鄭大左其亭/新型殼聚糖-釩鈦磁鐵礦複合材料​高效吸附有機染料

第一作者：張偉 副教授

通訊作者：左其亭教授，Ki-Hyun Kim教授

通訊單位：鄭州大學水利科學與工程學院，韓國漢陽大學土木與環境工程學院

成果簡介

近日，鄭州大學水利科學與工程學院左其亭教授、張偉副教授與韓國漢陽大學Ki-Hyun Kim教授合作，開發了一種新型殼聚糖-釩鈦磁鐵礦複合材料，並系統研究了其對陰離子染料剛果紅的吸附性能。相關成果以 「A novel chitosan–vanadium-titanium-magnetite composite as a superior adsorbent for organic dyes in wastewater」為題發表在Environment International 上（Environment International 142 (2020) 105798）。

引言

快速工業化促進了各種行業（例如造紙，塑料和紡織行業）中染料的消耗，導致其釋放到廢水中。由於染料的毒性，致癌性，誘變性和不可生物降解性，這些釋放會降低水質並破壞水生生態系統。因此，人們積極尋求從廢水中去除染料的高效技術。

剛果紅（CR）是一種眾所周知的致癌物。吸附由於其成本效益和使用方便性而成為首選。吸附劑，例如活性炭，金屬氧化物和碳納米材料已用於CR吸附。但是，一些吸附劑（尤其是未經改性的吸附劑）的吸附容量低（＜10 mg/g），生產成本高。因此，有必要開發具有增強吸附能力的先進吸附材料以高效地捕獲廢水中的染料汙染物。殼聚糖（CS）是一種有前途且對環境友好的吸附劑，不會造成二次汙染。CS包含大量的氨基和羥基，可以吸收包括重金屬和染料在內的多種汙染物。然而，在酸性介質中CS易溶解，且機械穩定性差，天然CS在實際應用方面受到限制。通過交聯法可提高CS在酸性條件下的穩定性。戊二醛已用於交聯CS並形成複合材料以有效處理廢水。迄今為止，可與CS形成複合材料主要是Fe3O4，SiO2和纖維素。釩鈦磁鐵礦（VTM）對汙染物具有卓越的的吸附（和催化降解）性能，但它對染料的吸附方面的應用還缺乏研究。此外，為了提高成型複合材料的機械穩定性，最重要的是控制複合材料中VTM與CS的相對組成。

本文採用一鍋法合成戊二醛交聯的CS-VTM複合材料，並採用傅立葉變換紅外光譜（FTIR），X射線衍射（XRD），掃描電子顯微鏡（SEM），X射線光電子能譜（XPS）和熱重分析（TG）對CS- VTM複合材料進行表徵，並系統研究了CS- VTM複合材料對CR的吸附性能。

圖文導讀

圖1 合成新型CS-VTM複合材料及其吸附CR的示意圖

圖2 CS-VTM複合材料及其原料的熱重曲線：（a）TG曲線和（b）DTG曲線

圖3 氮吸附-解吸等溫線和孔徑分布曲線的BET分析：（a）CS-VTM-0.5和（b）CS-VTM-2.0

圖4 以不同質量比的複合材料對CR的吸附能力：（a）不同的CS與VTM的摩爾比（CR濃度）下VTM，CS和CS-VTM的吸附能力（mg / g）；（b）CS-VTM中CS與VTM質量比對CR吸附的影響示意圖

圖5 CS-VTM對CR的吸附動力學分析：（a）接觸時間對CS-VTM-0.5對CR的去除效率和吸附能力的影響；（b）CS-VTM-0.5吸附CR的偽一級模型；（c）CS-VTM-0.5吸附CR的偽二級模型；（d）通過CS-VTM-0.5吸附CR的粒子內擴散模型

圖6 CS-VTM對CR的吸附等溫線分析：（a）初始CR濃度對CS-VTM-0.5的CR去除效率和吸附能力的影響；（b）CS-VTM-0.5的Langmuir等溫線；（c）CS-VTM-0.5的Freundlich等溫線；（d）CS-VTM-0.5的Temkin等溫模型曲線

圖7 吸附劑用量，溫度和pH值對CS-VTM-0.5去除CR的影響：（a）吸附劑劑量的影響C）和擬定的擬合來解釋吸附劑量的影響；（b）溫度的影響，並提出了合適的解釋溫度影響的方法；（c）pH對CS-VTM-0.5吸附性能和CS-VTM-0.5的Zeta電位曲線

圖8 CR和CS-VTM複合材料之間的相互作用機理

小結

總之，本文通過一鍋法合成製備了新型複合CS-VTM用於處理CR廢水。在CS與VTM的各種比例中，CS-VTM-0.5複合材料表現出最佳的吸附性能，平衡吸附容量為62.2 mg/g，分配係數為108.33 mg /g μM-1。吸附過程為化學吸附，最大吸附容量為90.9 mg/g。FTIR，XPS和ζ電位的分析表明，吸附過程可能主要歸因於氫鍵。本文的研究證明CS-VTM是一種有前途且對環境友好的吸附劑，可以用於淨化被染料汙染的廢水。