수용액에서 중금속 이온을 제거하기 위한 Fe3O4@C 하이브리드 나노입자 및 자기 흡착 성능의 열수 합성

초록

비면적이 높은 첨단 코어쉘 소재는 수용액에서 중금속을 제거하는 효과적인 소재로 여겨져 왔다. 코어 쉘 Fe₃ O₄ @C 하이브리드 나노 입자는 연구에서 환경 친화적 인 채널로 응집합니다. 또한 더 높은 BET(Brunauer-Emmet-Teller) 표면적이 최대 238.18m² 에 도달하는 특수 구성의 경우 흡착 사이트의 더 높은 노출을 달성할 수 있습니다. g⁻¹ . 따라서, 보다 효율적인 중금속 이온 제거가 얻어지며, Pb(II), Cd(II), Cu(II) 및 Cr(VI)은 각각 최대 100, 99.2, 96.6 및 94.8%입니다. 또한, 제품은 상대적으로 큰 서브마이크로미터 크기와 철 기반 코어에 의해 도입된 강화된 외부 자기장으로 인해 흡착 후 수용액에서 쉽게 분리됩니다. 코어쉘 Fe₃를 사용하여 중금속 이온을 제거하는 이상적인 모드를 제공합니다. O₄ @C 수처리 조건에서. 환경 개선, 촉매, 에너지 등 다양한 분야에서 활용되고 있는 코어-쉘 나노/마이크로 기능성 물질이 대규모로 잘 합성될 수 있다는 새로운 접근 방식이 밝혀졌습니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

환경 보호에 대한 목소리가 끊임없이 높아지고 높아짐에 따라 중금속 오염에 의한 인체 건강 및 환경 오염을 지칭하는 독성 효과에 대한 관심이 높아지고 있다[1,2,3]. 방류 전에 산업 폐수에서 중금속 원소를 제거하는 것이 중요합니다[4]. 현재까지 이온 교환, 응고 침전 및 일련의 전통적인 기술이 지난 수십 년 동안 폐수에서 중금속을 제거하기 위해 적용되었습니다[5, 6]. 기존의 기술은 인간에게 상당한 이점을 제공함과 동시에 고비용의 운영비, 추가적인 유독성 슬러지 발생, 불완전한 금속 제거 등 관리 및 기술적인 측면에서 특징적인 단점을 드러냈다[7,8,9]. 다른 한편으로, 흡착제 물질의 형태인 입자 크기를 제어하는 것은 이러한 종류의 문제를 극복하기 위한 효율적이고 혁신적인 솔루션 중 하나임이 입증되었습니다. 중공 구, 나노와이어 및 나노튜브는 참고문헌[10,11,12,13]에서 중금속 제거에 기여하는 더 나은 흡착 성능을 가지고 있습니다. 또한, 코어-보이드-쉘 특성을 갖는 코어-쉘 구조를 유지하는 신소재에 대한 연구가 집중되고 있다. 표면적, 굴절률, 저밀도, 수용 체적의 변화에 대한 타당성 등 동일한 크기의 고체 대응물에 비해 장점이 입증되어 두 가지 측면에서 모두 큰 기여를 합니다. 속성 및 기능 [14, 15]. 따라서 모양, 구성 및 내부 건축을 조정할 수 있는 이 독특한 구조는 환경 개선을 추구하는 흥미로운 방향입니다.

코어-쉘 구조 재료에 대한 많은 문헌이 관련되어 있습니다. Guo [16]는 케이지 벨 Ag@TiO₂를 만들었습니다. 재료 및 연구는 더 나은 광촉매 및 전기 화학적 특성을 나타냅니다. Liu[17]는 코어쉘 Fe₃를 준비했습니다. O₄ 의약 지지체, 촉매 담체 및 탄소 흡착제 분야에서 좋은 잠재력을 보인 폴리도파민 나노 입자. 우리가 아는 한, 원하는 쉘의 제거 가능하거나 희생적인 템플릿(예:고분자 실리카[18], 구체[19], 탄소[20], 이온성 액체[21])의 도움은 코어의 일반적인 합성에서 중요합니다. 쉘 하이브리드 나노 입자 구조. 그러나 가장 사용 가능한 코어-쉘 구조 재료는 단일 쉘 입자의 하나의 구성과 같이 비교적 단순한 구성에 주로 초점을 맞춘 다중 템플릿 공정에 의해 합성됩니다. 더욱이, 합성 템플릿에 의해 제한되었던 복잡한 나노구조체의 구축 과정에서 시간 및 비용을 포함하여 코어-쉘 구조를 갖는 첨단 물질의 제조 가능성을 더욱 강화하는 일반적인 접근을 수반하는 중금속 이온 제거 방법은 여전히 부족하다 기술적인 측면과 친환경적인 측면 모두에서 요구되고 있는 다중 템플릿 경로입니다.

