Эффект ограниченного пространства Синтез гетероструктур γ-AlO (OH) / MgAl-LDH с превосходными адсорбционными характеристиками в одном резервуаре

Введение

Органические красители широко используются во многих продуктах, таких как текстиль, кожа, краска и резина [1,2,3]. Эти красители легко попадают в воду [4], вызывая серьезные экологические проблемы, такие как нанесение вреда водным организмам, потребление растворенного кислорода и окрашивание воды [3, 5]. Кроме того, большинство органических красителей являются высокополярными, нелетучими и трудно поддающимися биологическому разложению. Было замечено, что сточные воды от красителей серьезно вредны для здоровья человека. Поэтому очистка сточных вод от красителей - актуальная задача. В настоящее время в большинстве способов очистки сточных вод от красителей используют физическую адсорбцию, фотокатализ, биологическое и химическое окисление, флокуляцию и мембранное разделение [4, 6]. Среди них метод физической адсорбции занимает особое место в области очистки сточных вод из-за его способности селективно обогащать определенные соединения. Кроме того, метод адсорбции отличается хорошим адсорбционным эффектом, простотой в эксплуатации и широким диапазоном применения и широко используется в области очистки сточных вод от красителей [7, 8].

Слоистые двойные гидроксиды (СДГ), обычная анионная глина, состоят из бруситоподобных слоев [9]. Его общая формула может быть выражена как [ M ²⁺ _{1 - x} M ³⁺ _x (ОН) ₂ ] [( A ^{n -} ) _{x / н} ] · YH ₂ O, где M ²⁺ , M ³⁺ , и A ^{n -} представляют собой двухвалентные катионы, трехвалентные катионы и n -валентные анионы соответственно [10]. LDH обладает отличными адсорбционными свойствами по отношению к красителям благодаря своей высокой анионообменной способности и большой площади поверхности. Например, Lafi et al. получен MgAl-LDH методом соосаждения; адсорбционная емкость адсорбента по Конго красному достигла 111,111 мг г ^-1 [11]. Zheng et al. получили Zn-Mg-Al LDH также методом соосаждения, который имеет отличную адсорбционную способность до 883,24 мг г ^-1 для метилового оранжевого при pH =3 [12]. Очевидно, что для адсорбентов СДГ большинство исследователей сосредоточено на стремлении к высокой ионообменной емкости и большой удельной поверхности. К сожалению, нанокристаллизация СДГ не безгранична. В последние годы исследователи обнаружили, что органические или неорганические вставки в слои LDH могут увеличить адсорбционную способность LDH. Например, Mandal et al. вставлен альгинат натрия между слоями LDH для образования композитного адсорбента. Альгинат натрия способствует расширению межслоевого пространства СДГ и увеличивает адсорбционную способность адсорбента для красителя оранжевый II [13]. Bruna et al. синтезировали органический / LDH (органический анион-додецилсульфат (DDS), вставленный в MgAl-LDH) в качестве адсорбента полициклических ароматических углеводородов в системах вода и почва-вода [14]. Поэтому рекомендуется разработать адсорбент, вставив соединение между слоями LDH. Гидроксид алюминия (γ-AlO (OH)) является хорошим адсорбентом для очистки сточных вод благодаря высокой удельной поверхности и большому количеству гидроксильных групп на поверхности [15, 16]. Следовательно, γ-AlO (OH) является потенциальным неорганическим интеркаляционным материалом для MgAl-LDH.

В этой статье γ-AlO (OH) был успешно вставлен в MgAl-LDH гидротермальным методом. Этот композит демонстрирует отличные адсорбционные свойства по отношению к метиловому оранжевому (МО). Структурные характеристики композитов γ-AlO (OH) / MgAl-LDH были оценены с помощью порошковой рентгеновской дифракции (XRD), инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR), автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FESEM), просвечивающей электронной микроскопии ( ПЭМ) и просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (ПЭМВР). Адсорбционные свойства композитов были оценены по адсорбции МО, и были проведены углубленные исследования синергетического механизма γ-AlO (OH) и MgAl-LDH.

