Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола

Аннотация

В данной работе трубчатый наносульфид меди был успешно синтезирован гидротермальным методом. Физико-химические свойства полученного материала были охарактеризованы методами рентгеновской дифракции (XRD), сканирующей электронной микроскопии (SEM), проходной электронной микроскопии (TEM) и BET-анализа. Синтезированный сульфид меди использовался в качестве адсорбента для удаления 17α-этинилэстрадиола (EE2) и продемонстрировал отличные адсорбционные свойства. При 25 °C 15 мг адсорбента были применены к 50 мл раствора EE2 концентрацией 5 мг/л; адсорбционное равновесие достигалось через 180 мин, а степень адсорбции достигала почти 90%. Кроме того, кинетика, изотермическая адсорбция и термодинамика процесса были обсуждены на основе теоретических расчетов и экспериментальных результатов. Теоретическая максимальная адсорбционная емкость сульфида меди составила 147,06 мг/г. Результаты исследования показали, что сульфид меди является стабильным и эффективным адсорбентом с перспективными практическими применениями.

Введение

В последние годы, с непрерывным развитием промышленности, антропогенная деятельность причинила серьезный ущерб окружающей среде, и глобальные экологические проблемы становятся все более острыми. Среди них эндокринные дезорбиенты (EDCs), являющиеся в основном стойкими органическими загрязнителями (POPs), обладают способностью к биоаккумуляции, высокой токсичностью, низкой концентрацией и латентностью. Они могут попадать в организм человека прямо или косвенно через пищевые цепи, накапливаясь и усиливаясь в живых организмах [1, 2]. В результате исследования методов борьбы с EDC стали объектом всеобщего внимания в экологической сфере. Среди множества эндокринных дезорбиентов эстрогены и бисфеноловые соединения широко применяются в быту,其中 17α-этинилэстрадиол (EE2) является типичным представителем. EE2 обычно используется в контрацептивных препаратах и гормональной заместительной терапии. Однако исследования показывают, что EE2 может наносить серьезный вред живым организмам и человеку, вызывая такие заболевания, как нарушения репродуктивной системы, бесплодие и рак [3-7]. Поэтому вопрос об эффективном и недорогом удалении EE2 из воды особенно актуален.

На данный момент существует множество методов удаления EE2: физические (адсорбция и мембранная сепарация), биоразлагающие и химические (окислительные и фотокаталитические методы) [8-11]. Среди них адсорбционный метод имеет перспективы применения благодаря низкой стоимости, простоте и отсутствию вторичного загрязнения. До сих пор исследователи использовали биоуголь, активированный уголь, углеродные нанотрубки, графен и глину для адсорбции EE2 [12-14], но общая эффективность адсорбции остается низкой, а процесс затратен по времени. Yoon и соавт. использовали активированный уголь для адсорбции EE2 концентрацией 100 нмоль/л в воде; при дозе активированного угля 9 мг/л для полной адсорбции EE2 требовалось 24 ч [8].

Сульфид меди — важный сульфид переходного металла, который крайне трудно растворим в воде и является одним из самых нерастворимых материалов [15, 16]. Наносульфид меди широко используется в качестве фотопроводящих материалов благодаря низкой стоимости, простоте этапов синтеза, легкому контролю морфологии, малому размеру частиц, большой удельной поверхности и высокому коэффициенту фоттермического преобразования. Он также находит потенциальное применение в фотокатализаторах, термопарах, фильтрах, солнечных батареях и биомедицине [17]. В щелочной среде изоэлектрическая точка (IEP) сульфида меди велика, и его поверхность легко приобретает положительный заряд [18-20], в то время как в структуре EE2 присутствует фенольная гидроксильная группа [21], которая в водном растворе проявляет слабую кислотность и отрицательный заряд поверхности, что способствует сильной хемисорбции между ними. Следовательно, сульфид меди может адсорбировать EE2.