자성 기능성 나노복합체의 합성은 흡착제와 용액 사이의 분리를 해결하기 위한 효과적이고 편리한 방법으로 자성 분리를 확장하는 방법이다[22]. 이 과정에서 자성 나노 입자의 표면에 공유 고정화 고분자, 새로운 분자 및 무기 물질이 증가합니다. 독성 중금속 이온 폐수 처리에도 유용한 기술 경로입니다[23]. 예를 들어, 새로운 합성 키토산 변형 자기 나노복합체[24] 및 단분산 Fe₃ O₄ @실리카 코어-쉘 구조 복합 자기 나노입자 코어-쉘 마이크로스피어[25]가 보고되었습니다. 이러한 자성 나노복합체는 외부 자성을 기반으로 한 흡착 과정을 통해 용액에서 쉽게 분리될 수 있음에도 불구하고 강산성 폐수의 적용 가능성과 같은 특수 조건에 대해 더 고려해야 합니다.

최근 탄소기반 나노구조 물질에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. Wildgoose[26]는 이러한 종류의 재료가 비용, 알칼리 내부식성, 비표면적 및 흡착 용량 면에서 명백한 이점을 가지고 있음을 제시했습니다. Uchida[27]는 카르복실 작용기가 탄소 표면에 쉽게 생성되어 중금속 이온의 흡착 능력을 더욱 향상시킬 수 있다고 지적했다. 그러나 탄소 입자의 크기가 작아 용액에서 제거하기 어렵다는 치명적인 단점으로 인해 중금속 폐수 처리에 적용하는 데 한계가 있었습니다. 탄소 코팅된 자성 나노 입자가 폐수 처리 매체를 향하고 있음을 고려할 때 외부 자기장에서 흡착 능력과 분리 특성에 더 높은 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 훨씬 더 많은 관심이 증가했습니다 [28,29,30,31,32,33,34,35]. Zhang[36]은 크롬 이온 제거에 사용되는 중공 자성 탄소 나노구를 준비했습니다. 중금속을 제거하기 위해 Wang 그룹[37]은 Fe 나노입자 재료의 사례 연구를 보고했습니다. 이러한 이전 연구는 해당 미래 작업이 분리가 쉽고 흡착 용량이 큰 고효율 중금속 이온 흡착제를 참조해야 함을 나타냅니다. 한편, 코어쉘 Fe₃에 대한 연구는 드물다는 점을 지적해야 합니다. O₄ @C 하이브리드 나노입자는 현재까지 응집되어 있습니다.

이 연구에서 우리는 자기 코어가 있는 탄소 미소구체를 준비했습니다. 또한 코어쉘 Fe₃ 합성을 위한 간결한 전략이 제안되었습니다. O₄ @C 하이브리드 나노입자 집합체는 순도, 표면적, 흡착력이 우수한 중금속 이온 제거용 첨단 소재입니다. Fe₃의 기존 생산 기술과 비교 O₄ 재료, 이점은 분명합니다. 더 넓은 표면적과 안정된 구성을 표현했을 뿐만 아니라 제품의 형태에 영향을 받지 않는 제거 템플릿을 표현했습니다. 우리의 연구는 더 높은 수준의 활성 사이트를 제공합니다[38, 39]. 철계 나노입자에 의한 외부 자기장이 유입되면 흡착제가 쉽게 분리될 수 있다[40, 41]. 따라서 얻은 코어 쉘 Fe₃ O₄ @C 하이브리드 나노입자 집합체는 친환경적인 경로로 중금속 이온에 대한 우수한 흡착 능력, 대량 생산 및 비용 이점을 보여줍니다.