Методы

Получение γ-AlO (OH) / MgAl-LDH

Все химические реактивы были аналитической чистоты и использовались без дополнительной очистки. Композит γ-AlO (OH) / MgAl-LDH был приготовлен гидротермальным методом. В типичном синтезе Mg (NO ₃ ) ₂ · 6H ₂ O (4,615 г) и Al (NO ₃ ) ₃ · 9H ₂ O (3,376 г) растворяли в 50 мл деионизированной (DI) воды (Mili-Q, 18,2 МОм) с образованием раствора 1. NaOH (2,516 г) растворяли в 25 мл дегазированной деионизированной воды, так что получали раствор 2. . Растворы 1 и 2 по каплям добавляли в реакционный сосуд, содержащий 25 мл деионизированной воды, и интенсивно перемешивали при постоянном значении pH 10 и температуре 60 ° C. Затем полученную суспензию дополнительно обрабатывали в гидротермальных условиях при 140 ° C в течение 10 часов и охлаждали до комнатной температуры. γ-AlO (OH) / MgAl-LDH несколько раз промывали деионизированной водой и лиофилизировали в вакуумной сублимационной сушилке. Для сравнения, чистый MgAl-LDH и γ-AlO (OH) были получены с помощью одной и той же гидротермальной обработки (140 ° C, 10 ч).

Характеристика

Фазовую структуру охарактеризовали порошковой дифракцией рентгеновских лучей (XRD; X’Pert PRO PANalytical) в 2 θ диапазон 5–80 ° с Cu Kα излучением на длине волны 0,15406 нм. Морфология поверхности образца была получена с помощью FESEM (S4800) при 5 кВ. Микроструктуру образцов анализировали с помощью ПЭМВР (JEM-2100F) при 200 кВ. ИК-спектры записаны в диапазоне 4000–400 см ^-1 . с использованием ИК-Фурье-спектрометра (NEXUS 470, Nicolet instruments) с оптическим разрешением 4 см ^-1 и размер апертуры 100 мкм. Эксперименты по адсорбции-десорбции азота для количественного определения поверхности и пористости проводились при -196 ° C на приборе NOVA-1200e. Перед анализом образцы предварительно обрабатывали при 80 ° C в течение 12 ч в вакууме. Измерения с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS; ESCALAB 250Xi) проводили с использованием излучения Al Kα. Энергия сканирования обзорного спектра составляла 100 эВ с шагом 1 эВ. Энергия сканирования высокого разрешения составляла 20 эВ с шагом 0,1 эВ. Вакуум теста 10 ^-10 мбар. Спектры поглощения различных образцов в УФ-видимой области были получены с использованием спектрофотометра UV-3600, снабженного интегрирующей сферой. Спектры фотолюминесценции материалов были получены на флуоресцентном спектрофотометре (VARIAN).

Эксперименты по адсорбции

Адсорбционные характеристики образцов проверяли на адсорбцию метилового оранжевого (МО) в водном растворе. Образец 50 мг помещали в 50 мл 1000 мг л ^-1 . Раствор МО при перемешивании магнитной мешалкой. Значение pH раствора регулировали, используя 0,1 M HNO ₃ . кислоты или 1 М раствора NaOH. По прошествии подходящего времени из суспензии отбирали пробу воды (3 мл). Супернатант получали центрифугированием, и концентрацию раствора измеряли с помощью спектрофотометра UV-Vis (UV-3600). Равновесная величина адсорбции ( q _e (мг г ^-1 )) и мгновенное количество адсорбции ( q _т (мг г ^-1 )) рассчитывались по следующим уравнениям:

где C ₀ (мг л ^-1 ) - начальная концентрация МО; C _e (мг л ^-1 ) и C _т (мг л ^-1 ) - концентрация МО в состоянии равновесия и в момент времени t (мин) соответственно; V (L) - объем раствора; и м (г) - масса адсорбента.