В данном исследовании трубчатый наносульфид меди был синтезирован гидротермальным методом. Удельная площадь поверхности синтезированного наносульфида меди составила 16,94 м²/г, а максимальная адсорбционная емкость по отношению к EE2 — 147,06 мг/г. Кристаллическая фазовая композиция, морфология и удельная площадь поверхности полученного наносульфида меди были детально изучены. Адсорбционные свойства сульфида меди по отношению к EE2 исследовались путем оптимизации pH раствора, дозы адсорбента, времени адсорбции, температуры адсорбции и начальной концентрации EE2. На основе экспериментальных данных изучались кинетическая, изотермическая и термодинамическая адсорбция EE2 на сульфиде меди.

Материалы и методы

Синтез адсорбента на основе сульфида меди

Все химические реактивы были аналитического grados и использовались без дополнительной очистки. Трубчатый наносульфид меди синтезировали гидротермальным методом. В типичной процедуре 4,8 ммоль CuCl₂·2H₂O и 4,8 ммоль CH₃CSNH₂ растворяли в 40 мл деионизированной воды и перемешивали магнитным мешалкой до образования прозрачного раствора. Затем медленно добавляли 20 мл водного раствора NaOH концентрацией 0,4 моль/л. После перемешивания в течение 5 мин смесь переносили в 100-миллилитровый автоклав с политетрафтореттиленовой втулкой из нержавеющей стали и нагревали при 160 °C в течение 6 ч. Затем автоклав естественным образом остывали до комнатной температуры. Твердый продукт центрифугировали и трижды последовательно промывали этанолом и деионизированной водой, после чего сушили при 60 °C в течение 6 ч для получения материала.

Характеризация

Кристаллическая структура материала изучалась рентгеновской дифракцией (XRD) на дифрактометре TTRIII (Rigaku, Япония) с CuKα-излучением при 40 кВ и 200 мА. Морфологию материала исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа QUANTA 200 (SEM, FEI, США) при ~20 кВ и проходного электронного микроскопа Tecnai-G20 (TEM, FEI, США). Удельная площадь поверхности наносульфида меди определялась по BET-изотерме адсорбции N₂.

Измерения адсорбции

Адсорбционный эксперимент

Определенное количество адсорбента добавляли в йодометрическую колбу, содержащую 50,00 мл раствора EE2 заданной концентрации. Колбу помещали в шейкер. При заданной температуре и скорости взбалтывания 200 об/мин смесь взбалтывали в течение определенного времени. Затем раствор быстро фильтровали через смешанный целлюлозный фильтр с пористостью 0,4 мкм для определения концентрации остаточного EE2.

Концентрация EE2 определялась методом ультравысокопроизводительной жидкостной хроматографии (UPLC, Waters, США) на длине волны детектирования 210 нм. Использовали колонку C18 (1,7 мкм, 2,1 × 50 мм) с ацетонитром/водой (55/45 об./об.) при расходе 0,35 мл/мин и объеме инъекции 7 мкл.

Адсорбционные модели

Эффективность адсорбции

Эффективность адсорбции показывает степень удаления EE2 адсорбентом. Формула расчета:

$$ \mathrm{Adsorption}(\%)=\frac{C_0-{C}_e}{C_0}\times 100\% $$ (1)

где C0 и Ce — начальная концентрация EE2 (мг/л) и концентрация в момент достижения адсорбционного равновесия (мг/л) соответственно.

Адсорбционная емкость

Равновесное количество адсорбции qe показывает количество адсорбата на единицу массы адсорбента при достижении адсорбционного равновесия, ед. изм. мг/г. Формула расчета:

$$ {q}_e=\frac{\left({C}_0-{C}_e\right)V}{m} $$ (2)

где V и m — объем раствора EE2 (мл) и доза адсорбента (мг) соответственно.

Кинетика адсорбции

Для линейной аппроксимации экспериментальных данных использовали квазипервопорядковую и квазивторопорядковую кинетические модели, что позволяет сделать простой кинетический анализ адсорбции EE2 сульфидом меди. Уравнение квазипервопорядковой кинетической модели [22]:

$$ \ln {q}_e=\ln \left({q}_e-{q}_t\right)+{K}_1t $$ (3)

где qt — количество адсорбированного EE2 адсорбентом в момент времени t, мг/г; K1 — постоянная скорости квазипервопорядковой кинетической адсорбции, мин⁻¹. Уравнение квазивторопорядковой кинетической модели [23]:

$$ \frac{t}{q_t}=\frac{1}{K_2{q}_e^2}+\frac{1}{q_e}t $$ (4)

где K2 — постоянная скорости квазивторопорядковой адсорбции, г/(мг·мин).

