 흡착 성능을 나타내는 pH 의존성이 강합니다. 그림 9a, b는 초기 염료 분자 흡수율이 BiOCl에서 3분 이내에 99.7%로 급격히 증가하고 Fe/BiOCl에서 10분 이내에 93.0%로 급격히 증가한 다음 pH 값 5에서 시간이 연장됨에 따라 평준화되었음을 보여줍니다. 알려진 바와 같이, H ⁺ 사이에 흡착 경쟁이 있을 것입니다. 및 산성 용액의 양이온성 RhB 분자[47, 49]. 그러나 RhB에 대한 BiOCl 및 Fe/BiOCl의 흡착능은 pH =7에서 값과 비교하여 감소하지 않으며, 이는 H ⁺ 사이에 흡착 경쟁이 없음을 나타냅니다. 및 양이온성 RhB 분자. BiOCl과 Fe/BiOCl은 모두 음전하를 띠고(그림 6b) OH<섭>− 및 염료 분자. 불행히도 BiOCl과 Fe/BiOCl의 RhB에 대한 흡착 능력은 pH =13에서 급격히 감소했는데, 이는 BiOCl이 강알칼리성 용액에서 불안정하기 때문에 BiOCl의 구조적 파괴에 기인할 수 있다[50]. BiOCl 및 Fe/BiOCl에 대한 MO의 흡착 거동은 RhB의 흡착 거동과 유사합니다. 즉, 산성 용액의 흡착 용량이 알칼리성 용액의 값보다 높습니다. 차이점은 BiOCl과 Fe/BiOCl의 MO에 대한 흡착 능력이 pH =11에서 급격히 감소한다는 것인데, 이는 OH ^- 간의 약한 흡착 경쟁과 관련이 있을 수 있습니다. 및 음이온성 MO 분자[35, 51].

RhB에 대한 BiOCl 및 Fe/BiOCl의 흡착 용량에 대한 pH 값의 영향(a , b ) 및 MO(c , d ) (온도 =25°C, 초기 농도 =0.01mmol/L)

위의 흡착 실험에 기초하여 초기 농도 =0.01mmol/L, pH 값 =5.0, 온도 =25°C의 조건에서 RhB에 대한 BiOCl 및 Fe/BiOCl의 최대 흡착능이 최적화되었습니다.

흡착 메커니즘

제타 전위와 위의 흡착 결과를 바탕으로 강력한 정전기 인력이 흡착 과정에서 중요한 역할을 한다고 추론할 수 있습니다. 이 추론을 확인하기 위해 양이온성 메틸렌 블루(MB) 및 음이온성 산성 오렌지(AO)를 포함한 다른 두 가지 유기 염료를 선택하여 BiOCl 및 Fe/BiOCl의 흡착 성능을 추가로 조사했습니다. 추가 파일 1:그림 S1은 BiOCl 및 Fe/BiOCl에 대한 MB 및 AO의 흡착 효율을 보여줍니다. 추가 파일 1:그림 S1에 표시된 것처럼 BiOCl과 Fe/BiOCl은 모두 양이온성 MB에 대해 우수한 흡착 효율을 나타내지만 음이온성 AO에 대해서는 실망스러운 성능을 나타냅니다. 결과적으로 강력한 정전기 인력이 BiOCl의 흡착 성능에 주로 책임이 있다는 가정이 밝혀졌습니다. 및 Fe/BiOCl.

강한 정전기적 인력 외에도 높은 비표면적과 개방된 다공성 구조 또한 준비된 흡착제의 흡착 성능에 기여합니다. 일반적으로 Fe ³⁺ 그래프팅은 BiOCl의 표면을 모체 BiOCl보다 더 양전하를 띠게 만들어(그림 6b), 양이온 염료 분자에 대한 Fe/BiOCl의 감소된 흡착 능력을 유도합니다. 그러나 Fe/BiOCl의 흡착능은 BiOCl과 거의 동일한 값을 유지한다. 또한, Fe/BiOCl은 모두 음전하를 띠지만 순수 BiOCl보다 음이온성 염료 분자에 대해 더 높은 흡착 능력을 보입니다. Fe/BiOCl은 모체 BiOCl보다 더 개방된 다공성 구조와 더 높은 비표면적(TEM 및 BET 결과)을 가지고 있다는 점에 유의해야 합니다. 둘 다 흡착 능력을 향상시키는 데 유리합니다. 따라서 정전기 인력, 더 높은 비표면적, 더 많은 열린 다공성 구조를 포함하는 세 가지 매개변수가 Fe/BiOCl의 흡착 용량에 책임이 있다고 추론할 수 있습니다.