Эксперименты по десорбции

Эксперимент по десорбции МО проводили с использованием деионизированной воды в качестве мешающего агента. Порцию использованных образцов в 50 мг осторожно промывали водой для удаления всех ненарушенных МО. Кроме того, загруженные образцы МО интенсивно перемешивали с раствором этанола и центрифугировали. После центрифугирования полученные образцы лиофилизировали. Затем полученные образцы порошка были подвергнуты последовательным циклам адсорбции-десорбции.

Результаты и обсуждение

Характеристика синтезированных образцов

Рентгенограммы синтезированных образцов показаны на рис. 1а. Для γ-AlO (OH) / MgAl-LDH наблюдается, что основные дифракционные пики находятся при 10,09 °, 19,95 °, 34,40 °, 60,56 ° и 61,48 °, что соответствует (003), (006), (012), (110) и (113) плоскости MgAl-LDH (JPCDS № 89-0460) соответственно. Кроме того, пики при 14,1 °, 27,9 °, 38,1 ° и 48,9 ° можно отнести к плоскостям дифракции (020), (120), (031) и (051) γ-AlO (OH) (JPCDS № 21-1307) соответственно. Этот результат указывает на то, что композит γ-AlO (OH) / MgAl-LDH имеет фазы MgAl-LDH и γ-AlO (OH). Более того, для сравнения, плоскость (003) MgAl-LDH расположена на 2 θ =11,63 °, что указывает на то, что когда γ-AlO (OH) был вставлен в MgAl-LDH, расстояние между плоскостью (003) увеличилось с 7,6 Å (2 θ =11,63 °) до 8,77 Å (2 θ =10,09 °). Параметры элементарной ячейки показаны в таблице 1. Отмечено, что оси «а» для MgAl-LDH и γ-AlO (OH) / MgAl-LDH не изменились.

Картины XRD синтезированных образцов ( a ). Спектры FTIR синтезированных образцов при 400–4000 см ^-1 ( б )

Спектры FTIR синтезированных образцов показаны на рис. 1b. В FTIR-спектре MgAl-LDH полоса при 3449 см ^-1 можно отнести к валентному колебанию O – H [17]. Полосы от 400 до 900 см ⁻¹ связаны с M – O, O – M – O и M – O – M (M =Mg ²⁺ и Ал ³⁺ ) валентные колебания [18], а полоса 781 см ⁻¹ обусловлено колебанием Al – OH [19]. Для γ-AlO (OH) полосы при 3111 и 3325 см ⁻¹ принадлежат валентным колебаниям υas (Al) O – H и υs (Al) O – H соответственно [20]. Колебания водородных связей наблюдались при 1142 и 1066 см ^-1 . [21]. Кроме того, пики на 481, 636 и 749 см ⁻¹ может быть отнесен к связям Al – O [22]. Для γ-AlO (OH) / MgAl-LDH большинство полос может быть легко отнесено на основании сравнения с γ-AlO (OH) и MgAl-LDH. Сильная полоса на 3474 см ⁻¹ можно объяснить валентным колебанием групп –OH в γ-AlO (OH) и MgAl-LDH. Полосы на 826, 669 и 445 см ⁻¹ соответствуют валентным колебаниям металл-кислород, металл-кислород-металл и кислород-металл-кислород в MgAl-LDH соответственно [18]. По сравнению с MgAl-LDH полоса Al – OH сдвинута с 781 до 826 см ^-1 . . Кроме того, полоса на 1064 см ⁻¹ можно отнести к колебанию водородной связи в γ-AlO (OH). Полосы на 1618, 1633 и 1619 см ⁻¹ в MgAl-LDH, γ-AlO (OH) и γ-AlO (OH) / MgAl-LDH, соответственно, можно отнести к изгибным колебаниям молекул воды. Кроме того, полосы на 1360, 1385 и 1380 см ⁻¹ в MgAl-LDH, γ-AlO (OH) и γ-AlO (OH) / MgAl-LDH, соответственно, связаны с CO ₃ ^2– [23]. Полоса CO ₃ ^2– в γ-AlO (OH) указывает на то, что некоторые остатки на основе карбоната остаются захваченными внутри высокопористого ячеистого монолита даже после многократной промывки [24].