Изотермическая модель адсорбции

Изотермические модели адсорбции обычно используются для изучения взаимодействия между адсорбентом и адсорбатом в процессе адсорбции. Две распространенные модели: модель Лангмюра [24] и модель Фройндлиха [25].

Модель Лангмюра предполагает, что адсорбционные центры на поверхности адсорбента распределены равномерно, и адсорбат образует на поверхности адсорбента мономолекулярный адсорбционный слой. Формула:

$$ \frac{1}{q_e}=\frac{1}{q_m{k}_L}\ \frac{1}{C_e}+\frac{1}{q_m} $$ (5)

где qm — максимальная адсорбционная емкость (или насыщенное количество адсорбции) адсорбента по отношению к EE2, мг/г; kL — постоянная Лангмюра, отношение скорости адсорбции к скорости десорбции, отражающее силу адсорбции адсорбентом адсорбата, л/мг.

Модель Фройндлиха — эмпирическая формула для изучения моделей многослойной адсорбции. Выражение:

$$ \ln {q}_e=\ln {K}_F+\frac{1}{n}\ln {C}_e $$ (6)

где KF — постоянная Фройндлиха, характеризующая свойства адсорбента; n — параметр, отражающий сложность адсорбции.

Термодинамика адсорбции

Изучение адсорбционной термодинамики проводили путем исследования влияния температуры на удаление EE2, что дало более глубокое понимание внутренних энергетических изменений в процессе адсорбции (Рис. 1). Термодинамическое описание процесса адсорбции состоит из трех параметров: стандартная энергия Гиббса (ΔGθ), стандартная энтальпия (ΔHθ) и стандартное изменение энтропии (ΔSθ) [26]. Их соотношение:

$$ \Delta {G}^{\theta }=\Delta {H}^{\theta }-T\Delta {S}^{\theta } $$ (7)

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола
Химическая структура EE2

Дальнейшее преобразование формулы дает:

$$ \Delta {G}^{\theta }=- RT\ln {K}_C $$ (8)

где R — газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К)); T — температура адсорбции, К; KC — термодинамическая равновесная постоянная. Формула расчета:

$$ {K}_C=\frac{C_0-{C}_e}{C_e} $$ (9)

В итоге получаем обобщающую формулу:

$$ \ln {K}_C=-\frac{\Delta {H}^{\theta }}{RT}+\frac{\Delta {S}^{\theta }}{R} $$ (10)

Построив график зависимости lnKC от −1/T, получают линейную функцию. Значения ΔHθ и ΔSθ вычисляют из наклона и пересечения аппроксимирующей прямой.

Результаты и обсуждение

Характеризация

XRD-анализ

Химический состав и фазовая структура материалов изучались методом XRD. Как показано на Рис. 2, дифракционные пики сульфида меди при значениях 2θ 28°, 30°, 32°, 33°, 43°, 53° и 59° хорошо соответствуют кристаллическим плоскостям (101), (102), (103), (006), (110), (108) и (116) сульфида меди (JCPDS № 06-0464) [27] соответственно. Это доказывает, что в эксперименте был получен чистый фазовый наносульфид меди; других дифракционных пиков не наблюдалось, что указывает на высокую чистоту материала.

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола
XRD-спектр наносульфида меди

SEM-анализ

Морфологию наносульфида меди изучали методом сканирующей электронной микроскопии (SEM). На Рис. 3a, b приведены SEM-изображения сульфида меди при разных увеличениях. На Рис. 3a видно, что при низком увеличении сульфид меди имеет полую трубчатую структуру длиной 0,4–8,8 мкм и шириной 0,1–0,9 мкм. Рис. 3b показывает микроморфологию при более высоком увеличении: на трубчатой структуре видны наночастицы.

