具有优异吸附性能的γ-AlO(OH)/MgAl-LDH异质结构的空间受限一锅法合成
摘要
在此,γ-AlO(OH)作为无机物通过一锅合成成功地插入到MgAl-LDH层中,该复合物作为吸附剂去除废水中的甲基橙(MO)。表征了γ-AlO(OH)/MgAl-LDH的结构和吸附性能。研究表明,γ-AlO(OH)/MgAl-LDH 的膨胀(003)面和羟基活性位点可以分别促进吸附容量和吸附动力学。因此,γ-AlO(OH)/MgAl-LDH表现出超强的吸附性能,在1000 mg g
-1
浓度下完全吸附MO .此外,MO的最大吸附量为4681.40 mg g
-1
根据朗缪尔模型。这些结果表明γ-AlO(OH)/MgAl-LDH是一种潜在的去除水中有机染料的吸附剂。
介绍
有机染料广泛应用于纺织品、皮革、油漆和橡胶等许多产品中 [1,2,3]。这些染料很容易排放到水中[4],造成严重的环境问题,如危害水生生物、消耗溶解氧和污染水体[3、5]。此外,大多数有机染料具有高极性、非挥发性且难以生物降解。据观察,染料废水严重危害人类健康。因此,染料废水的处理是一项紧迫的任务。目前,染料废水的处理大多采用物理吸附、光催化、生物和化学氧化、絮凝和膜分离[4, 6]。其中,物理吸附法由于具有选择性富集某些化合物的能力,在废水处理领域具有特殊的地位。此外,该吸附法具有吸附效果好、操作简单、适用范围广等特点,已广泛应用于染料废水处理领域[7, 8]。
层状双氢氧化物 (LDH) 是一种常见的阴离子粘土,由类水镁石层组成 [9]。其通式可表示为[M
2+
1 - x M
3+
x (OH)2][(A
n -
)x /n ]·yH2O,其中M
2+
, M
3+
, 和 A
n -
代表二价阳离子、三价阳离子和n -价阴离子,分别[10]。 LDH具有高阴离子交换容量和大表面积,对染料具有优良的吸附性能。例如,拉菲等人。共沉淀法制备MgAl-LDH;吸附剂对刚果红的吸附量达到111.111 mg g
-1
[11]。郑等人。也通过共沉淀法制备了Zn-Mg-Al LDH,吸附容量高达883.24 mg g
-1
甲基橙在 pH =3 的条件下 [12]。显然,对于LDH吸附剂,大多数研究人员专注于追求高离子交换容量和大比表面积。不幸的是,LDHs 的纳米化并非没有限制。近年来,研究人员发现有机或无机插入LDH层可以增加LDH的吸附能力。例如,曼达尔等人。在LDH层之间插入海藻酸钠以形成复合吸附剂。海藻酸钠有助于扩大 LDH 的层间空间并增加吸附剂对橙色 II 染料的吸附能力 [13]。布鲁纳等人。合成有机/LDH(有机阴离子十二烷基硫酸盐(DDS)插入MgAl-LDH)作为水和土壤-水系统中多环芳烃的吸附剂[14]。因此,通过在 LDH 层之间插入化合物来设计吸附剂是一个好主意。氢氧化铝 (γ-AlO(OH)) 是一种很好的废水处理吸附剂,因为它具有高比表面积和大量的表面羟基 [15, 16]。因此,γ-AlO(OH)是一种潜在的MgAl-LDH无机插层材料。
本文通过水热法成功地将γ-AlO(OH)插入到MgAl-LDH中。这种复合材料对甲基橙 (MO) 表现出优异的吸附性能。采用X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜( TEM) 和高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM)。通过对MO的吸附评价复合材料的吸附性能,并对γ-AlO(OH)与MgAl-LDH的协同作用机理进行了深入研究。
方法
γ-Al2O(OH)/MgAl-LDH 的制备
所有化学试剂均为分析纯,无需进一步纯化即可使用。 γ-AlO(OH)/MgAl-LDH复合材料采用水热法制备。在典型的合成中,将 Mg(NO3)2·6H2O (4.615 g) 和 Al(NO3)3·9H2O (3.376 g) 溶解在 50 mL 去离子 (DI) 水(Mili-Q,18.2 MΩ)中形成溶液1.将NaOH(2.516g)溶解在25mL脱气去离子水中,从而产生溶液2。将溶液1和2滴加到装有25mL去离子水的反应容器中,在恒定pH值10和温度60℃下剧烈搅拌。然后,将所得浆液在140°C的水热条件下进一步处理10小时并冷却至室温。 γ-AlO(OH)/MgAl-LDH 用去离子水洗涤数次,并在真空冷冻干燥机中冻干。为了比较,通过相同的水热处理(140 °C,10 h)制备了纯MgAl-LDH和γ-AlO(OH)。
特征化
通过粉末 X 射线衍射 (XRD; X'Pert PRO PANalytical) 在 2θ 波长为 0.15406 nm 的 Cu Kα 辐射范围为 5–80°。样品的表面形态通过 FESEM (S4800) 在 5 kV 下成像。样品的微观结构通过 HRTEM (JEM-2100F) 在 200 kV 下进行分析。在 4000–400 cm
-1
范围内记录了红外光谱 使用光学分辨率为 4 cm
−1
