Flax fiber based semicarbazide biosorbent for removal of Cr(VI) and Alizarin Red S dye from wastewater

Биосорбент на основе семикарбазида льняного волокна для удаления красителя Cr(VI) и Alizarin Red S из сточных вод

Магда А. Акл, Абдельрахман С. Эль-Зени, Мохаммед А. Хашем, Эль-Сайед Р. Х. Эль-Гаркави, Айя Г. Мостафа 

Scientific Reportsvolume 13, Article number: 8267 (2023) 

АННОТАЦИЯ

В настоящем исследовании биосорбент на основе семикарбазида на основе льняного волокна готовили в две последовательные стадии. На первом этапе льняные волокна окисляли с использованием периодата калия (KIO4) с получением диадегидной целлюлозы (DAC). Затем диальдегидную целлюлозу подвергали обратному флюсу с семикарбазидом.HCl для получения диальдегидной целлюлозы, функционализированной семикарбазидом (DAC@SC). Полученный биосорбент DAC@SC характеризовали с использованием методов Брунауэра, Эммета и Теллера (BET) и изотермы адсорбции N2, точки нулевого заряда (pHPZC), элементного анализа (C:H:N), сканирующей электронной микроскопии (SEM), инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) и рентгеноструктурного анализа (XRD). Биосорбент DAC@SC применялся для удаления ионов шестивалентного хрома (Cr(VI)) и анионного красителя alizarin red S (ARS) (по отдельности и в смеси). Экспериментальные переменные, такие как температура, рН и концентрации, были детально оптимизированы. Адсорбционная способность монослоя в модели изотермы Ленгмюра составляла 97,4 мг/г и 18,84 для Cr(VI) и ARS соответственно. Кинетика адсорбции DAC@SC показала, что процесс адсорбции соответствует кинетической модели PSO. Полученные отрицательные значения ΔG и ΔH указывают на то, что адсорбция Cr(VI) и ARS на DAC@SC является спонтанным и экзотермическим процессом. Биокомпозит DAC@SC был успешно применен для удаления Cr(VI) и ARS из синтетических сточных вод и реальных проб сточных вод с извлечением (R, %) более 90%. Приготовленный DAC@SC регенерировали с использованием 0,1 М элюента K2CO3. Был выяснен вероятный механизм адсорбции Cr(VI) и ARS на поверхности биокомпозита DAC@SC.

ВЫДЕРЖКИ:

Конопля и лён являются интересным сырьем, экологически чистым лигноцеллюлозным материалом из-за простоты производства (быстрый рост, отсутствие пестицидов), низкой стоимости, возобновляемости, особого химического состава их волокон (в основном целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина), особой структуры (многоклеточные волокна с фибриллярной структурой), физических и механических свойств, а также их универсальности. Их можно использовать в виде порошка, фрагментов, волокон и масел, поскольку все растение (семена и стебель растения) можно извлекать. Подобно другим лигноцеллюлозным волокнам или растительным волокнам, таким как джут, рами, сизаль, кенаф и бамбук, конопля и лен содержат высокое содержание целлюлозы и состоят из трех основных компонентов (целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина) и других второстепенных компонентов.

Являясь основным компонентом структуры льняного волокна, целлюлоза формирует микрофибриллы в структуре клеточной стенки, в то время как гидроксильные группы в положениях C2, C3 и C6 в мономерных звеньях целлюлозы отвечают за формирование надмолекулярной структуры с аморфными и кристаллическими участками путем создания внутримолекулярных и межмолекулярных водородных связей между цепями целлюлозы. Гемицеллюлозы, которые содержат гидрофильные гидроксильные группы, соединены с целлюлозой водородными связями и осаждаются в межфибриллярных пространствах первичной и вторичной стенок. Лигнин представляет собой сложный трехмерный полифенольный полимер с высокой молекулярной массой и низкой реакционной способностью, осаждающийся в средних пластинках и вторичной стенке. Как упоминалось ранее, эти основные структурные компоненты содержат специфические функциональные группы (гидроксильные, карбонильные и метоксильные), которые в сочетании со специфической структурой льняных волокон повышают их характеристики, особенно сорбционные свойства.