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола
SEM-изображения наносульфида меди

TEM-анализ

На Рис. 4 представлены проходные электронные микрографы наносульфида меди. С Рис. 4a видно, что трубчатый сульфид меди довольно однороден, диаметр трубок составляет 0,2–0,7 мкм. С Рис. 4b, c видно, что помимо синтезированного трубчатого сульфида меди, на трубчатом сульфиде меди оседают частицы (сферического) сульфида меди. Эти результаты согласуются с данными SEM. Из SEM- и TEM-изображений следует, что синтезированный сульфид меди имеет как трубчатую, так и частицу (сферическую) формы. Среди двух форм трубчатый сульфид меди составляет основную часть, тогда как частицы (сферические) — в меньшем количестве, но обе формы адсорбируют EE2.

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола
TEM-изображения сульфида меди

BET-анализ

Ориентация и форма изотермы адсорбции-десорбции N₂ позволяют определить пористую структуру и распределение размеров пор материала. Изотерма адсорбции-десорбции N₂ сульфида меди показана на Рис. 5. Согласно классификации изотерм адсорбции Бруауэра-Деминг-Теллера (BDDT) [28], она относится к типу IV; материал имеет мезопористую структуру. Обычно наличие мезопористой структуры обеспечивает больше поверхностных активных центров для адсорбции активных видов и молекул реагентов, что благоприятствует адсорбционным свойствам. Результаты BET-теста показали: размер пор сульфида меди — 18,16 нм, удельная площадь поверхности — 16,94 м²/г, объем пор — 0,083 м³/г. Такая структура и удельная площадь поверхности благоприятны для адсорбции EE2. В сочетании с данными SEM и TEM можно заключить, что синтезированный сульфид меди имеет как трубчатую, так и частицу (сферическую) формы. Следовательно, обе формы сульфида меди влияют на BET-измерения.

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола
Изотерма адсорбции-десорбции N₂ сульфида меди

Адсорбционный эксперимент

Влияние pH на адсорбцию

Влияние pH раствора на адсорбцию EE2 изучали, регулируя pH растворов с помощью NaOH и HCl. Эксперименты по адсорбции EE2 проводили в диапазоне pH 2,0–10,0 при дозе адсорбента 10 мг, начальной концентрации EE2 5 мг/л, температуре шейкера 25 °C и времени адсорбции 3 ч. Как показано на Рис. 6, при увеличении pH от 2 до 6 степень адсорбции сульфидом меди EE2 практически не менялась и составляла около 40–45%. Удивительно, но при изменении pH до 8 степень адсорбции резко возрастала и достигала 77,1%.

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола
Влияние различных pH на адсорбцию EE2 наносульфидом меди

Однако при дальнейшем повышении pH до 10 степень адсорбции снижалась до 74,9%. Возможной причиной разницы в степени адсорбции при изменении pH является то, что в щелочной среде изоэлектрическая точка (IEP) сульфида меди смещается к изоэлектрической точке гидроксида меди (IEP = 9,5) [16-18]; в этот момент IEP сульфида меди относительно велик, и его поверхность легко приобретает положительный заряд [18-20], в то время как в структуре EE2 присутствует фенольная гидроксильная группа [21], которая в водном растворе проявляет слабую кислотность и отрицательный заряд поверхности, что обеспечивает сильную хемисорбцию между ними. Когда pH раствора выше 9,5, химическая сила снижается, и степень адсорбции соответствующе уменьшается, что согласуется с экспериментальными данными.

Согласно экспериментальным данным, pH = 8 был выбран в качестве оптимального значения pH для последующих экспериментов.

Влияние дозы адсорбента на адсорбцию

Для изучения влияния разных доз адсорбента на адсорбцию EE2 сульфидом меди использовали разные дозы сульфида меди (5, 7,5, 10, 12,5, 15, 17,5 и 20 мг). Эксперименты проводили при pH = 8, начальной концентрации EE2 5 мг/л, температуре адсорбции 25 °C и времени 3 ч. Как показано на Рис. 7, при увеличении дозы адсорбента от 5 до 20 мг степень адсорбции возрастала от 54 до 98%. При низких дозах степени адсорбции были низкими из-за недостатка адсорбционных центров; с увеличением дозы адсорбционных центров становилось больше, и степень адсорбции росла. При дозе 15 мг степень адсорбции достигала почти 90%, что очень близко к значению при дозе 20 мг. Учитывая экономические и экологические аспекты, дозу 15 мг выбрали как оптимальную.

