Высокоэффективные магнитные углеродные микросферы для многократного удаления сульфонамидов из воды

Аннотация

Мы сообщаем о простом гидротермальном синтезе магнитных углеродных микросфер (МУМ) с использованием глюкозы и наночастиц Fe₃O₄. Прокалинивание при 600 °C в течение 1 ч дает материал с исключительной удельной поверхностью BET 1228 м²/г и поровым объемом 0,448 м³/г. МУМ адсорбируют сульфонамид с максимальной емкостью 24,6 мг/г при pH 4,0, снижаясь до 19,2 мг/г при pH 10,0. Адсорбция следует لانгмюровской изотерме и псевдо-второму порядку кинетики, и адсорбент сохраняет 18,31 мг/г после четырех циклов регенерации, демонстрируя надежную повторную пригодность.

Предыстория

Загрязнение антибиотиками, особенно сульфонамидами, представляет серьезную угрозу водным экосистемам и здоровью человека. Традиционные углеродные адсорбенты трудно отделять из воды, ограничивая их практическое применение. Включение магнитных наночастиц в углеродные матрицы создает магнитные углеродные композиты, которые можно легко извлечь внешним магнитом. Хотя такие материалы изучали для удаления красителей и фенолов, их применение для удаления сульфонамидов остается недостаточно развитым.

Методы

Химикаты и материалы

Все реактивы были аналитического grados (Sinopharm, Nanjing Chemical Reagent Co., Ltd., Xilong Chemical Co., Ltd.). Всюду использовали дистиллированную воду.

Синтез наночастиц Fe₃O₄

FeCl₃·6H₂O (1,35 г) и NaAc·3H₂O (3,60 г) растворяли в 40 мл этиленгликоля, переносили в 100-мл тефлоновый автоклав и нагревали при 200 °C в течение 8 ч. Продукт промывали водой и этанолом.

Подготовка МУМ

0,1 г наночастиц Fe₃O₄ диспергировали в 60 мл воды с глюкозой, перемешивали и гидротермально обрабатывали при 200 °C в течение 11 ч. Полученные микросферы промывали, импрегнировали 40% ZnCl₂, сушили и прокалинивали под N₂ при 600 °C в течение 1 ч.

Характеризация

МУМ изучали ТЭМ, РЭМ, ВСМ, BET-анализом и измерением дзета-потенциала. Уравнения для адсорбционной емкости и кинетических моделей применяли как описано в оригинальном исследовании.

Адсорбционные эксперименты

Растворы сульфонамида (50 мл) смешивали с МУМ (1 г/л) и взбалтывали при 300 К и 120 об/мин. После равновесия адсорбент магнитно отделяли и концентрацию сульфонамида измеряли при 258 нм. Регенерация включала десорбцию NaOH (0,1 М), ультразвуковую обработку и промывание до pH 7.

Результаты и обсуждение

Микроструктура

ТЭМ-изображения (Рис. 1) подтверждают ~200-нм ядра Fe₃O₄, равномерно покрытые углеродной оболочкой, формирующие сферические МУМ.

Спектроскопический анализ

ФТИР показывает характерное растяжение Fe–O (~574 см⁻¹) и широкие полосы –OH (~3462 см⁻¹). РД подтверждает кубическую магнетитовую фазу.

Удельная поверхность и пористость

BET-анализ (Рис. 3) раскрывает удельную поверхность 1228 м²/г и поровый объем 0,448 м³/г для образца, прокалинированного при 600 °C/1 ч (МУМ-d). Импрегнирование ZnCl₂ и более высокие температуры прокалинивания критичны для достижения этой высокой пористости.

Магнитные свойства

Данные ВСМ (Рис. 4) показывают насыщенную намагниченность 42,3 эму/г, достаточно для эффективного магнитного разделения при сохранении суперпарамагнитного ответа.

Адсорбционная изотерма

Аппроксимация по Лангмюру дает максимальную емкость Q_m = 27,86 мг/г, указывая на монослойную адсорбцию. Параметры Фройндыша (K_F = 3,06 л/г, 1/n = 0,476) подтверждают благоприятную адсорбцию. Модель Лангмюра дает более высокий R², предполагая однородную поверхность.

Адсорбционная кинетика

Псевдо-второго порядка кинетика (R² = 0,999) превосходит псевдо-первого порядка, подразумевая, что химисорбция контролирует процесс.

Влияние pH

Адсорбция снижается с 24,22 до 12,48 мг/г при повышении pH от 4 до 12, из-за изменений протонированного состояния сульфонамида и инверсии заряда поверхности МУМ.

Влияние температуры и ионной силы

Более высокие температуры и добавление KCl снижают адсорбционную емкость, вероятно, из-за конкуренции и термической десорбции.

Повторная пригодность

После четырех циклов регенерации МУМ сохраняют 73,23% эффективности удаления (18,31 мг/г) и не показывают морфологических изменений (Рис. 7b). Адсорбент можно повторно использовать минимум пять раз с приемлемыми потерями емкости.

Заключение

Мы разработали магнитную углеродную микросферу с беспрецедентной удельной поверхностью (1228 м²/г) и поровым объемом (0,448 м³/г), которая эффективно удаляет сульфонамид из воды. Материал следует лангмюровской адсорбции, псевдо-второго порядка кинетике и может быть регенерирован NaOH, сохраняя высокую производительность за несколько циклов. Эти находки предоставляют практический путь для проектирования рециклируемых адсорбентов для фармацевтических загрязнителей.