Estrutura hierárquica Nanoesferas de caulinita com propriedades de adsorção notavelmente aprimoradas para azul de metileno

Resumo

Nanoesferas de caulinita com estruturas hierárquicas foram sintetizadas via desidratação - técnica de reidratação por rota calcinada - hidrotérmica. A microestrutura das amostras foi caracterizada e analisada por diversas técnicas. Os resultados mostram que após o tratamento hidrotérmico, as partículas de caulinita pseudo-hexagonal estratificadas transformaram-se em nanoesferas de estrutura hierárquica. As estruturas hierárquicas exibem uma grande área de superfície específica de 157,1 m ² g ⁻¹ e distribuição estreita de tamanhos mesoporosos. As propriedades de adsorção das nanoesferas de caulinita foram sistematicamente investigadas pela remoção do azul de metileno (MB) da água. Verificou-se que as nanoesferas podem adsorver MB rapidamente com uma capacidade de adsorção superior (184,9 mg / g), e os dados de adsorção seguiram o modelo de isoterma de Langmuir e o modelo cinético de pseudo-segunda ordem. Além disso, o adsorvente pode ser regenerado por lavagem com solução de metanol-HCl e apresentar eficiência de remoção de mais de 95% até 4 ciclos.

Introdução

Os corantes são compostos aromáticos sintéticos amplamente utilizados em têxteis, couro, papel, plástico e outras indústrias [1]. Com o desenvolvimento da indústria, a poluição da água foi percebendo e gradualmente se tornando uma das preocupações mais sérias da era atual [2]. Muitos métodos de remediação de resíduos poluídos incluem floculação, precipitação, troca iônica, filtração por membrana, destruição eletroquímica, irradiação e ozonização. A adsorção tem sido considerada uma abordagem altamente eficiente para o controle da poluição, e vários adsorventes, como carvões ativados, cinzas volantes, minerais de argila e óxidos de metal foram desenvolvidos para a remoção de contaminantes de águas residuais [3,4,5,6, 7].

Caulinita (Kaol) de fórmula química Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ é um filossilicato dioctaédrico 1:1 formado pela superposição de folhas tetraédricas de silício e folhas octaédricas de alumínio [8]. Com base em sua disponibilidade abundante, baixo custo e estrutura especial, Kaol tem atraído muita atenção do ponto de vista ambiental como um adsorvente de baixo custo promissor [9, 10]. No entanto, Kaol bruto exibe capacidade de sorção relativamente baixa devido à baixa reatividade e área de superfície específica. Os pesquisadores aprovaram que os nanomateriais e as nanotecnologias têm moldado o processo de tratamento de águas residuais de forma inédita [11,12,13,14]. A fim de aumentar a reatividade e área de superfície específica de Kaol, vários métodos, tais como modificação orgânica, ativação ácida ou alcalina, delaminação e esfoliação foram desenvolvidos [15,16,17,18]. No entanto, devido ao espaço inacessível entre camadas de caulinita, esses métodos precisam de muitos agentes químicos e da intercalação-desintercalação repetida ou intercalação de deslocamento de etapas de Kaol por dias ou semanas para obter nanopartículas de Kaol [19, 20]. Na natureza, os minerais de argila do grupo caulim são formados por meio de alteração hidrotérmica ou processo de intemperismo. Muito interesse tem sido pago à formação do mineral Kaol usando géis de aluminossilicato como material inicial em laboratório [21,22,23,24]. Um achado interessante é que o Kaol formado hidrotermal exibe várias nanoestruturas morfológicas [25]. Além disso, alguns minerais de argila nanoestruturados, como hidrosodalita [26], nefelina [27], ilita [28], minerais de argila dopados com metal [23, 29,30,31] e tobelite [32], foram fabricados por meio de tecnologia hidrotérmica empregando caulim combinado com ácido silícico, nitrato de alumínio, NaOH, kOH ou NH ₃ solução.

Inspirado nas pesquisas acima, propomos uma técnica combinada hidrotérmica calcinada para preparar nanoesferas estruturadas hierárquicamente usando Kaol como materiais de partida sem o uso de nenhum agente químico. Os materiais obtidos apresentaram uma superestrutura hierárquica única de caulinita semelhante a uma romã (conhecida como PS-Kaol) composta por numerosas nanoesferas de caulinita com grande área superficial específica e abundantes mesoporos. Além disso, o desempenho de adsorção de PS-Kaol foi medido pela remoção de azul de metileno (MB) da água.