Морфология и микроструктура образцов были исследованы с помощью автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FESEM) и просвечивающей электронной микроскопии (TEM). Как показано на рис. 2а, видно, что образец MgAl-LDH состоит из нанолистов. Средняя толщина нанолистов составляет от 140 до 150 нм. Изображение FESEM на рис. 2b показывает, что γ-AlO (OH) состоит из наноигл. Образец γ-AlO (OH) / MgAl-LDH, показанный на рис. 2c, имеет морфологию, состоящую из хлопьевидных агломератов, а не морфологию γ-AlO (OH). В случае рис. 2d, e, ПЭМ-изображения MgAl-LDH и γ-AlO (OH), соответственно, также демонстрируют убедительные свидетельства нанолистовой морфологии MgAl-LDH и наноигольчатой ​​морфологии γ- AlO (OH). Интересно, что ясно видно, что образец γ-AlO (OH) / MgAl-LDH состоит из нанолистов и наноигл (рис. 2f). Кроме того, на ПЭМ-изображении γ-AlO (OH) / MgAl-LDH (рис. 2g) шаг решетки 0,235 нм и 0,152 нм соответствовал плоскости (031) γ-AlO (OH) и (110) самолет MgAl-LDH. Кроме того, EDX-картирование на рис. 2h, i продемонстрировало равномерное распределение элементов C, O, Mg и Al в композитах, указывая на то, что композит γ-AlO (OH) / MgAl-LDH был смешан гомогенно.

FESEM-изображения MgAl-LDH ( a ), γ-AlO (OH) ( b ) и γ-AlO (OH) / MgAl-LDH ( c ). ПЭМ-изображения MgAl-LDH ( d ), γ-AlO (OH) ( e ) и γ-AlO (OH) / MgAl-LDH ( f ). Изображение HRTEM ( g ) и отображение EDX ( h , я ) γ-AlO (OH) / MgAl-LDH

Анализ XRD, FTIR, FESEM и HRTEM показывает, что наноигла γ-AlO (OH) была успешно приготовлена ​​в слоях MgAl-LDH гидротермальным методом, который использует эффект «ограниченного пространства» MgAl-LDH.

Влияние pH исходного раствора

PH раствора играет важную роль в процессе адсорбции из-за поверхностного заряда адсорбента [25]. На рисунке 3 показаны характеристики адсорбции образца γ-AlO (OH) / MgAl-LDH на МО при различных значениях pH, с начальной концентрацией МО при 1000 мг л ^-1 . . Наблюдается, что наибольшая адсорбция происходит при начальном pH =3, а адсорбционная емкость уменьшается с увеличением pH, что указывает на то, что образец после синтеза более эффективен при адсорбции МО в кислом растворе. Кроме того, структура слоистых материалов с гидроксидными пластинами исчезает при pH ниже 3 [26]. Поэтому в качестве исходного pH раствора, используемого в этом исследовании, предлагается равняться 3. Фотографии образца γ-AlO (OH) / MgAl-LDH, адсорбирующего МО при различных значениях pH, также показаны на рис. 3 (вставка). Наблюдается, что при pH =3 после адсорбции МО в течение 210 мин цвет раствора был ясным, что указывает на полную адсорбцию МО. По мере увеличения pH цвет раствора становился темнее.