실험

재료 및 합성

코어 쉘 철의 합성₃ O₄ 하이브리드 나노입자 집합체

일반적인 합성 단계에서 0.72g의 Fe(NO₃ )₃ ·9H₂ O, NH₄ 0.0086g H₂ PO₄ , Na₂ 0.008g SO₄ ·10H₂ O, 글루코오스 3g을 각각 증류수에 녹여 90mL 부피로 혼합한 후, 혼합물에 증류수를 가하고 염기성 마그네틱 교반기로 10분간 계속 혼합하였다. 그런 다음, 혼합물을 180°C, 48시간 동안 100mL의 테플론 안감 스테인리스강 오토클레이브에 옮겼습니다. 반응이 완료되고 자연적으로 상온으로 냉각된 후 흑발을 얻어 탈이온수와 무수에탄올로 여러 번 세척한 후 65℃에서 밤새 진공건조하여 흑발을 얻었다. 450°C에서 3°C min⁻¹ 속도로 소성하여 전구체 그런 다음 순차적인 일산화탄소/아르곤 가스 흐름(4시간)으로 가열을 유지하고 주변 온도로 냉각했습니다. Fe₃ O₄ @C 샘플을 얻었습니다. 반응식 1에 설명된 바와 같이 Fe³⁺ 의 가수분해 나노미터 정확도의 Fe 산화물 층으로 이어집니다. 한편, 자당은 탄화된다. 그 후, Fe-C-O 복합 재료의 미소구체는 하소 섹션을 통한 수조 가열 반응 동안 제자리에서 생성된 다음 코어 쉘로 된 Fe₃를 얻습니다. O₄ @C 하이브리드 나노입자.

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코어 껍질 Fe₃의 합성 경로 O₄ @C 하이브리드 나노입자

특성화

제조된 물질의 상 조성을 2θ에서 취한 X선 회절(XRD)로 분석하였다. =Co Kα 방사선을 사용하는 Rigaku D/max-A 회절계에 의한 20°–90°. FTIR(푸리에 변환 적외선 분광법, Thermo Nicolet AVATARFTIR 360)을 수행하여 400–4000cm 범위 내에서 샘플의 FTIR 문자를 기록했습니다.⁻¹ 또한. 샘플의 형태, 미세 구조 특징, 및 격자 구조. 또한 질소 흡착 및 탈착 과정을 측정하기 위해 350.15°C에서 Micromeritics Tristar 장치를 사용했습니다. BET(Brunauer-Emmet-Teller)는 특정 표면적을 논의하는 데 사용되었습니다. 원자 흡수 분광법(AAS) 정량 분석은 중공 음극 램프와 아세틸렌-공기 화염이 장착된 Hitachi Z2000 분광 광도계로 구현됩니다. 준비된 재료의 자기 성능은 진동 샘플 자력계(VSM)로 측정했습니다.

중금속 이온 제거 실험

실온에서 일련의 실험을 수행하여 중금속 이온을 제거하는 것으로 간주되었습니다. 우선, Pb(II), Cd(II), Cu(II) 및 Cr(VI)을 4개의 밀폐된 용기에 첨가합니다. 그 후, 0.1M HCl 및 0.1M NH₃ •H₂ O를 사용하여 pH를 3으로 조정한 다음 최종 부피가 50mL이고 농도가 10mg L^{-1인 흡착 용액을 사용합니다.^-1
얻었다. 이어서, 연속 교반 조건에서 20mg의 준비된 Fe₃ O₄ @C 샘플은 위의 솔루션에 추가되었습니다. 흡착 반응 과정에서 핀 튜브를 사용하여 다양한 기간(각각 0, 0.5, 1, 1.5, 2, 4, 6, 10, 24시간)에 걸쳐 위에서 언급한 각 용액의 거의 1.0mL가 침출되었습니다. 멤브레인 필터 장착, AAS 대책에 최종적으로 감쇠.}

결과 및 토론

코어-쉘 Fe의 물리화학적 특성₃ O₄ @C 나노스피어

합성된 코어쉘 Fe₃의 XRD 패턴 O₄ @C 하이브리드 나노입자 집합체와 그 전구체는 그림 1에 나와 있으며, 이는 450 °C에서 소성을 통해 생산 공정이 전구체보다 결정도가 더 높음을 분명히 나타냅니다. 준비된 샘플은 면심 입방체(fc c) Fe₃에 해당하는 복합 재료를 표시했습니다. O₄ (JCPDS(분말 회절 표준 공동 위원회) 카드 번호 75-0033). 패턴에 표시된 대로 21.5°에서의 회절 피크는 SEM 및 TEM에서도 직접 찾을 수 있는 흑연 탄소의 (002) 평면에 지정되어야 합니다.