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола
Влияние дозы адсорбента сульфида меди на адсорбцию

Влияние времени адсорбции на адсорбцию

Для изучения влияния времени адсорбции на степень адсорбции EE2 сульфидом меди время адсорбции устанавливали 0, 10, 30, 60, 90, 120, 150 и 180 мин. Эксперименты проводили при pH = 8, дозе адсорбента 15 мг, начальной концентрации EE2 5 мг/л и температуре 25 °C. Как показано на Рис. 8, степень адсорбции сульфидом меди EE2 после 3 ч адсорбции достигала 89%. С увеличением времени контакта сульфида меди с EE2 степень удаления адсорбцией возрастала.

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола
Изменение степени адсорбции EE2 наносульфидом меди во времени

Влияние температуры на адсорбцию

Для обсуждения влияния температуры адсорбции на адсорбцию EE2 сульфидом меди эксперименты проводили при 25 °C, 35 °C и 45 °C. Остальные условия: pH = 8, доза адсорбента 15 мг, начальная концентрация EE2 5 мг/л, время адсорбции 3 ч. Как видно на Рис. 9, при повышении температуры от 298 до 318 К степень адсорбции возрастала от 68,32 до 97,25%. Результаты указывали на эндотермический характер реакции.

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола
Зависимость степени адсорбции от температуры

Влияние начальной концентрации EE2 на адсорбцию

На Рис. 10 показана зависимость степени адсорбции от различных начальных концентраций EE2 (1, 3, 5, 7, 9 мг/л) при дозе адсорбента 15 мг, pH = 8, 25 °C, времени адсорбции 3 ч. Из рисунка видно, что при начальных концентрациях EE2 1, 3, 5, 7 и 9 мг/л степени адсорбционного удаления сульфидом меди EE2 составляли 100%, 100%, 89,68%, 78,69% и 68,32% соответственно. С ростом начальной концентрации EE2 степень адсорбционного удаления сульфидом меди постепенно снижалась. Когда начальная концентрация EE2 превышала 3 мг/л, степень адсорбции уменьшалась из-за ограниченного количества катализатора, который не мог обеспечить достаточно активных центров для высокой концентрации EE2.

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола
Влияние начальной концентрации EE2 на степень адсорбции

Адсорбционная стабильность

Для исследования стабильности синтезированного наносульфида меди проводили циклы адсорбции EE2 на сульфиде меди при начальной концентрации EE2 5 мг/л, дозе адсорбента 15 мг, pH 8, температуре 25 °C и времени адсорбции 3 ч. После каждого цикла адсорбента центрифугировали с водным раствором EE2, промывали по шесть раз последовательно этанолом и водой, сушили и повторно использовали в следующем цикле. С Рис. 11a видно, что с увеличением числа циклов степень адсорбции незначительно снижалась, но все равно превышала 85%. На Рис. 11b показаны XRD-спектры сульфида меди до и после пяти циклов. Фазовый состав сульфида меди до и после циклов незначительно изменился, и в отмеченных местах на спектрах появились два примесных пика, что может быть причиной снижения степени адсорбции после циклов. С Рис. 11c, d (SEM и TEM сульфида меди) видно, что морфология сульфида меди после пяти циклов не изменилась и все еще представлена трубчатыми и гранулярными (сферическими) формами.