Влияние значений pH исходного раствора на адсорбцию МО γ-AlO (OH) / MgAl-LDH (начальная концентрация МО:1000 мг л ^-1 , дозировка адсорбента:1 г л ⁻¹ , время контакта:210 мин), на вставке:оптические фотографии раствора МО после адсорбции при различных pH

Влияние времени контакта и кинетики адсорбции

Влияние времени контакта на адсорбцию МО образцами показано на рис. 4. Для всех адсорбентов начальные скорости адсорбции очень высокие. По сравнению с чистым γ-AlO (OH) и MgAl-LDH, γ-AlO (OH) / MgAl-LDH демонстрирует улучшенные характеристики адсорбции с точки зрения скорости и емкости адсорбции. Когда исходная концентрация МО была 1000 мг / л ^-1 для γ-AlO (OH) / MgAl-LDH и 200 мг л ^-1 для γ-AlO (OH) и MgAl-LDH максимальная экспериментальная равновесная адсорбционная способность 1000 мг г ^-1 был получен с использованием γ-AlO (OH) / MgAl-LDH, который был выше, чем у γ-AlO (OH) (183,3 мг г ^-1 ) и MgAl-LDH (155,5 мг г ^-1 ). Как показано на рис. 4 (вставка), видно, что раствор γ-AlO (OH) / MgAl-LDH полностью бесцветен после уравновешивания. Однако цвета чистых растворов γ-AlO (OH) и MgAl-LDH остаются очень глубокими.

Влияние времени контакта на адсорбцию МО, вставка:равновесные оптические фотографии раствора МО после адсорбции

Чтобы понять механизмы адсорбции образцов, были использованы кинетические модели псевдопервого и псевдо-второго порядка для соответствия экспериментальным данным. Законы скорости псевдопервого и псевдо-второго порядка вычисляются по формулам. (3) и (4) [27] соответственно:

где q _т (мг г ^-1 ) и q _e (мг г ^-1 ) - количество адсорбированного МО за время t (мин) и в состоянии равновесия, соответственно, и k ₁ (мин ⁻¹ ) и k ₂ (г мг ^-1 мин ⁻¹ ) - константы скорости адсорбции для кинетических моделей псевдопервого и псевдо второго порядка [28] соответственно.

В таблице 2 показаны две кинетические модели адсорбции и коэффициенты корреляции. Из коэффициента корреляции R ² в таблице 2 видно, что адсорбция образцов лучше соответствовала модели псевдовторого порядка, чем модели псевдопервого порядка. Кроме того, теоретические расчетные значения ( q _{e, cal} ) из модели псевдо-второго порядка ближе к экспериментальным значениям ( q _{e, exp} ), чем модели псевдопервого порядка. Следовательно, исходя из предположения о кинетике псевдо-второго порядка, скорости адсорбции MgAl-LDH, γ-AlO (OH) и γ-AlO (OH) / MgAl-LDH контролируются химическими взаимодействиями [29]. / P>

Изотермы адсорбции

На рис. 5 показаны изотермы адсорбции синтезированных образцов. Среди трех образцов q _e значение γ-AlO (OH) / MgAl-LDH показало самый быстрый рост с C _e . Кроме того, данные экспериментов по адсорбции были проанализированы с помощью моделей Ленгмюра и Фрейндлиха для оценки взаимосвязи между МО и адсорбентами в равновесии [30]. Уравнения следующие:

Изотермы равновесной адсорбции образцов

где C _e (мг л ^-1 ) - равновесная концентрация МО, q _e (мг г ^-1 ) - количество адсорбированного МО на единицу массы адсорбентов, а q _м (мг г ^-1 ) - адсорбционная способность монослоя. К _L (Л мг ⁻¹ ) - постоянная Ленгмюра, связанная со скоростью адсорбции. К _F [(мг г ^-1 ) (Л мг ⁻¹ ) ^{1 / n} ] и n ^-1 (безразмерные) - константы Фрейндлиха, относящиеся к адсорбционной способности и адсорбционной силе соответственно.