Materiais e métodos

Os objetivos do estudo

Para aumentar significativamente a área de superfície específica da caulinita e melhorar sua capacidade de sorção de corantes da água, as nanoesferas de caulinita estruturadas hierárquicamente foram preparadas por meio de uma técnica combinada hidrotérmica-calcinada ecologicamente correta sem qualquer agente químico. Para avaliar preliminarmente a sua absorvibilidade, o desempenho de adsorção do PS-Kaol foi medido pela remoção do MB da água.

Materiais

A amostra utilizada neste estudo foi o caulim natural da província de Guangxi, na China. Sua composição química em% em peso é SiO ₂ 49,52, Al ₂ O ₃ 35,62, Fe ₂ O ₃ 0,62, MgO 0,23, CaO 0,41, Na ₂ O 0,36, K ₂ O 0,10, TiO ₂ 0,12, P ₂ O ₅ 0,86, SO ₃ 0,07, e perda por ignição 12,09. MB foi obtido da Tianjin ShengAo Chemical Reagents Company. É um corante catiônico, com a fórmula molecular C ₁₆ H ₁₈ ClN ₃ S · 3H ₂ O, uma massa molar de 373,90 g mol ⁻¹ , e uma absorbância máxima igual a 664 nm. O metanol e o HCl foram adquiridos na Beijing Chemical Reagents Company, China. A água destilada foi utilizada em todos os experimentos.

Preparação de nanoesferas hierárquicas de caulinita

As amostras de caulim em bruto foram purificadas por sedimentação em água para remover os resíduos sedimentados e, em seguida, a lama suspensa foi seca por pulverização para formar agregação de caulinita em forma de bola. Os pós Kaol purificados foram então calcinados a 600 ° C por 2 h em uma mufla sob ambiente de ar para obter Kaol calcinado (conhecido como C-Kaol). Durante este tratamento calcinado, o Kaol sofre uma modificação importante e se torna muito reativo [33]. O Kaol ativado é um importante material de partida para o tratamento hidrotérmico seguido. Tipicamente, 5 g de C-Kaol e 60 ml de água destilada foram misturados e agitados vigorosamente durante 30 min. Em seguida, esta mistura foi transferida para uma autoclave de aço inoxidável revestida com Teflon de 100 ml e tratada hidrotermicamente a 200 ° C sob agitação magnética durante 48 h e arrefecida à temperatura ambiente. Finalmente, o produto final foi coletado por centrifugação e seco a 100 ° C por 10 h.

Caracterização

As morfologias e estruturas das amostras foram observadas por microscopia eletrônica de varredura (HSEM Hitachi, SU8020) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM, JEM1200EX), respectivamente. Os padrões de XRD foram registrados usando um instrumento Bruker D8 com um alvo de cobre. Os espectros de infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR) foram registrados em pelotas de KBr com 2 cm ^-1 resolução no espectrômetro Bruker Tensor 27. A espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) foi realizada em espectrômetro Thermo escalab 250Xi. A isoterma de adsorção-dessorção de nitrogênio foi obtida com um analisador Autosorb-iQ-MP (Quanta Chrome, EUA).

