최적화된 Fe³⁺ 그라프트 BiOCl로 수용성 폐수 내 미량 양이온/음이온 염료 신속 흡착

요약

비스무스 옥시클로라이드(BiOCl)와 Fe³⁺ 그라프트 BiOCl(Fe/BiOCl) 합성, 종합 특성화, 저농도(0.01-0.04 mmol L⁻¹) 양이온 염료(로다민 B, RhB; 메틸렌 블루, MB) 및 음이온 염료(메틸 오렌지, MO; 산성 오렌지, AO) 수중 제거 고성능 흡착제 응용 보고. Fe³⁺ 그라프팅으로 더 개방된 계층적 다공성 구조 생성, 비표면적 유의적 증가. 두 소재 모두 음전하 표면으로 양이온 염료 분 단위 근완전 제거(BiOCl: RhB 99.6%, MB 98.0%; Fe/BiOCl: 97.0%, 98.0% 10분 내). Fe/BiOCl 음이온 염료에서 BiOCl 능가, MO 20분 내 60% 흡착. 흡착 거동 랑뮤어 등온선, 유사 2차 반응속도론(RhB) 따름. 정전기적 인력, 향상된 비표면적, 개방 기공도 공동 설명 우수 성능. 혼합 염료 용액에서 BiOCl 양이온 염료 선택성 Fe/BiOCl보다 높아 실제 산업 폐수 처리 잠재력 시사.

배경

염료, 유기 오염물질, 중금속 수질 오염 전 세계 생태/건강 심각 위협. 기존 제거 전략-이온 교환, 흡착, 침전, 산화, 생물분해, 광촉매-비용, 효율, 환경 영향 다양. 흡착은 단순성, 확장성, 저에너지 요구로 폐수 정화 유력 후보.

BiOCl은 층상 비스무스 옥시할라이드 광촉매로 주목. 독특한 3D 꽃 모양 형태 큰 비표면적, 다공성 구조 제공 잠재적 높은 흡착 용량. 선행 연구 표면 개질(CTAB, Ti, I) 또는 화학량론 변경으로 BiOCl 염료 제거 개선. 그러나 저농도 염료 제거용 Fe³⁺ 개질 BiOCl 체계적 연구 드묾.

본 연구 수열법 Fe/BiOCl 합성, 나노구조 특성화, 환경 관련 농도 RhB, MB, MO, AO 성능 평가. 혼합 염료 흡착, 온도, pH, 흡착 동역학 추가 조사로 메커니즘 규명.

방법

BiOCl 및 Fe/BiOCl 합성

Bi(NO₃)₃·5H₂O, Fe(NO₃)₃·9H₂O, KCl, 글리세롤(분석등급) 무정제 사용. BiOCl: 0.776 g Bi(NO₃)₃·5H₂O 76 mL 글리세롤 용해(용액 A). 0.12 g KCl 4 mL 탈ion수 용해(용액 B). A, B 혼합 테플론 라인 오토클레이브 이송 110°C 8시간 가열. 침전물 에탄올, 물 세척, 80°C 건조, 400°C 3시간 소성 순수 BiOCl 얻음. Fe/BiOCl 동일 단 Fe(NO₃)₃·9H₂O 용액 A 가변량 첨가 Fe/Bi 몰비(x) 조절. 시료 Fe/BiOCl(x) 표기.

특성화

X선 회절(Cu Kα, λ=0.154 nm) 사방정계 BiOCl 상 확인. 투과 전자 현미경(TEM), 고분해능 TEM(HRTEM, JEM-2010, 200 kV) 꽃 모양 마이크로스페어 나노플레이트 구성 확인. 주사 전자 현미경(SEM, Hitachi S-4800, 15 kV) 표면 형태. X선 광전자 분광법(XPS, Thermo Escalab 250Xi, Al Kα) 원소 조성, 산화 상태. 질소 흡착-탈착(Micromeritics ASAP 2020) BET 비표면적, BJH 기공 크기 분포. 제타 전위 DelsaTM Nano Zeta 전위 장치 pH 5-13 측정.