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코어 쉘 Fe₃의 XRD 패턴 O₄ @C 하이브리드 나노입자 집합체 및 그 전구체(a-Fe₃ O₄ @C 하이브리드 나노입자 집합체; b - 전구체)

전구체 및 코어 껍질 Fe₃의 SEM 이미지 O₄ 450°C에서 다양한 배율로 소성을 통해 생성된 @C 하이브리드 나노입자 합성이 그림 2a-c에 표시되었습니다. 분명히, 크기가 약간 작은 것 외에는 합성된 Fe₃ O₄ @C는 마이크로스피어 ca인 제조된 전구체의 형태를 유지했습니다. 700nm의 크기로 균일합니다. 그림 2b, c는 Fe₃의 하이브리드 코어 쉘 구조를 명확하게 설명했습니다. O₄ @씨; 그것은 중간권에 의해 증명될 수 있다. 그림 2c는 또한 쉘이 부분적으로 파손된 부품 입자의 결과를 기반으로 합성 분말이 나노 크기 입자로 만들어짐을 보여줍니다. 위의 분열된 미소구체는 아마도 껍질을 통한 빠른 질량 수송 경로에서 비롯된 것 같습니다. 그림 2d, e는 Fe₃의 구조도 설명했습니다. O₄ @씨. Fe₃ O₄ 나노 입자는 분명히 비정질 탄소에 분포되어 있습니다. 이것은 SEM 결과와 일치합니다. 반면에 HRTEM(그림 2e)과 XRD도 잘 일치하며, 격자 간격(0.297nm)이 면심 입방 Fe₃의 (220) 평면 간격과 일치함을 보여줍니다. O₄ . SAED 결과 Fe₃ O₄ 나노입자는 고결정성 단결정이었다. 따라서 고유한 하이브리드 코어-쉘 샘플은 표적 흡착물에 대한 흡착 부위의 더 높은 응답 효율을 보유할 수 있으며, 이는 환경 보호 분야에서 사용될 수 있습니다.

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준비된 전구체의 SEM 이미지(a ). SEM 이미지(b , ㄷ ), TEM 이미지(d ), HRTEM 현미경 사진(e ) 및 선택 영역 전자 회절(f ) 합성 코어 껍질 Fe₃ O₄ @C 하이브리드 나노입자 응집체는 450°C에서 하소하여 생성됨

VSM을 이용하여 제조된 그대로의 자기적 특성을 평가하였고, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 자기포화값은 Fe₃ 대비 53 emu/g에 도달하였다. O₄ 마이크로스피어(67.55 emu/g). 준비된 재료의 높은 자화 값을 명확하게 볼 수 있습니다. 그림 3의 삽입은 외부 자기장이 가해지면 입자가 자석에 의해 끌어당겨 수용액이 투명하고 투명해짐을 보여줍니다.

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자화 루프 측정

그림 4a는 시료의 흡탈착 등온선을 나타내고, 그림 4b는 얻은 시료의 기공 크기 분포를 나타내며, 둘 다 각각 하소 전과 후에서 나온 것입니다. 등온선은 고전적인 유형 IV를 기반으로 하는 메조포러스 물질의 대표적인 등온선입니다. 소성을 통한 기공 크기 분포는 전구체보다 작은 7.5~9.1nm의 평균 기공 직경을 명확하게 보여주었습니다. 한편, 샘플의 BET 표면적은 소성 후 9.74에서 238.18로 크게 증가했으며 이는 대부분의 보고서보다 높습니다[36, 37]. 위는 또한 기권 Fe₃ O₄ @C 샘플은 느슨한 메조포러스 구조의 물질로, 향상된 흡착 성능에 대한 이점입니다.

