Магнититовый нано-абсорбент из шкалы прокатных станов эффективно удаляет Cu(II) из воды: синтез, характеристика, адсорбционная кинетика и регенерация

Аннотация

Мы конвертировали сталелитейную шкалу в магнититовый нано-абсорбент (MNA) и оценили его производительность для удаления меди(II). После конвенционального помола и высокоэнергетического шарового фрезерования (HEBM) 3, 5 и 7 ч, 7-часовой образец (MNA-7) показал кристаллическую Fe₃O₄ фазу со средним размером частицы 11,2 нм, удельной площадью поверхности 5,98 м² г⁻¹, насыщенной намагниченностью 8,35 эму г⁻¹ и изоэлектрической точкой pH 5,4. При оптимальных условиях (pH 5,4, 0,05 г л⁻¹ абсорбента, 120 мин контактного времени) он достиг поглощения Cu(II) 4,42 мг г⁻¹ и эффективности удаления 62,6 %. Адсорбционные данные лучше всего подходили к изотерме Темкина и псевдо-второго порядка кинетической модели (R² > 0,99). После трех циклов регенерации абсорбент сохранил 70,9 % начальной емкости. Этот дешевый, быстро действующий материал предлагат практический путь к ценности шкалы прокатных станов и ремедиации меди-загрязненной воды.

Введение

Качество воды критично для жизни, но промышленный рост усилил загрязнение тяжелыми металлами, особенно медью(II) (Cu²⁺). В то время как следы меди необходимы, повышенные концентрации вызывают серьезные риски для здоровья и экологический ущерб, побуждая к строгим лимитам: ВОЗ устанавливает 2 мг л⁻¹, EPA — 1,3 мг л⁻¹. Конвенциональные методы ремедиации (выпадение, ионный обмен, мембранная сепарация, коагуляция, адсорбция) имеют недостатки; адсорбция выделяется своей простотой, стоимостной эффективностью и высокой эффективностью удаления. Однако многие конвенциональные абсорбенты страдают от низкой площади поверхности, слабого связывания и плохой регенерации.

Наночастицы, особенно магнитный Fe₃O₄, предлагают высокие соотношения площадь/объем, суперпарамагнетизм и легкое магнитное разделение, делая их привлекательными для удаления тяжелых металлов. Тем не менее, использование магнитита, полученного непосредственно из промышленных отходов, остается недостаточно изученным. Здесь мы синтезируем магнититовый нано-абсорбент из сталелитейной шкалы через высокоэнергетическое шаровое фрезерование и систематически исследуем его структурные, магнитные и адсорбционные характеристики для удаления Cu²⁺.

Материалы и методы

Материалы и реактивы

Шкальные чипы получены из малайзийской сталелитейной фабрики. Нитрат меди (Cu(NO₃)₂·3H₂O) использовали для приготовления 1000 ppm стокового раствора. Деионизированная вода (Milli-Q) и 0,1 М HCl/NaOH использовали для приготовления растворов. UV-Vis спектрофотометр (λ = 600 нм) квантовал Cu²⁺ концентрации.

Синтез магнититового нано-абсорбента (MNA)

Сырые чипы промывали, сушили при 104 °C и фрезеровали до <100 мкм. Немагнитные примеси удаляли магнитным разделением (MST) и слабо магнитные частицы отбрасывали с помощью Кюри-температурного разделения (CTST). Полученный микронный Fe₃O₄ сушили на воздухе и подвергли HEBM 3, 5 или 7 ч для производства наноразмерного магнитита (MNA-3, MNA-5, MNA-7).

Характеристика подготовленного нано-магнититового абсорбента (MNA)

Фазовый анализ использовал XRD (Cu Kα, λ = 0,154 нм) и уравнение Дебая-Шеррера. Морфологию изучали HRTEM, FESEM-EDS. BET анализ (N₂ адсорбция) давал удельную площадь поверхности и размер пор. Дзета-потенциал измеряли Malvern ZS Zeta сизером, магнитные свойства оценивали VSM (0–13 кОе). ФТИР спектры (400–4000 см⁻¹) идентифицировали поверхностные функциональные группы.

Адсорбционные исследования

Пакетные адсорбционные тесты использовали 100 мл Cu²⁺ растворов (10–50 мг л⁻¹) в 250 мл колбах. Дозы абсорбента варьировали от 10 до 50 мг. Эксперименты проводили при 25 °C, pH 5,4, с перемешиванием. Процент удаления и адсорбционная емкость рассчитывали через уравнения (1) и (2). Контактное время до 240 мин оценивали.

Кинетическое исследование

Временно-разрешенные Cu²⁺ концентрации (0–50 мин) подгоняли к псевдо-первому порядку Лаггергрена и псевдо-второму порядку моделям (уравнения (3) и (4)). R² значения оценивали соответствие модели.

Регенерационное исследование

После адсорбции MNA магнитно разделяли, обрабатывали 0,1 М HCl 180 мин при 26 °C, промывали до нейтрального pH и сушили при 60 °C 1 ч. Регенерированный абсорбент повторно использовали в трех последовательных циклах; эффективность регенерации (RE) рассчитывали через уравнение (5).