Соответствующие параметры смоделированных изотерм адсорбции образцов приведены в таблице 3. Наблюдается, что максимальная адсорбционная способность МО на γ-AlO (OH) / MgAl-LDH была значительно выше, чем на γ-AlO (OH). и MgAl-LDH. Более того, по сравнению с моделью Фрейндлиха, модель Ленгмюра лучше согласуется с экспериментальными данными и имеет более высокое значение R ² . q _м γ-AlO (OH) / MgAl-LDH (4681,40 мг г ^-1 ) из уравнения Ленгмюра намного выше, чем у γ-AlO (OH) (1492,5 мг г ^-1 ) и MgAl-LDH (769,2 мг г ^-1 ). Кроме того, чем больше K _F из уравнения Фрейндлиха также указывает на то, что γ-AlO (OH) / MgAl-LDH имеет повышенное сродство к MO. Удивительно, но адсорбционная способность γ-AlO (OH) / MgAl-LDH была намного выше, чем у большинства заявленных (как показано в Таблице 4).

Механизм адсорбции γ-AlO (OH) / MgAl-LDH для MO

На рис. 6а, б показаны N ₂ изотермы адсорбции-десорбции и распределение пор BJH по размерам в образцах. Согласно классификации IUPAC, изотермы можно отнести к категории ВАХ с петлями гистерезиса H3 при высоком относительном давлении. Доказано, что адсорбенты обладают свойствами мезопористого материала. Распределение пор по размерам, рассчитанное методом BJH, показано на рис. 6b. По сравнению с MgAl-LDH, γ-AlO (OH) и γ-AlO (OH) / MgAl-LDH имеют более широкие кривые распределения пор по размерам. Как показано в таблице 1, результаты БЭТ-анализа MgAl-LDH, γ-AlO (OH) и γ-AlO (OH) / MgAl-LDH составили 14,1 м ² г ⁻¹ , 95,9 м ² г ⁻¹ и 34,1 м ² г ⁻¹ , соответственно. Результаты показали, что отличные адсорбционные характеристики γ-AlO (OH) / MgAl-LDH не зависят от большой удельной поверхности. Оптические фотографии образцов до и после адсорбции МО показаны на рис. 6в (до центрифугирования). Согласно оптическим фотографиям до адсорбции исходный объем образца был γ-AlO (OH) / MgAl-LDH <γ-AlO (OH) -1 ) было очевидно, что объем порошков изменился. Скорость объемного расширения образцов была следующей:γ-AlO (OH) / MgAl-LDH> γ-AlO (OH)> MgAl-LDH. Следовательно, можно сделать вывод, что скорость объемного расширения адсорбента имеет большое влияние на адсорбционные характеристики МО.

N ₂ кривые изотермы адсорбции-десорбции ( a ) и кривые распределения пор по размерам ( b ) образцов. Оптические фотографии образцов до и после адсорбции ( c )

На рис. 7а показаны рентгенограммы γ-AlO (OH) / MgAl-LDH до и после адсорбции МО. По сравнению с γ-AlO (OH) / MgAl-LDH, в спектрах γ-AlO (OH) / MgAl-LDH после адсорбции МО появилось много новых пиков. Кроме того, за исключением плоскостей (003) и (006) MgAl-LDH, другие плоскости не были смещены на малый угол. Новые пики указывают на то, что анионы МО входят в прослойку γ-AlO (OH) / MgAl-LDH посредством анионного обмена и приводят к смещению плоскости (003) в плоскость малых углов [8]. Что еще более важно, плоскость (003) γ-AlO (OH) / MgAl-LDH увеличилась на 3,22 Å с 8,77 до 11,99 Å после адсорбции МО. Интересно, что, как показано на фиг. 7b, степень, соответствующая плоскости (003) MgAl-LDH, не изменилась после адсорбции MO, что указывает на то, что MO не может адсорбироваться в слоях MgAl-LDH. Наблюдается, что γ-AlO (OH) играет важную роль в слое СДГ, и эффект адсорбции на МО показан на схеме 1. С одной стороны, из-за эффекта «ограниченного пространства», наноигла γ-AlO (OH) ) можно выращивать между слоями MgAl-LDH для увеличения расстояния между плоскостями (003), что помогает MO проникать в промежуточный слой MgAl-LDH за счет электростатического притяжения. С другой стороны, MgAl-LDH имеет больше места для хранения МО из-за расширения между слоями LDH.