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола
Эксперименты по повторяемости адсорбции EE2 сульфидом меди (a); XRD-спектры CuS, использованного CuS (b); SEM-изображение использованного CuS (c); TEM-изображение использованного CuS (d)

Механизм адсорбции

Кинетический эксперимент

На Рис. 12a показано изменение количества адсорбированного EE2 сульфидом меди со временем. Видно, что количество адсорбции постепенно увеличивалось со временем, но темп изменения постепенно снижался. На Рис. 12b, c представлены аппроксимации по квазипервопорядковой и квазивторопорядковой кинетическим моделям адсорбции EE2 сульфидом меди. Таблица 1 содержит соответствующие параметры кинетических моделей. Уравнение квазипервопорядковой кинетики получали, строя график ln(qe−qt) от t, где K1 — наклон. Уравнение квазивторопорядковой кинетики получали, строя график t/qt от t, где K2 вычисляли по пересечению. Как показано в Таблице 1, коэффициент детерминации R² квазипервопорядковой кинетики составил 0,9784, а квазивторопорядковой модели — 0,9916, что указывает на лучшую линейную связь. Следовательно, адсорбция EE2 сульфидом меди лучше описывается квазивторопорядковой кинетической моделью. Кроме того, сравнивая теоретическое равновесное количество адсорбции (qe,cal), рассчитанное по теоретическому уравнению, и экспериментально полученное количество адсорбции (qe,exp), их значения в квазивторопорядковой модели были ближе. Таким образом, процесс адсорбции EE2 сульфидом меди соответствует квазивторопорядковой кинетической модели.

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола
Изменение адсорбции сульфида меди во времени (a), квазипервопорядковая кинетическая модель (b) и квазивторопорядковая кинетическая модель (c) адсорбции EE2 сульфидом меди

Изотермический эксперимент адсорбции

На Рис. 13a показана изотермическая кривая адсорбции сульфида меди при 298 К. Видно, что чем выше концентрация EE2, тем больше количество адсорбции. На Рис. 13b, c приведены кривые аппроксимации изотерм Лангмюра и Фройндлиха для адсорбции EE2 сульфидом меди. Таблица 2 содержит соответствующие параметры моделей Лангмюра и Фройндлиха. Модель Лангмюра строили как график 1/qe от 1/Ce; qm получали из пересечения аппроксимирующей прямой, а KL — из наклона. Модель Фройндлиха строили как график lnCe от lnqe; KF было пересечением прямой, а 1/n — наклоном. Из параметров в Таблице 2 видно, что линейный коэффициент корреляции модели Лангмюра был выше, что указывает на то, что адсорбция EE2 сульфидом меди лучше соответствует модели Лангмюра, а теоретическая максимальная адсорбционная емкость qm сульфида меди может достигать 147,06 мг/г.

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола
Изотермическая кривая при 298 К (a), аппроксимация по модели Лангмюра (b) и модели Фройндлиха (c) адсорбции EE2 сульфидом меди

Термодинамический эксперимент

Как показано на Рис. 14, в эксперименте проводили линейную аппроксимацию по lnKC к −1/T и получали уравнение lnKC = 1268,1(−1/T) + 43,37. ΔHθ определяли из наклона аппроксимирующей прямой, а ΔSθ — из пересечения. Затем ΔGθ при 298 К, 308 К и 318 К рассчитывали по формуле (7); экспериментальные результаты приведены в Таблице 3. Из таблицы видно, что энергия Гиббса (ΔGθ) адсорбции EE2 сульфидом меди была отрицательной, термодинамическая энтальпия (ΔHθ) — положительной, энтропия (ΔSθ) — положительной, что указывает на то, что адсорбция является спонтанным эндотермическим процессом с увеличением энтропии. Согласно литературе, процесс адсорбции со значением ΔGθ между −20 и 0 кДж/моль относится к физической адсорбции, а между −400 и −80 кДж/моль — к химической адсорбции [29]. В Таблице 3 видно, что значение ΔGθ, рассчитанное по термодинамическим экспериментальным данным, составляло −1,84 кДж/моль (298 К), −5,44 кДж/моль (308 К), −9,04 кДж/моль (318 К). Следовательно, адсорбция EE2 сульфидом меди относится к физической адсорбции. В процессе адсорбции абсолютные значения теплоты адсорбции, вызванные различными адсорбционными силами, составляли [30, 31]: 4–10 кДж/моль для сил ван-дер-Ваальса, 5 кДж/моль для гидрофобных взаимодействий, 2–40 кДж/моль для водородных связей и более 60 кДж/моль для хемисорбционных взаимодействий. Термодинамическая энтальпия (ΔHθ = 105,44 кДж/моль), полученная из эксперимента, указывала на то, что адсорбция сульфида меди на EE2 имеет характеристики химической адсорбции. Из Таблицы 3 видно, что ΔSθ > 0, что указывает на то, что процесс адсорбции сульфида меди на EE2 был процессом, увеличивающим хаотичность растворительной системы.