Лен был предложен для удаления Zn, Cu и Pb, кадмия, урана и Cu(II). Pejić et al. недавно сообщалось о роли целлюлозных и неклеточных функциональных групп в биосорбции ионов Pb(II) отходами льняных волокон. Кроме того, Akl et al. предложили использовать льняное волокно для удаления основного желтого 37 красителя, а недавно для удаления катионных красителей метиленового синего, кристаллического фиолетового и бриллиантово-зеленого. Liu et al. использованное льняное волокно Nano-TiO2 из самосборки для разделения масла и воды.

Настоящее исследование проводилось со следующими целями:

1.Разработка и определение характеристик катионной диальдегидной целлюлозы из льняного волокна (DAC@SC) с использованием различных инструментальных характеристик, таких как элементный анализ, SEM, TEM, FTIR, 1HNMR, XRD и TGA.

2. Эксперименты по сорбции с использованием Cr(VI) и анионного красителя (ARS) в качестве загрязняющих веществ.

3. Изучение оптимальных параметров, таких как рН, начальная концентрация красителя, доза адсорбента, температура, изотермы, термодинамика и время колебаний.

4. Сравнительная оценка эффективности удаления (R%) Cr(VI) и ARS, осуществимости и возможности повторного использования DAC@SC с другими адсорбентами.

5. Выяснение механизмов, участвующих в процессе адсорбции Cr(VI) и ARS на биокомпозите DAC@SC.

Используемые приборы

Удельную площадь поверхности биокомпозита DAC@SC определяли с помощью анализа Brunauer Emmet Teller (BET) (анализатор размеров (серия QUANTACHROME–NOVA 2000).

Точка нулевого заряда (pHPZC) - это значение pH, при котором поверхность биосорбента имеет чистый нулевой заряд. В этом исследовании pHPZC определяли с использованием метода добавления твердых веществ34. В серию стаканов с кожухом объемом 100 мл переносили 50 мл растворов KNO3 известной концентрации. Растворы с различным исходным рН (pHi) от 2 до 12 готовили добавлением либо 0,1 М HCl, либо 0,1 М NaOH. Затем в каждый раствор добавляли по одному грамму биосорбента при перемешивании в течение 48 часов. Измеряли конечный показатель pH (pHf) и строили график разницы между начальным и конечным значениями pH (ΔpH = pHi− pHf) в зависимости от pHi. Значение pHpzc - это точка, где кривая ΔpH vs pHi пересекает линию ΔpH = 0.

Оценка состава CNH для биокомпозита DAC@SC проводилась с помощью элементного анализатора Costech (ECS-4010) (Costech, Италия).

Морфологию поверхности нативного, окисленного и модифицированного биокомпозита из льняного волокна (DAC@SC) исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа (JSM-6510LV).

Размер частиц DAC@SC измеряли с помощью электронной микроскопии пропускания (TEM Talos f200i thermo scientific).

Инфракрасные спектры с преобразованием Фурье (FTIR) нативных волокон льна, DAC, биокомпозита DAC@SC и биокомпозита DAC@SC, адсорбировавшего Cr(VI) и ARS, были получены с помощью Perkin–Elmer, Spectrum RX I с использованием гранул KBr в диапазоне волновых чисел от 4000 до 450 см-1.

1Спектры HNMR приготовленных целлюлозных материалов DAC и DAC@SC измеряли в ДМСО и трифторуксусной кислоте (TFA) в NM R Lap-Национальном исследовательском центре, Докки, Египет, с использованием Joel 500 МГц, Япония.

Рентгенограммы биокомпозита DAC@SC были получены с помощью панорамноаналитического дифрактометра X'eXter PRO в диапазоне 2-тета (2θ) от 10°до 40°.

Термическую стабильность окисленного льняного волокна и биокомпозита DAC@SC исследовали методом термогравиметрического анализа (Berkin Elmer TGA 4000) при скорости нагрева 15 °C/мин от 30 до 800°C.

Двухлучевой спектрофотометр Shimadzu UV-2550 в УФ-видимом диапазоне с кварцевой ячейкой диаметром 1 см использовался для измерений Cr(VI) и ARS при λmax = 447 нм и 436 нм соответственно.

Для измерения рН растворов образцов использовали рН-метр (Hi 931401, HANNA, Португалия).

Полный текст статьи