Картины XRD γ-AlO (OH) / MgAl-LDH ( a ) и MgAl-LDH ( b ) до и после адсорбированного МО соответственно

Механизм γ-AlO (OH) / MgAl-LDH для усиления адсорбции МО

Из приведенного выше обсуждения известно, что γ-AlO (OH) / MgAl-LDH имеет более высокую кинетику адсорбции и характеристики адсорбции, чем γ-AlO (OH) и MgAl-LDH. Чтобы лучше изучить механизм улучшения характеристик, образцы были подвергнуты испытанию на дзета-потенциал. Как показано на рис. 8a, суспензия образцов при pH =3 показывала положительно заряженную поверхность, а значение ζ-потенциала γ-AlO (OH) / MgAl-LDH (43,03 мВ) было намного больше, чем у MgAl- СДГ (13,88 мВ) и γ-AlO (OH) (4,32 мВ). Этот результат указывает на то, что синергетический эффект может быть получен за счет проникновения γ-AlO (OH) в слой MgAl-LDH, что улучшает дзета-потенциал образца γ-AlO (OH) / MgAl-LDH. Как показано на схеме 1, молекула МО может быть образована до C ₁₄ H ₁₄ N ₃ SO ₃ ^- и Na ⁺ в воде. Поскольку C ₁₄ H ₁₄ N ₃ SO ₃ ^- анион заряжен отрицательно, он легко адсорбируется γ-AlO (OH) / MgAl-LDH. Можно сделать вывод, что LDH обладает хорошей адсорбционной способностью по отношению к анионным красителям.

ζ-потенциалы образцов (0,2 мг / мл ^-1 ) в водном растворе при pH =3 ( a ). FTIR-спектры МО, γ-AlO (OH) / MgAl-LDH до и после адсорбированного МО ( b )

Спектры FTIR γ-AlO (OH) / MgAl-LDH после адсорбции МО показаны на рис. 8b. По сравнению с исходным γ-AlO (OH) / MgAl-LDH, спектры FTIR γ-AlO (OH) / MgAl-LDH показали очевидные изменения после поглощения MO. Полосы 1608 и 1520 см ⁻¹ были обусловлены валентным колебанием N =N и изгибным колебанием N – H. Кроме того, полосы на 1183 и 1033 см ⁻¹ обусловлены асимметричными и симметричными валентными колебаниями группы сульфоновой кислоты (–SO ₃ ^- ), соответственно. Полоса на 1122 см ⁻¹ был обусловлен симметричным валентным колебанием O =S =O [36]. Полоса на 1008 см ⁻¹ был связан с изгибным колебанием ароматических C – H в плоскости [1]. Очевидно, пик O – H γ-AlO (OH) / MgAl-LDH сместился с 3474 на 3843 см ⁻¹ . когда MO был поглощен, что указывает на то, что водородные связи участвуют в процессе адсорбции.

Кроме того, XPS использовался для характеристики адсорбента до и после адсорбции MO. Как показано на рис. 9, элемент S появился в спектре γ-AlO (OH) / MgAl-LDH после адсорбции МО. Спектр высокого разрешения S 2p, расположенный при 167 эВ, показанный на рис. 9b, указывает на присутствие МО в адсорбенте. На рис. 9c, d показан спектр O 1s γ-AlO (OH) / MgAl-LDH до и после адсорбции МО соответственно. Три пика, расположенные при 530,5, 531 и 531,8 эВ, показаны на рис. 9c, d и могут быть отнесены к O в форме оксида металла (M – O), карбоната (CO ₃ ^2– ) и металл-гидроксил (M – OH) прослойки MgAl-LDH [1]. Примечательно, что после адсорбции МО происходят значительные изменения в интенсивности и составе O 1 адсорбента. Недавно появившийся пик, расположенный при 531,6 эВ на рис. 9d, может быть отнесен к O в сульфатной группе (S – O). Кроме того, как показано в Таблице 5, CO ₃ ^2– снизилась с 27,2 до 18,1% за счет ионного обмена. Относительная доля M – O после адсорбции MO увеличилась с 9 до 26,4%, а относительная доля M – OH снизилась с 63,8 до 25,7%. Результаты показывают, что гидроксильный активный центр γ-AlO (OH) / MgAl-LDH играет важную роль в адсорбции метилового оранжевого, указывая на то, что адсорбция MO контролируется химическими взаимодействиями; это согласуется с кинетической моделью псевдо-второго порядка.