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질소 흡탈착 등온선 및 Barrett-Joyner-Halenda(BJH) 기공 크기 분포 플롯(삽입) 전(a ) 및 이후(b ) 하소

Fe에 의한 중금속 이온 흡수₃ O₄ @C

Pb(II), Cd(II), Cu(II) 및 Cr(VI)은 준비된 Fe3의 흡수 능력을 연구하기 위한 흡착물로 선택되었습니다. O₄ @C, 상온의 pH =3에 넣어 동역학 실험을 하였다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 모든 흡착 이온은 준비된 시료에 성공적으로 흡착되었으며 효율은 Pb(II) 100%, Cd(II) 99.2%, Cu(II) 96.6%, 94.8%에 도달했습니다. Cr(VI), 각각. 그것은 이전 연구보다 더 넓은 적용과 더 높은 제거 효율을 보유합니다[42]. 이러한 높은 흡수 효율은 Fe₃ O₄ @C 샘플에는 제거 프로세스에 대한 활성 사이트가 더 많습니다. 또한, 비교적 큰 서브마이크로미터 입자 구조로 인해 흡착 후 쉽게 회수할 수 있습니다. 또한 Pb(II)가 일반적으로 이온 교환에 의한 흡착으로 인해 가장 높은 비율을 보였고, 자유 금속 이온과 흡착제 표면의 정전기적 상호작용이 존재함을 쉽게 알 수 있다. 따라서 Cd, Cu 및 Cr은 가볍고 이온 교환 후 탈착이 용이하며 Pb(II)는 그 반대입니다[43,44,45,46,47,48,49].

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Fe₃에 의한 Pb(II), Cd(II), Cu(II), Cr(VI)의 흡착 제거 효율과 시간의 관계 O₄ @C(400mg L⁻¹ ) 10mg L⁻¹ 로 중금속 이온의 초기 농도에서 샘플 , 각각

중금속 함유 Fe의 FTIR 스펙트럼₃ O₄ @C

그림 6은 Pb²⁺ 가 가장 높은 샘플을 보여줍니다. Fe₃ 사이의 상호작용을 알아내기 위한 연구에서 사용된 흡착의 시작과 끝에서의 흡수 O₄ @C 및 중금속 이온. 또한, H₃에서 −OH기의 전후진동 O⁺ 이온 교환 또는 물리흡착 물 분자를 통해 3475.26cm⁻¹ 에서 넓은 진동 밴드로 이어짐 . 피크 2304.20cm⁻¹ CO₂의 진동 확장에 기인합니다. , ca에서 피크. 1625cm⁻¹ 일반적으로 O-H 곡선에 의해 발생합니다. 1605.45cm⁻¹ 에서 피크 카르복실기(-C=O-)에서 유래했습니다. 400–1000cm 범위에서 다른 피크의 주요 기여도^{− 1} 일반적으로 O 금속 결합과 관련이 있습니다. Pb²⁺ 흡착 시작과 끝에서 금속 O의 피크 위치와 강도의 차이 Pb²⁺ Fe₃에 로드됩니다. O₄ @C 샘플 강력합니다.

<사진>

준비된 Fe₃의 FTIR 스펙트럼 O₄ @C 샘플 이전(a ) 및 이후(b ) Pb(II)의 흡착

흡착 역학

Fe₃의 흡착 용량과 동역학을 논의하기 위해 다양한 텍스트가 수행되었습니다. O₄ @C 하이브리드 나노 입자는 이 섹션에서 집계됩니다. Pb²⁺ pH =3의 수용액에서 제거 실험을 위해 준비한 후, 10, 30, 50 mg L^-1 의 50 mL 부피를 준비했습니다. 초기 용액, 20mg 흡착제, Pb²⁺ 에 추가됨 각각 30°C의 흡착에서 100mL 원뿔형 플라스크에 용액. 다양한 기간(0, 7, 14, 21, 28, 35, 60, 180, 480, 1440분)으로 각 용액에서 약 1mL가 추출되었으며 AAS 분석에 사용됩니다. 식 (1)은 유사 2차 운동 속도 모델을 보여줍니다[50]:

$$ \frac{t}{q_t}=\frac{1}{k_2{q}_e^2}+\frac{1}{q_e}t $$ (1)