Os experimentos de adsorção

A capacidade adsortiva das amostras foi avaliada usando MB como indicador típico. Uma série de experimentos de adsorção com tempo de contato, pH, concentração inicial de MB e reciclagem variáveis foram conduzidos para investigar a capacidade de adsorção de adsorventes. Tipicamente, 100 mg de adsorvente foram misturados com 100 ml de solução aquosa MB com várias concentrações em um copo cônico de 250 ml por agitação magnética a 25 ° C por um certo tempo. A influência do tempo de contato foi testada de 5 a 120 min (a 25 ° C, valor de pH inicial ~ 6,5, MB 100 mg / L). Para avaliar o efeito do pH, a faixa de 2 a 12 foi selecionada (tempo de contato:12 h a 25 ° C, MB 100 mg / L) e o pH da solução foi ajustado pela adição de HCl e NaOH (0,1 mol L ⁻¹ ) As concentrações de 50, 80, 100, 150, 200, 300 e 400 mg / L foram selecionadas para estudar os efeitos da concentração inicial de MB (a 25 ° C, pH inicial sem ajuste, 12 h). Para investigar a reciclabilidade dos absorventes, os pós foram coletados; após isso, a adsorção atingiu o equilíbrio em solução MB a 100 mg / L a 25 ° C e valor de pH inicial. Em seguida, foram lavados com a solução mista de metanol-HCl para desabsorção. Após separadas e secas, as amostras foram reaproveitadas para adsorver MB. O processo de regeneração e reabsorção foi repetido quatro ciclos sucessivos. Para cada teste de adsorção, a solução foi retirada e centrifugada para remover o adsorvente. O sobrenadante da solução centrifugada foi analisado por um analisador de qualidade de água DR2800 (HACH, América). O desempenho de adsorção é avaliado usando as seguintes expressões:
$$ \ mathrm {Adsorção} \ \ mathrm {porcentagem} =\ frac {C_0- {C} _ {\ mathrm {e}}} {C_0} \ times 100 \% $$ (1) $$ {q} _ {\ mathrm {e}} \ left (\ mathrm {mg} / \ mathrm {g} \ right) =\ frac {\ left ({C} _0- {C} _ {\ mathrm {e}} \ right) V} {m} $$ (2) $$ {q} _ {\ mathrm {t}} \ left (\ mathrm {mg} / \ mathrm {g} \ right) =\ frac {\ left ({C} _0- {C} _ {\ mathrm {t}} \ direita) V} {m} $$ (3)
onde C ₀ (mg / L) é a concentração inicial de MB, C _e (mg / L) é a concentração de equilíbrio de MB, C _t (mg / L) é a concentração de MB na solução aquosa no tempo t (min), q _e (mg / g) é a capacidade de adsorção de equilíbrio, q _t (mg / g) é a capacidade de adsorção no tempo t (min), V (L) é o volume da solução, e m (g) é a massa do adsorvente.

Resultados e discussão

Caracterização do material

A Figura 1a exibe os padrões de XRD das amostras preparadas, que são Kaol, C-Kaol e PS-Kaol, respectivamente. Para o C-Kaol, os picos de difração quase desapareceram, sendo substituídos por um fundo amplo que é característico da metacaulinita. Depois de tratado hidrotermicamente a 200 ° C por 48 h, as reflexões (001), (020) e (110) reaparecem claramente, o que ilustra que a metacaulinita é reidratada e transformada em Kaol novamente. No entanto, as reflexões na faixa de 30–40 ° (2θ) de grau de PS-Kaol são amplas em comparação com Kaol, indicando que PS-Kaol está pouco cristalizado.

a Padrões de XRD, b Espectro FTIR, c Al _2p Espectro XPS e d Si _2p Espectros XPS das amostras Kaol, Caulinita Calcinada (C-Kaol), e do tratamento hidrotérmico Caulinita Calcinada (PS-Kaol)

A Figura 1b mostra os espectros de FTIR das amostras originais de caulinita, C-Kaol e PS-Kaol. Em comparação com o espectro da caulinita original, os picos de hidroxila na faixa de 3700–3600 cm ⁻¹ são invisíveis para o C-Kaol e as bandas relacionadas às vibrações de Si-O na faixa de 1110-1000 cm ⁻¹ [34] foram visivelmente ampliados. As bandas de vibração Al-O-Si em 795, 750 cm ⁻¹ [34] também são alargados e o pico do alumínio octaédrico em 912 cm ⁻¹ [35] está desaparecido. Esses resultados indicam que a caulinita mudou totalmente para metacaulinita amorfa após 2 h calcinada a 600 ° C. Enquanto, após o tratamento hidrotérmico, uma banda larga de grupos hidroxila na faixa de 3700–3600 cm ⁻¹ foi apresentado para o PS-Kaol. Além disso, a banda alargada de vibrações Si-O torna-se mais nítida e o alumínio octaédrico a 912 cm ^-1 é reaparecido em comparação com C-Kaol. As alterações acima para Kaol, C-Kaol e PS-Kaol revelam que após o tratamento hidrotérmico a metakalinita calcinada é reidratada e um pouco alterada de volta para caulinita com uma baixa cristalização.