Наносульфид меди, синтезированный гидротермальным методом: высокое адсорбционное поглощение 17α-этинилэстрадиола
Термодинамическая аппроксимация адсорбции EE2 сульфидом меди

Заключение

В данной работе трубчатый наносульфид меди был синтезирован гидротермальным методом. Синтезированный сульфид меди использовался в качестве адсорбента для 17α-этинилэстрадиола (EE2) и проявил отличные адсорбционные свойства. При 25 °C 15 мг адсорбента применяли к 50 мл раствора EE2 концентрацией 5 мг/л; адсорбционное равновесие достигалось через 180 мин, а степень адсорбции достигала почти 90%. Механизм адсорбции материала сульфида меди соответствовал квазивторопорядковой кинетической модели. Изотермическая модель адсорбции согласовывалась с моделью Лангмюра, а теоретическая максимальная адсорбционная емкость сульфида меди достигала 147,06 мг/г. Термодинамическое моделирование показало, что энергия Гиббса ΔGθ адсорбции EE2 сульфидом меди была меньше 0, термодинамическая энтальпия ΔHθ — больше 0, термодинамическая энтропия ΔSθ — больше 0, что указывает на то, что весь процесс адсорбции был спонтанным эндотермическим процессом с увеличением энтропии. Изучив значения изменения термодинамической энтальпии ΔHθ и изменения энергии Гиббса ΔGθ, обнаружили, что в процессе адсорбции происходили и химическая, и физическая адсорбция. Более того, синтезированный наносульфид меди адсорбент был достаточно стабилен в изученных условиях. Адсорбция EE2 наносульфидом меди адсорбентом является реализуемой и эффективной.

Доступность данных и материалов

Все данные, подтверждающие выводы данной статьи, включены в саму статью.

Аббревиатуры

BDDT:
Brunauer-Deming-Teller
BET:
Измерения по Бруауэру-Эммету-Теллеру
EDCs:
Эндокринные дезорбиенты
EE2:
17α-Этинилэстрадиол
IEP:
Изоэлектрическая точка
POPs:
Стойкие органические загрязнители
SEM:
Сканирующий электронный микроскоп
TEM:
Проходной электронный микроскоп
UPLC:
Ультравысокопроизводительная жидкостная хроматография
XRD:
Рентгеновская дифракция

Наноматериалы

  1. Топ-10 свойств алюминия и их промышленные применения
  2. Алюминий 6061: исключительная коррозионная стойкость и универсальные применения
  3. Кобальт-допированные FeMn₂O₄ спинелльные наночастицы: размер-контролируемый синтез и магнитное поведение
  4. Нанофлюиды TiO₂: Часть 1 – Приготовление и ключевые свойства
  5. Целлюлоза-POSS-Силица/Золото ядро-оболочка гибридные нанокомпозиты: одношаговый соль-гелевый синтез и мультиф…
  6. Быстрые электроспиннированные нановолокна SrTiO₃-модифицированного рутильного TiO₂: усиленное UV-фотоctalитическо…
  7. PEG-покрытые золотые нанозвезды: безопасный высококонтрастный агент для КТ с быстрой почечной очисткой
  8. Au@TiO₂ ядро-оболочка наноструктуры: адаптированный синтез и их превосходная видимо-световая фото каталитическ…
  9. Ионно-импринтированные полимерные наносферы с палладием(II) для эффективного удаления Pd(II) из воды
  10. Водорастворимые квантовые точки сульфида сурьмы: эффективный синтез и выдающиеся фотоэлектрические свойств…