여기서 q _e Pb²⁺ 입니다. 흡착제가 평형 상태일 때 단위 질량당 흡착되는 q _그 (mg g⁻¹ )은 Pb²⁺ 를 의미합니다. t 시간 동안 단위 질량에 흡착 (분); ㅋ ₂ (g mg⁻¹ 최소⁻¹ )은 의사 2차인 운동 모델의 속도 상수입니다. 그림 7a는 Fe₃의 반응 시간을 보여줍니다. O₄ Pb²⁺ 의 @C 샘플 다양한 초기 농도(10, 30, 50mg L⁻¹ )에서 제거 ), 효율성 차이를 쉽게 찾을 수 있습니다. 결과는 Fe₃를 나타냅니다. O₄ @C 샘플은 더 높은 흡착 성능을 나타냈을 뿐만 아니라 쉽게 분리할 수 있었습니다. 그림 7b는 Pb²⁺ 농도에 따른 흡착 속도를 나타냅니다. (10, 30, 50mg L⁻¹ ). 흡착율은 초기 농도와 음의 상관관계를 보였다. 이러한 경향은 다음과 같이 드러날 수 있는데, 흡착시 표면 활성 부위의 일부만 사용되었다. 즉, Pb²⁺ 의 농도로 증가함에 따라, 먼저 고에너지 부위에서 흡착이 시작되고, 그 다음으로 저에너지 부위가 포화되어 결국 흡착률 감소를 야기한다[51]. 표 1은 상관 계수(R ² ) 이 연구에서 0.999에 도달했습니다. 이는 흡착 과정이 유사 2차 모델에 잘 부합함을 분명히 나타냅니다.

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아 Fe₃에 의한 Pb(II)의 제거 효율과 흡착 시간의 관계 O₄ @C(20mg) 초기 Pb2+ 농도 10, 30, 50mg L⁻¹ , 각각. ㄴ Fe₃ 상의 Pb2+ 흡착에 대한 유사 2차 동역학 O₄ @C 샘플(T =30°C; 흡수 용량 =400mg L⁻¹ ; Pb2+ 농도:a =10mg L⁻¹ , b =30mg L⁻¹ , c =50mg L⁻¹ )

흡착 등온선

이 부분에서 20mg의 흡착제를 100mL의 원뿔형 플라스크에 첨가하고 Pb²⁺ 용액 샘플도 준비했습니다(10–60mg L⁻¹ , 50mL, pH =3). 30°C에서 상기 원뿔형 플라스크 샘플을 밀봉 상태로 유지하고 자동 온도 조절식 진탕기(24h, 150rpm)에 넣은 후 원심 분리하여 AAS로 측정한 상등액을 얻었다. 그림 8a는 준비된 Fe₃를 보여줍니다. O₄ Pb²⁺ 에 대한 @C 흡착 능력 . Langmuir 및 Freundlich 등온선은 연구에서 흡착 과정을 설명하기 위해 구현되었습니다. 이 과정은 흡착물 분자 사이의 상호 작용 없이 국부적인 단층에서 발생했습니다[52]. 또한, 흡착물 분자의 위치는 선착순으로 제공되며 동일한 한 사이트에서 더 이상 흡착되지 않습니다. Langmuir 등온선은 다음과 같이 설명됩니다.

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아 Fe₃의 Pb2+에 대한 흡착 등온선 O₄ @C 샘플(T =30°C; 흡착제 용량 =400mg L⁻¹ ; Pb2+ 농도 =10–60mg L⁻¹ ). ㄴ Fe₃의 흡착 등온선에 대한 Freundlich 선형 플롯 O₄ @Csample 30°C에서 Pb2+ 제거

$$ \frac{C_e}{q_e}=\frac{C_e}{q_{\mathrm{max}}}+\frac{1}{k_L{q}_{\mathrm{max}}} $$ (2 )

여기서 이론적 최대 단층 수착 용량은 q로 표시됩니다. _최대 (mg g⁻¹ ), k _엘 Langmuir 상수를 표현하기 위해(L mg⁻¹ ) 및 C _e 는 초기 Pb(II)의 농도입니다. 반면, Langmuir 등온선은 우리 연구에 이상적인 결과에 도달하지 못하므로 적합하지 않습니다. Eq.와 같은 선형 형식에 해당합니다. (3)은 Freundlich 등온선과 같은 또 다른 일반적인 실증모형으로, 부위 점유도의 상승과 함께 더 견고한 결합 부위가 미리 묶여 있고 그에 따라 그 의도가 감소한다는 가설을 갖는다[52].