Para caracterizar ainda mais a propriedade de superfície das amostras preparadas, a energia de ligação de Al _2p e Si _2p para Kaol, C-Kaol e PS-Kaol foram determinados por XPS (Fig. 1c, d). A estrutura química observada de Si e Al nas amostras mudou após calcinação e tratamento hidrotérmico. A energia de ligação de Si _2p e Al _2p de C-Kaol são aumentados em 0,16 e 0,67 ev em comparação com o de Kaol, respectivamente. Após o tratamento hidrotérmico, a energia de ligação do Al _2p quase mantém o mesmo com o de C-Kaol, enquanto o Si _2p aumentou ainda mais em 0,26 ev. Esses resultados mostram que os ambientes químicos do Al e do Si são alterados sob o tratamento calcinado e hidrotérmico. O Si _2p / Al _2p as razões de área e as razões atômicas Si / Al correspondentes obtidas para todas as amostras estão listadas na Fig. 1c, d. Observe que ambas as razões para C-Kaol são bastante semelhantes às de Kaol. Isso ilustra que o tratamento calcinado não altera a distribuição de Si e Al na superfície das amostras. Embora uma diminuição notável seja encontrada nas razões atômicas Si / Al e Si _{2 p} / Al _{2 p} razões de área de PS-Kaol (1,05 e 1,68) em relação à de Kaol (1,12 e 1,78). Isso sugere que o tratamento hidrotérmico promove um enriquecimento da superfície da caulinita com alumínio. Algumas pesquisas observaram o mesmo fenômeno quando a ganga de carvão foi modificada por moagem mecânica, e propuseram que esta nova superfície de enriquecimento de alumínio exibia reatividade química melhorada [36].

As morfologias de Kaol e PS-Kaol medidas por SEM e TEM são apresentadas na Fig. 2. A agregação Kaol seca por pulverização mostra a estrutura de microesferas com diâmetro de ~ 10 μm (Fig. 2a), que consiste em numerosas partículas da camada pseudo-hexagonal (Fig. 2b). Existem muitos espaços interpartículas nas microesferas Kaol que permitem que as moléculas de água passem facilmente por toda a microesfera. Para amostras calcinadas, a morfologia é quase a mesma com Kaol spray-dried (não listado aqui). Durante o tratamento calcinado, o Al na folha octaédrica muda de uma coordenação de seis a quatro vezes, enquanto o Si permanece em uma coordenação quádrupla na folha tetraédrica, e o Kaol retém sua estrutura em camadas [33]. Após o tratamento hidrotérmico, o C-Kaol mudou para microesferas de estrutura semelhante à romã. A Figura 2c, d mostra a imagem completa do PS-Kaol com diâmetro de ~ 10 μm que é quase o mesmo com o diâmetro de agregação de Kaol. A imagem SEM (Fig. 2e) com maior ampliação mostra informações detalhadas de que o PS-Kaol é constituído de muitas nanoesferas. Essas nanoesferas com um contorno bem definido coalescem e formaram poros dentro da superpartícula semelhante a uma romã. Estes resultados ilustram que as partículas de Kaol da camada pseudo-hexagonal se transformaram em nanoesferas sem colapso das microesferas de agregação secas por pulverização sob o tratamento hidrotérmico. Os resultados de XRD revelaram que essas nanoesferas eram Kaol (Fig. 1), e outros estudos também reconheceram esse tipo de esfera como Kaol [22]. A partir das micrografias TEM (Fig. 2f-h), observou-se que essas nanoesferas com diâmetro médio de 20 nm foram construídas com flocos ultrafinos. A Figura 2h revelou os flocos ultrafinos rolando ao redor das nanoesferas. Esses resultados implicam que as nanoesferas de caulinita são formadas pelos flocos finos de caulinita agregados e crescendo com a cobertura contínua de flocos finos. Alguns pesquisadores apontaram que a formação da caulinita seguiu um processo de dissolução-precipitação [22, 37]. No presente artigo, a formação de PS-Kaol pode obedecer ao seguinte processo. Primeiramente, as partículas pseudo-hexagonais de Kaol foram agregadas para formar agregação de bola durante a secagem por spray e foram ativadas pelo seguinte tratamento calcinado. As partículas da placa C-Kaol foram dissolvidas sob tratamento hidrotérmico e precipitadas in situ para formar flocos ultrafinos. Posteriormente, os flocos crescentes foram transformados em partículas esféricas devido à tensão da água.