결론적으로 유기염료에 대한 BiOCl과 Fe/BiOCl의 흡착 메카니즘은 다음과 같이 요약될 수 있다. 높은 비표면적은 주로 음이온성 염료 분자에 대한 흡착 능력을 담당합니다. (2) 흡착제 Fe/BiOCl의 경우 정전기적 인력, 보다 개방된 다공성 구조 및 더 높은 비표면적을 포함하는 세 가지 측면이 양이온성 염료 분자에 대한 흡착 능력을 담당하지만 후자의 두 가지 측면이 흡착 능력에 대한 주요 원인 음이온성 염료 분자를 향하여.

BiOCl 및 Fe/BiOCl에 혼합 염료 흡착

실제 산업 염료 폐수는 일반적으로 한 종류 이상의 염료로 구성됩니다. 따라서 준비된 흡착제의 흡착 성능을 조사하기 위해 일련의 혼합 염료 용액을 준비합니다. 그림 10은 혼합 염료 용액에 대한 BiOCl 및 Fe/BiOCl의 선택적 흡착 성능을 보여주고, BiOCl 및 Fe/BiOCl(0.25)에 대한 시간 함수로서의 염료 분자의 선택적 흡착 용량은 추가 파일 1에 나와 있습니다. 그림 S2 및 S3, 각각. 결과는 BiOCl이 Fe/BiOCl보다 혼합 염료 용액에서 양이온성 염료 분자에 대해 더 우수한 선택적 흡착 성능을 나타냄을 보여줍니다. 그러나 다양한 염료 분자의 흡착 능력은 일반적으로 해당 단일 염료 시스템의 흡착 능력보다 낮습니다. 이는 흡착제 표면에 염료 분자가 경쟁적으로 흡착하기 때문일 수 있습니다[7].

BiOCl의 혼합 염료 용액에서 MO, MB, RhB 및 AO의 흡착 용량(a ) 및 Fe/BiOCl(b ). 흡착 조건 50mg 흡착제, 혼합 염료 용액에 단일 염료 25mL, 실온. All the concentration of dye solutions is 0.01 mmol/L

흡착 등온선

Adsorption isotherm is often adopted to determine the equilibrium relationship between the adsorbent and the dye molecules as well as the equilibrium concentration of the dye molecules [52]. Langmuir isotherm and Freundlich isotherm are the most frequently used isotherms; the former model is based on the assumption that the maximum adsorption capacity keeps a correspondence with a saturated monolayer of solute molecules on the adsorbent surface, and the latter model describes a kind of multilayer adsorption with the solutes from a liquid to a solid surface and provides a relationship between the adsorbed dye amounts and the dye concentration at equilibrium [48, 49, 52]. The linear form of the Langmuir equation can be described as follows:

여기서 C _e (mg/L) is the equilibrium concentration of the dye molecules, q _e (mg/g) is the amount of adsorbed dyes per unit mass of adsorbent at equilibrium, and Q ₀ 그리고 b are the Langmuir constants which are related to adsorption capacity and rate of the adsorption, respectively.

The Freundlich isotherm, an empirical equation, can be described as follows:

여기서 q _e (mg/g) is the amount of adsorbed dyes per unit mass of adsorbent at equilibrium, C _e (mg/L) is the equilibrium concentration of dye molecules, and K _f (L/mg) 및 n _F are Freundlich constants which are associated with the adsorption capacity at unit concentration and adsorption intensity of the adsorbent, respectively.

The plots of the experimental data on the basis of Langmuir and Freundlich models are shown in Fig. 11 and Additional file 1:Figure S4, respectively. It is obviously observed in Fig. 11 and Additional file 1:Figure S4 that the Langmuir isotherm model displays a better fit to the experimental data for both BiOCl and Fe/BiOCl than the Freundlich isotherm model, which indicates the monolayer coverage of the surface of BiOCl and Fe/BiOCl by RhB molecules.