的 FTIR 光谱仪(NEXUS 470,Nicolet 仪器) 和100 im的孔径尺寸。使用 NOVA-1200e 仪器在 - 196 °C 下进行表面和孔隙率定量的氮吸附-解吸实验。在分析之前,样品在真空下在 80°C 下预处理 12 小时。 X 射线光电子能谱(XPS;ESCALAB 250Xi)测量是使用 Al Kα 辐射进行的。测量光谱扫描的能量为 100 eV,步长为 1 eV。高分辨率扫描的能量为 20 eV,步长为 0.1 eV。测试真空度为10
-10
毫巴。使用配备积分球的 UV-3600 分光光度计获得不同样品的 UV-Vis 吸收光谱。材料的光致发光光谱由荧光分光光度计(VARIAN)测得。
吸附实验
测试样品对水溶液中甲基橙(MO)的吸附性能。将 50 毫克样品放入 50 毫升的 1000 毫克 L
-1
磁力搅拌下的 MO 溶液。使用 0.1 M HNO3 酸或 1 M NaOH 溶液调节溶液的 pH 值。适当时间后,从悬浮液中取出水样 (3 mL)。通过离心获得上清液,并使用紫外-可见分光光度计(UV-3600)测量溶液的浓度。平衡吸附量(q e (mg g
−1
)) 和瞬时吸附量 (q t (mg g
−1
)) 的计算公式如下:
$$ {q}_t=\frac{\left({C}_0-{C}_t\right)V}{m}\kern35em (1) $$$$ {q}_e=\frac{\left( {C}_0-{C}_e\right)V}{m}\kern35.25em (2) $$
其中 C 0 (mg L
−1
) 是初始 MO 浓度; C e (mg L
−1
) 和 C t (mg L
−1
) 是平衡时和 t 时的 MO 浓度 (min) 分别; V (L) 是溶液的体积;和 m (g) 是吸附剂的质量。
解吸实验
使用去离子水作为干扰剂进行 MO 的解吸实验。用水轻轻洗涤 50 毫克部分使用过的样品,以去除任何未受干扰的 MO。此外,将装载的 MO 样品与乙醇溶液一起剧烈搅拌并离心。离心后,将获得的样品冻干。然后,对所得粉末样品进行连续的吸附-解吸循环。
结果与讨论
合成样品的表征
合成样品的 XRD 图如图 1a 所示。对于γ-AlO(OH)/MgAl-LDH,观察到主要衍射峰位于10.09°、19.95°、34.40°、60.56°和61.48°,对应于(003)、(006)、分别为 MgAl-LDH(JPCDS No. 89-0460)的 (012)、(110) 和 (113) 平面。此外,在 14.1°、27.9°、38.1° 和 48.9° 处的峰可归因于 γ-AlO(OH) (JPCDS) 的(020)、(120)、(031)和(051)衍射面第 21-1307 号),分别。该结果表明 γ-AlO(OH)/MgAl-LDH 复合材料具有 MgAl-LDH 和 γ-AlO(OH) 相。此外,为了比较,MgAl-LDH 的 (003) 面位于 2θ =11.63°,表明当 γ-AlO(OH) 插入 MgAl-LDH 时,(003) 面的间距从 7.6 Å (2θ =11.63°) 到 8.77 Å (2θ =10.09°)。晶胞参数如表1所示。观察到MgAl-LDH和γ-Al2O(OH)/MgAl-LDH的“a”轴没有变化。
结论
采用一锅法合成了γ-AlO(OH)/MgAl-LDH的复合材料。作为吸附剂,该复合材料对 MO 表现出优异的吸附性能。一方面,基于“空间受限”效应,在MgAl-LDH层之间制备了γ-AlO(OH)纳米针。 LDH 层之间的扩展导致更多的空间用于存储 MO。另一方面,羟基活性位点导致 γ-AlO(OH)/MgAl-LDH 和 MO 之间的化学相互作用,从而促进吸附动力学。因此,γ-AlO(OH)/MgAl-LDH对MO表现出优异的吸附性能,初始浓度为1000 mg L
-1
时,可在210 min内完全吸附MO。 . 4次循环后,再生后的吸附剂可保持76%以上的初始吸附容量。此外,γ-AlO(OH)/MgAl-LDH的最大吸附容量达到4681.40 mg g
-1
根据朗缪尔吸附模型。基于γ-AlO(OH)/MgAl-LDH的正zeta电位,该复合物对MO、刚果红和酸性橙7等阴离子染料具有更强的吸附动力学和吸附性能。这些吸附的染料可以解吸和再利用,或直接焚化。此外,该复合材料还是一种潜在的光催化剂载体。当光催化剂负载在 γ-AlO(OH)/MgAl-LDH 上时,染料会迅速吸附在催化剂周围,从而改善光催化反应动力学。因此,γ-AlO(OH)/MgAl-LDH在水污染治理方面具有巨大的潜力。
数据和材料的可用性
在当前研究期间生成和/或分析的数据集可根据合理要求从相应作者处获得。
缩写
- DDS:
-
有机阴离子十二烷基硫酸盐
- DI:
-
去离子
- FESEM:
-
场发射扫描电子显微镜
- FTIR:
-
傅里叶变换红外光谱
- HRTEM:
-
高分辨透射电子显微镜
- LDHs:
-
层状双氢氧化物
- MO:
-
甲基橙
- TEM:
-
透射电子显微镜
- XPS:
-
X射线光电子能谱
- XRD:
-
X射线粉末衍射
- γ-Al2O(OH):
-
氢氧化铝