Imagens SEM de amostras em diferentes ampliações. a , b Kaol. c - e Metacaulinita de tratamento hidrotérmico (PS-Kaol). f - h Imagens TEM de PS-Kaol

A área de superfície e estrutura de poro de Kaol, C-Kaol e PS-Kaol são investigadas por adsorção-dessorção de nitrogênio, e os resultados são mostrados na Fig. 3. Pode-se ver que a isoterma de Kaol é muito semelhante a um tipo Isoterma II indicando que Kaol é um agregado macroporoso. Depois de calcinado, a isoterma do C-Kaol é quase a mesma do Kaol. No entanto, o tratamento hidrotérmico mostra um forte efeito na estrutura das amostras resultantes. A quantidade de adsorção de N ₂ para o PS-Kaol é acentuadamente aumentado. A isoterma de adsorção-dessorção de nitrogênio de PS-Kaol mostra uma característica do tipo IV com um loop de histerese aparente a pressão relativa variando de 0,40 a 0,99, sugerindo a presença de mesoporos abundantes. As curvas de distribuição de tamanho de poro (Fig. 3b) das amostras avaliadas usando o modelo de teoria funcional de densidade (DFT) mostram uma distribuição de tamanho de poro na região de 2,0–10,0 nm com um pico máximo em 5,0 nm. A área de superfície específica de BET para o PS-Kaol é 157,1 m ² g ⁻¹ , que é muito mais alto do que Kaol (29,3 m ² g ⁻¹ ) e C-Kaol (27,5 m ² g ⁻¹ )

Isotermas de adsorção-dessorção de nitrogênio ( a ) e curvas de distribuição de tamanho de poro DFT ( b ) de Caol, Caulinita Calcinada (C-Kaol), e o tratamento hidrotérmico Caulinita Calcinada (PS-Kaol)

Desempenho de adsorção de MB

Influência do tempo de contato

A capacidade adsortiva das amostras foi avaliada usando MB como indicador típico. A Figura 4a mostra a evolução do MB com o tempo de contato. A taxa de remoção de MB de soluções aquosas por PS-Kaol foi rapidamente atingida para mais de 92% por apenas 5 min, e então aumentou ligeiramente com o tempo de contato e atingiu 99,1% por 120 min. Para Kaol, a maior taxa de remoção (57,6%) foi alcançada em 10 min, e então ligeiramente reduzida para 52,3% com o tempo de contato de alongamento. Para C-Kaol, a maior taxa de remoção (38,1%) foi alcançada em 30 min e, em seguida, reduzida drasticamente para 16,1% com o aumento do tempo de contato. Os resultados desta comparação mostraram que o tratamento hidrotérmico melhorou muito a capacidade de adsorção de PS-Kaol e aumentou o efeito de adesão entre a superfície das partículas de PS-Kaol e as moléculas de MB.

a Taxas de sorção das amostras Kaol, C-Kaol e PS-Kaol, 25 ° C. b Eficiência de captação de MB da amostra PS-Kaol em vários pH de solução inicial. c Isotermas de adsorção da amostra PS-Kaol. d Eficiência de absorção de MB da amostra PS-Kaol em diferentes concentrações iniciais de MB

Influência do pH

Como mostrado na Fig. 4b, a eficiência de absorção do PS-Kaol para MB aumentou de 95,10 para 99,15% com o aumento do valor de pH de 2 para 12. Observações semelhantes foram relatadas na adsorção de MB em argila mesoporosa modificada [38] e caulim [39]. O efeito do pH na adsorção do corante pode ser explicado pela interação eletrostática entre o adsorvente e as moléculas do corante. O MB é um corante catiônico bem conhecido e com carga positiva em solução, enquanto a carga superficial da caulinita é fortemente influenciada pelo pH da solução. Para a caulinita, conforme o pH da solução aumenta, o número de locais carregados negativamente aumenta e o número de locais carregados positivamente diminui [40]. Portanto, a extensão dos corantes adsorvidos na caulinita tende a aumentar com o aumento dos valores de pH. Para PS-Kaol, a eficiência de absorção de MB também é aumentada com o aumento dos valores de pH, enquanto durante a ampla faixa de pH (de 2 a 12) a eficiência de absorção de MB é apenas ligeiramente aumentada de 95,10 para 99,15%. Resultados semelhantes foram obtidos para a remoção de MB por caulinita tratada com ácido [15]. Este comportamento de adsorção do PS-Kaol em vários pH sugere que ele pode ser potencialmente aplicado em uma ampla faixa de pH.