Langmuir isotherm for adsorption RhB on BiOCl (a ) and Fe/BiOCl (b )

Adsorption Kinetics

To further investigate the adsorption rate and the possible mechanism, kinetics of RhB adsorption on BiOCl and Fe/BiOCl at different temperatures were studied using the pseudo-first order and the pseudo-second order [53, 54], respectively.

The pseudo-first order can be described as Eq. (5):

The pseudo-second-order can be described as Eq. (6):

여기서 q _그 (mg/g) and q _e (mg/g) are the amount of dye molecules adsorbed at t time and at equilibrium, respectively. ㅋ ₁ (min ^− 1 ) 및 k ₂ (g/(mg min)) represent the rate constant of the pseudo-first-order model and the pseudo-second-order model, respectively.

The plots of the experimental data simulated on the basis of the pseudo-first-order and the pseudo-second-order are shown in Additional file 1:Figure S5 and Fig. 12, respectively. As shown in Additional file 1:Figure S5 and Fig. 12, the experimental data shows a better fit to the pseudo-second-order model than the pseudo-first-order model. The values of kinetic parameters q _e 그리고 k ₂ and the corresponding correlation coefficients (R ² ) are listed in Additional file 1:Table S1. All the q _e values are very close to the theoretical value for complete adsorption capacity for RhB (4.79 mg/g), which indicates the forceful adsorption efficiency of BiOCl and Fe/BiOCl. The low q _e value is possibly resulted by the low concentration of as-prepared dye solutions.

Pseudo-second-order kinetics for adsorption RhB on BiOCl (a ) and Fe/BiOCl (b )

Adsorption Cycles and Adsorbent Regeneration

For potential applications in pollutant treatment, the recycled utilization of an adsorbent plays a significant role. Thus, the adsorption cycle tests of BiOCl and Fe/BiOCl toward RhB were conducted and the results are shown in Fig. 13. As displayed in Fig. 13, the adsorption efficiency of BiOCl maintained more than 80% after three adsorption cycles. The adsorbent Fe/BiOCl also presented excellent adsorption efficiency, i.e., about 50% after five adsorption cycles, although which was slightly lower than that of BiOCl.

The adsorption cycle tests of BiOCl and Fe/BiOCl

It is generally accepted that BiOCl is recognized as an excellent photocatalyst toward organic dye photodegradation [22,23,24]. Thus, this photocatalytic performance could be applied to regenerate the adsorbents. Using RhB as reaction model, the regeneration of BiOCl and Fe/BiOCl was investigated and the detailed description was displayed in Additional file 1. Additional file 1:Figure S6 (a) showed the FT-IR spectra of RhB, BiOCl, and Fe/BiOCl and the corresponding counterparts after adsorption and photocatalytic process. A series of bands at 1000–1800 cm ^− 1 are attributed to RhB dye molecules [55], and the peak at 522 cm ^− 1 is attributed to the Bi–O stretching vibration [56]. After adsorption of RhB dye molecules onto BiOCl and Fe/BiOCl, many peaks belonging to RhB were observed and Bi–O stretching vibration did not changed, which confirmed the electrostatic interaction between adsorbents and RhB molecules as well as the high stability of adsorbents. In addition, the photocatalytic activities of BiOCl and Fe/BiOCl after adsorption were measured under visible light illuminations. After 60 min irradiation, the residual samples were collected and washed with water. It is noticeable that the characteristic peaks of functional groups for RhB molecules became very weak in samples BiOCl and Fe/BiOCl, forcefully demonstrating the regeneration and superior photocatalytic activities of absorbents. Additional file 1:Figure S6 (b) shows the intuitive photographs of as-prepared BiOCl and Fe/BiOCl and the corresponding samples after adsorption and photodegradation. The pristine BiOCl and Fe/BiOCl displayed white and light brown colors, which turned to nearly RhB color after adsorption and then approximately faded into the original color of samples after photodegradation. The color variation of the adsorbents verifies the adsorption and photodegradation of RhB over BiOCl and Fe/BiOCl, further confirming that BiOCl and Fe/BiOCl are excellent adsorbents and could be easily regenerated by a photocatalytic route.