Широкие XPS-спектры γ-AlO (OH) / MgAl-LDH до и после адсорбции МО ( a ), S 2p узкая РФЭС γ-AlO (OH) / MgAl-LDH после адсорбции МО ( b ), O 1s-спектр γ-AlO (OH) / MgAl-LDH ( c ), O 1s-спектр γ-AlO (OH) / MgAl-LDH после адсорбции МО ( d )

Повторное использование адсорбента

Эффективность регенерации адсорбента γ-AlO (OH) / MgAl-LDH изучалась с помощью циклов адсорбции-десорбции. Как показано на рис. 10, адсорбционная способность γ-AlO (OH) / MgAl-LDH оставалась на уровне 762 мг / г ^-1 . после 4 циклов, а эффективность удаления осталась выше 76%. Уменьшение емкости связано с неполной десорбцией МО и потерей адсорбента при адсорбции и отмывке молекул красителя. Эти результаты показывают, что γ-AlO (OH) / MgAl-LDH можно рассматривать как эффективный и пригодный для повторного использования адсорбент для удаления МО из воды.

Характеристики цикла адсорбции γ-AlO (OH) / MgAl-LDH. Начальная концентрация МО:1000 мг л ^-1

Заключение

Композит γ-AlO (OH) / MgAl-LDH синтезирован однореакторным методом. В качестве адсорбента композит демонстрирует отличные характеристики адсорбции МО. С одной стороны, на основе эффекта «ограниченного пространства» между слоями MgAl-LDH была приготовлена ​​наноигла γ-AlO (OH). Расширение между слоями LDH приводит к большему пространству для хранения МО. On the other hand, the hydroxyl active site results in a chemical interaction between γ-AlO(OH)/MgAl-LDH and MO, which promotes the adsorption kinetics. Therefore, the γ-AlO(OH)/MgAl-LDH exhibits an excellent adsorption performance for MO, which can be completely adsorbed in 210 min at the initial concentration of 1000 mg L ⁻¹ . After 4 cycles, the regenerated adsorbent can maintain an initial adsorption capacity of more than 76%. In addition, the maximum adsorption capacity of γ-AlO(OH)/MgAl-LDH reaches 4681.40 mg g ⁻¹ according to the Langmuir adsorption model. Based on the positive zeta potential of γ-AlO(OH)/MgAl-LDH, the composite has stronger adsorption kinetics and adsorption properties for anionic dyes such as MO, Congo Red, and Acid Orange 7. These adsorbed dyes can be desorbed and reutilization, or incinerated directly. In addition, the composite is also a potential photocatalyst carrier. When the photocatalyst is loaded on γ-AlO(OH)/MgAl-LDH, the dyes will be rapidly absorbed around the catalyst, which improves the photocatalytic reaction kinetics. Therefore, γ-AlO(OH)/MgAl-LDH has great potential in water pollution treatment.

Доступность данных и материалов

The datasets generated during and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author on reasonable request.

Сокращения

DDS:

Organic anion dodecylsulfate

DI:

Deionized

FESEM:

Field-emission scanning electron microscopy

FTIR:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

HRTEM:

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения

LDHs:

Layered double hydroxides

MO:

Метиловый апельсин

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

X-ray powder diffraction

γ-AlO(OH):

Aluminum oxide hydroxide