흡착 실험

암실 상온 흡착 시험. 50 mg 흡착제 50 mL 염료 용액(0.01-0.04 mmol L⁻¹) 첨가. 교반 후 시료 채취, 원심분리, UV-Vis 분광법(Hitachi U-3900) 분석. 잔류 염료 비율, 흡착 용량 표준 식 계산. 접촉 시간, 초기 농도, 온도(25-85°C), pH(5-13) 체계적 변화. 재생: 사용 흡착제 0.01 M NaOH/에탄올 60분 교반 후 세척 건조. 가시광 60분 광촉매 재생으로 흡착제 내구성 평가.

결과 및 고찰

구조 및 형태 분석

XRD 패턴(그림 1) 순수 사방정계 BiOCl; Fe³⁺ 도입 격자 미변화, Fe³⁺ 도펀트 아닌 표면 그라프트 종 잔류 지시. SEM 이미지(그림 2) Fe/BiOCl 마이크로스페어 더 작음(0.5-1 µm), 얇은 나노시트(≈15 nm) 구성 vs BiOCl(1-2 µm, 20 nm). TEM/HRTEM(그림 3) 명확한 격자 무늬(d=0.276 nm, 0.344 nm). 에너지 분산 X선 매핑(그림 4) 균일 Fe 분포. BET 비표면적 BiOCl 35.05 m² g⁻¹→Fe/BiOCl 0.25 58.96 m² g⁻¹ 증가; 기공 부피 유사 상승, 더 개방된 마이크로 꽃 구조 반영. 제타 전위(그림 6b) 두 소재 pH 5-13 음전하, Fe/BiOCl Fe³⁺ 표면 착물로 약간 덜 음성.

흡착 성능

BiOCl RhB 3분 내 >99%, MB 10분 내 >98% 제거; Fe/BiOCl(0.25) 유사 성능. 음이온 염료 BiOCl 20분 내 ~30% MO 흡착, Fe/BiOCl ~60% 도달, 높은 비표면적과 기공도 덕분. 온도(25-85°C) RhB 흡착 무시 영향, MO 흡착 감소로 음이온 염료 발열적 상호작용 지시. pH 연구(5-13) RhB 최적 산성 pH 5; 고pH 성능 저하, BiOCl 불안정 또는 정전기 인력 감소 가능. MO 흡착 pH 11 이상 급감.

메커니즘

양이온 염료 흡착 주도 정전기 인력, 음성 제타 전위, 강한 RhB/MB 흡착 증거. 음이온 염료 제거는 정전기 반발 보상하는 증가된 비표면적과 기공도 지배. 유사 2차 반응속도 모델 최적 적합(R²≈0.99), 화학흡착 속도 결정 단계 시사. 랑뮤어 등온선(그림 11) 실험값 근접 최대 용량, 단분자 피복 확인.

혼합 염료 선택성

RhB, MB, MO, AO 동량 혼합 용액에서 BiOCl 양이온 염료 선호 흡착(>90% 제거) 음이온(<30%). Fe/BiOCl 더 넓지만 덜 선택적 흡착, 음이온 염료 향상 용량 반영. 경쟁 흡착 단일 염료 시스템 대비 전체 흡착 감소, 예상대로.

재생 및 안정성

BiOCl, Fe/BiOCl 3사이클 후 >80% RhB 제거 유지; Fe/BiOCl 5사이클 ~50% 유지. 가시광 광촉매 분해로 흡착제 색상, 흡착 용량 완전 복원, 견고한 재생 잠재력 입증.

결론

Fe³⁺ 그라프팅 BiOCl을 고다공성, 고비표면적 흡착제로 변환, 미량 양이온 염료 신속 제거 우수, 음이온 염료 흡착 현저 개선. 혼합 염료 시나리오 순수 BiOCl 양이온 염료 선택성 우위, Fe/BiOCl 염료 유형 전반 균형 성능. 두 소재 온화 화학적 또는 광촉매 공정 재생 가능, 지속가능 산업 폐수 처리 유망성 강조.