Статистический анализ

Данные анализировали односторонним ANOVA (SAS 9.4) с пост-хок тестом Дункана (p < 0,05).

Результаты и обсуждение

Структурный и фазовый анализ

XRD подтвердил трансформацию сырого отхода в чистый Fe₃O₄ после CTST. 7-часовой HEBM образец (MNA-7) показал характерные Fe₃O₄ пики с расширением пиков, указывающим на нанокристаллический размер (средний кристаллит ≈ 9,8 нм). HRTEM изображения показали неправильные частицы со средним 11,2 нм. Увеличение FWHM с временем фрезерования коррелировало с уменьшением размера кристаллита.

Морфологический и микроструктурный состав

HRTEM раскрыл распределение размера частиц 10–22 нм, с меньшими частицами при более коротких временах фрезерования из-за уменьшенной агломерации. FESEM-EDS подтвердил Fe:O соотношение ≈ 3:1, согласующееся с магнититом.

Анализ магнитных свойств

VSM данные показали насыщенную намагниченность 21–27 эму г⁻¹, остаточную 1,5–6,6 эму г⁻¹, коэрцитивность 200–270 Гс. MNA-7 обладал наивысшей Ms (27 эму г⁻¹) и демонстрировал суперпарамагнитное поведение, облегчая магнитное разделение.

Влияние адсорбционных параметров

Среди времен фрезерования MNA-7 дал наивысшую адсорбционную емкость (4,41 мг г⁻¹) и эффективность удаления (62,6 %). Это превосходство атрибуется его оптимальному размеру частицы, площади поверхности и магнитным свойствам.

Анализ площади поверхности

BET измерения MNA-7 дали удельную площадь 5,98 м² г⁻¹ и поровый объем 0,011 см³ г⁻¹. N₂ изотерма показала Тип III гистерезис, указывая на слабые адсорбат-абсорбент взаимодействия, типичные для мезопористого Fe₃O₄.

EDS анализ

До адсорбции EDS показывал Fe (78,3 %) и O (21,7 %). После адсорбции спектры раскрыли дополнительный Cu (≈ 1,5 %), подтверждая Cu²⁺ поглощение.

ФТИР анализ

Fe–O валентные полосы при 525 и 576 см⁻¹ сохранялись после адсорбции, в то время как новые пики вокруг 500–600 см⁻¹ и расширенная OH полоса при 3478 см⁻¹ указывали на Cu²⁺ координацию к поверхностным гидроксилам.

Дзета-потенциал анализ

Изоэлектрическая точка MNA-7 была pH 5,4. При pH > 5,4 поверхность становится отрицательно заряженной, усиляя электростатическое притяжение к Cu²⁺ и объясняя оптимальное удаление при этом pH.

Пакетные адсорбционные анализы

Влияние контактного времени

Равновесие достигалось в течение 120 мин; адсорбционная емкость быстро росла в первые 10 мин и затем плато. Максимальная емкость 4,41 мг г⁻¹ достигнута при 120 мин.

Влияние начальной концентрации

Более высокие начальные Cu²⁺ концентрации (10–50 мг л⁻¹) вели к увеличенным адсорбционным емкостям, отражая более высокую движущую силу и более активное занятие сайтов.

Влияние дозы MNA

Адсорбционная емкость уменьшалась с увеличением дозы из-за агломерации и уменьшения удельной площади на грамм, в то время как эффективность удаления пиковала при 0,05 г на 200 мл раствора.

Влияние pH

Эффективность удаления росла с 10,7 % при pH 2 до 62,6 % при оптимальном pH 5,4, затем слегка снижалась при более высоких pH из-за конкурирующих OH⁻ ионов.

Кинетика адсорбции меди

Псевдо-второй порядок модель дала R² = 0,999, указывая на химисорбцию с обменом электронов между Cu²⁺ и поверхностными сайтами Fe₃O₄. Псевдо-первый порядок подгонка была хуже (R² ≈ 0,96).

Адсорбционные изотермы меди

Оба Фройндлиха и Темкина графики были линейны; однако изотерма Темкина дала лучшую подгонку (R² = 0,91), предполагая уменьшение тепла адсорбции с покрытием и указывая на взаимодействие среди адсорбированных видов.

Регенерация и десорбция исследование

Три регенерационные цикла 0,1 М HCl сохранили 70,9 % исходной емкости, с только 10 % потерей после третьего цикла, демонстрируя хорошую повторную используемость.

Заключение

Высокоэнергетическое шаровое фрезерование шкалы прокатных станов произвело магнититовый нано-абсорбент (MNA-7) с 11,2 нм частицами, 5,98 м² г⁻¹ площадью поверхности и сильным магнитным откликом. При оптимальных условиях (pH 5,4, 0,05 г л⁻¹, 120 мин) он удалил 62,6 % Cu²⁺ из водных растворов, достигнув адсорбционной емкости 4,41 мг г⁻¹. Регенерация 0,1 М HCl сохранила 70,9 % емкости после трех циклов. Эти результаты подтверждают, что MNA-7 — дешевый, эффективный и рециклируемый абсорбент для удаления меди, и представляет ценный путь к утилизации отходов и очистке воды.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, сгенерированные в этом исследовании, доступны у соответствующего автора по разумному запросу.