Influência da concentração inicial de MB

O efeito de uma concentração inicial de corante na adsorção do corante MB foi determinado pela preparação de diferentes concentrações de corante de 50 a 400 mg / L. As isotermas de sorção obtidas (Fig. 4c) revelam que a capacidade de adsorção de MB aumenta acentuadamente de 49,8 para 184,9 mg / g, indicando potencial significativo de PS-Kaol para adsorção de corantes catiônicos. Além disso, a Fig. 4d mostra que a eficiência de captação de PS-Kaol excede 96% em concentrações iniciais de MB variando de 50 a 150 mg / L e, em seguida, caiu lentamente para o valor (46%) a 400 mg / L, sugerindo a alta aplicabilidade de PS-Kaol em uma ampla faixa de concentração de MB em águas residuais.

Modelos cinéticos e isotérmicos de adsorção

Para investigar melhor as características de adsorção de PS-Kaol em relação ao corante MB, os modelos cinéticos de adsorção (pseudo-primeira e pseudo-segunda ordem) e isotérmicos (equações de Langmuir e Freundlich) são propostos de acordo com os dados experimentais (Fig. 4 ) As equações correspondentes são fornecidas:
$$ \ mathrm {Pseudo} \ hbox {-} \ mathrm {primeiro} \ hbox {-} \ mathrm {ordem}:\ kern0.5em \ ln \ left ({q} _ {\ mathrm {e}} \ kern0 .5em - \ kern0.5em {q} _ {\ mathrm {t}} \ right) \ kern0.5em =\ kern0.5em \ ln {q} _ {\ mathrm {e}} \ kern0.5em - \ kern0 .5em {K} _1t $$ (4) $$ \ mathrm {Pseudo} \ hbox {-} \ mathrm {segundo} \ hbox {-} \ mathrm {ordem}:\ kern0.5em \ frac {t} {q_ {\ mathrm {t}}} \ kern0.5em =\ kern0.75em \ frac {1} {K_2 {q _ {\ mathrm {e}}} ^ 2} \ kern0.5em + \ kern0.5em \ frac {t } {q _ {\ mathrm {e}}} $$ (5) $$ \ mathrm {Langmuir}:\ kern0.5em \ frac {C_e} {\ {q} _e} =\ frac {1} {K_L {q } _m} \ kern0.5em + \ frac {C_e} {q_m} $$ (6) $$ \ mathrm {Freundlich}:\ kern0.5em {lnq} _e ={lnK} _F + \ frac {1} {n} {lnC} _e $$ (7)
onde K ₁ (1min ^{- 1} ) e K ₂ (g / mg / min) são as constantes de taxa de pseudo-primeira ordem e pseudo-segunda ordem, respectivamente. q _m (mg / g) e K _L (L / mg) são coeficientes de isoterma de Langmuir; K _F (mg / g) e n são constantes de Freundlich.

A cinética de adsorção foi realizada para avaliar a taxa e o mecanismo de transferência das moléculas do corante da solução líquida para a superfície de PS-Kaol. Os dados e ajustes dos modelos cinéticos de pseudo-primeira ordem e pseudo-segunda ordem foram mostrados na Fig. 5a, b, respectivamente. Os valores de R ² dos modelos de pseudo-primeira ordem e pseudo-segunda ordem foram 0,54 e 0,999, respectivamente. Além disso, os valores de q _e , cal (99.21) para modelos de pseudo-segunda ordem também parecia estar muito próximo dos valores experimentalmente observados de q _e , exp. (99,2). Estes resultados mostram obviamente que a adsorção de MB em PS-Kaol é dominada pelo mecanismo de adsorção de pseudo-segunda ordem e indicam a natureza de quimissorção de MB na superfície de PS-Kaol. A constante da taxa de adsorção K ₂ de PS-Kaol em relação a MB é 0,037 g / (mg min) de acordo com o modelo cinético de pseudo-segunda ordem.

a , b Modelos cinéticos de pseudo-primeira ordem e pseudo-segunda ordem para a adsorção do corante MB em PS-Kaol, respectivamente. c , d Modelos de isoterma de Langmuir e Freundlich para a adsorção de corante MB em PS-Kaol, respectivamente