$$ \lg {q}_e=\lg {k}_F+\frac{1}{n}\lg {C}_e $$ (3)

여기, k _F Freundlich 상수를 의미합니다(mg g⁻¹ )(L mg⁻¹ )^1/n , 및 1/n 이질성 요인을 나타냅니다. k의 구체적인 내용 _F 및 1/n , lg q 플롯으로 식별 _e 대 LG C _e , 그림 8b에 나와 있습니다. 표 2는 양호한 흡착 조건을 보여준다[52, 53]. Freundlich 지수 n 1보다 큽니다. Pb²⁺ 의 흡착 효과는 Fe₃ 표면의 하이브리드 코어-쉘 구조 또는 이질성에 의존 O₄ @C 샘플. 그동안 R ² 인 표본의 상관계수는 0.9712까지 나타나 실험평형분석에 Freundlich 등온선 모형이 적합함을 알 수 있었다.

열역학 분석

고립계를 관련 가정으로 하여 Arrhenius 방정식(Eq. (4))을 사용하여 열역학 해석을 수행했습니다. 일반적으로 원래 농도가 30mg L⁻¹ 인 자동 온도 조절식 진탕기의 일부 특수 조건에서 흡착 부피가 50ml인 다음 20mg의 흡착제를 Pb²⁺ 와 함께 100mL 용량의 원추형 플라스크에 넣었습니다. 30, 40, 50, 60 및 70°C를 포함한 5가지 분류 온도 조건에서 솔루션. 흡착 과정에서 수성 샘플은 다양한 시간 버킷 후에 샘플링을 수행했습니다. 이 기간 동안 Pb²⁺ 의 일관된 농도 위의 다른 온도 상황에 따라 흡착 동역학을 분석하는 데 사용된 AAS를 기반으로 측정되었습니다. 또한, 흡착 연구의 전제 조건인 활성화 에너지를 계산하기 위해 앞의 Arrhenius 방정식을 활용하였다.

$$ \ln {k}_2=1n\kern0.5em A-\frac{E_a}{RT} $$ (4)

여기, E _아 Arrhenius 활성화 에너지(kJ mol⁻¹ ). A Arrhenius의 인수를 나타냅니다. 기체 상수(8.314 J mol⁻¹ K⁻¹ )는 R로 표현됩니다. , 및 T 절대 온도(K)를 나타냅니다. 해당 기울기는 -Ea입니다. /R , lnk 플롯 기반 ₂ 반대 1/T (그림 9) 직선을 얻습니다.

<그림>

lnk2vs 1/T의 플롯 Fe₃의 Pb2+ 흡착용 O₄ @C 샘플(목차)

활성화 에너지의 크기는 흡착 형태를 결정하기 위해 취했습니다. 일반적으로 특정 범위(0–40kJ mol⁻¹ ) 물리 흡착 과정에서 활성화 에너지 [54]에 대해 대조적으로 화학 흡착 과정에서 더 긴 범위가 필요했습니다. 활성화 에너지는 34.92kJ mol⁻¹ 이었습니다. 여기. Pb²⁺ 의 흡착 과정을 나타냅니다. Fe₃에 O₄ @C는 물리흡착으로 분류됩니다.

결론

코어 쉘 Fe₃의 화합물 O₄ @C 하이브리드 나노입자 집합체는 용제열 합성법을 기반으로 환경적으로 태평양 및 중간 단계를 채택하여 달성되었으며 궁극적으로 450°C에서 소성을 얻었습니다. 탄소 기반 하이브리드 코어-쉘 나노구조를 통해 고체와 비교할 때 흡착물에 대해 흡착 부위의 더 큰 노출 효율을 효율적으로 실현할 수 있으며, 이는 중금속 이온을 제거하기 위해 흡착 특성을 더 잘 전달할 것입니다. 또한 철 기반 코어는 흡착제가 수용액에서 쉽게 분리되도록 합니다. 이 장치(저렴하고, 덜 복잡하고, 더 높은 생산성)에서 환경 개선, 촉매, 환경 개선 등 많은 분야에서 사용되는 코어-쉘 나노/미세 기능성 물질을 대규모로 잘 합성할 수 있다는 새로운 접근 방식이 명확해졌습니다. 그리고 에너지.