Os modelos de isoterma de Langmuir e Freundlich foram usados para a análise de adsorção e os resultados do ajuste linear foram exibidos na Fig. 6c, d, respectivamente. Os dados se ajustam melhor à isoterma de Langmuir com um coeficiente de correlação R ² valor de 0,999 (Fig. 5c) do que para a isoterma de Freundlich com um coeficiente de correlação de 0,892 (Fig. 5d), indicando a adsorção em monocamada de MB na superfície PS-Kaol. O q _m o valor de MB no PS-Kaol foi de 185,87 mg / g, próximo aos dados experimentais (184,9 mg / g). Com base na caracterização, desempenho de adsorção e isoterma de adsorção e análise do modelo cinético, a propriedade de adsorção aprimorada de PS-Kaol pode ser atribuída à propriedade de área de superfície altamente específica aprimorada. Além disso, a estrutura mesoporosa hierárquica das nanopartículas também foi útil para a difusão e transporte de moléculas MB (Fig. 3).

a Diferentes ciclos de reutilização de PS-Kaol para MB removido. b Imagem esquemática da aplicação e regeneração de PS-Kaol para purificação de água

O potencial de reutilização do sorvente é um fator significativo para seus usos práticos. Os poluentes anexados podem ser deslocados pela inserção de moléculas de solvente adequadas [41, 42]. Neste estudo, o PS-Kaol utilizado foi regenerado pela lavagem com solução de metanol contendo HCl 0,1 mM para a próxima adsorção. Como pode ser observado na Fig. 6a, após 4 ciclos, a eficiência de absorção do adsorvente reduziu ligeiramente em comparação com a eficiência de remoção de 99,1% do PS-Kaol original, e a eliminação do corante após 1 e 4 ciclos foi de 98,09% e 94,61%, respectivamente . Assim, com o aumento dos ciclos de regeneração, a capacidade de adsorção recuperada foi diminuindo gradativamente. Conforme ilustrado na Fig. 6b, após adsorver o corante MB, a cor branca do PS-kao mudou para azul escuro e a água contaminada foi remediada para água limpa. O PS-kao azul escuro usado foi regenerado pelo deslocamento do corante MB por meio de lavagem com solução de metanol + HCl e mudou para a cor azul claro. Isso implicava que os dias de MB adsorvidos não foram totalmente desalojados pela lavagem com solvente, e foi a razão para a capacidade de adsorção gradualmente diminuída de PS-Kao reciclado. Alguns pesquisadores também observaram a diminuição sucessiva da capacidade de adsorção ao reciclar o adsorvente pelo método de lavagem com solvente [4, 42]. Aqui, o resultado interessante é que a regeneração de dessorção de solvente do adsorvente PS-Kaol poderia reter a alta eficiência de remoção (recuperou mais de 95% da capacidade de adsorção) durante quatro ciclos sucessivos. Portanto, PS-Kaol com um excelente desempenho de adsorção e propriedade de regeneração pode ser efetivamente empregado para a remoção de corantes de águas residuais.

Conclusões

Em resumo, estruturas hierárquicas de Kaol semelhantes a romã foram preparadas com sucesso através de uma abordagem hidrotérmica calcinada usando caulim purificado como material de partida. Os resultados obtidos indicam que as partículas da placa C-Kaol são dissolvidas em condições hidrotérmicas e precipitadas em flocos ultrafinos que se agregam para formar nanoesferas Kaol devido à tensão da água. PS-Kaol com alta área de superfície específica e mesoporos abundantes mostra excelente desempenho de adsorção com alta eficiência de absorção para MB em condições amplas de pH, cinética de sorção rápida e regeneração de sorvente eficiente. Assim, o PS-Kaol apresenta boas perspectivas de aplicação para tratamento de efluentes e remediação ambiental. Isso também fornece uma técnica de adaptação ecológica para preparar materiais nanoestruturados funcionais à base de argila.

Abreviações

C-Kaol:: Caulinita Calcinada
Kaol:: Caulinita
MB:: Azul de metileno
PS-Kaol:: Esferas de caulinita tipo romã

Aumento de absorção de banda larga insensível a ângulos de grafeno usando uma metassuperfície multi-ranhurada Revisitando a emissão de conversão ascendente de vermelho aprimorada de um único β-NaYF4:microcristal Yb / Er por dopagem com íons Mn2 +

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias