用于钠离子吸附的非晶碳薄膜（ACTF）的表征与评价外文翻译资料

用于钠离子吸附的非晶碳薄膜（ACTF）的表征与评价

原文作者：Mahmoud Fathy1 bull; Mahmoud Ahmed Mousa2 bull; Th. Abdel Moghny1 bull; Ahmed E. Awadallah1

摘要：我们研究了非晶碳薄膜（ACTF）吸附去除水溶液中的钠离子。本文以稻秆为原料，合成了新型吸附剂ACTF，并对其结构和性能进行了探索，考察了其对水中钠离子的吸附能力。通过间歇性实验研究了pH值、接触时间和温度对ACTF上离子吸附的影响。我们发现钠吸附的接触时间和等温吸附可以用准二级动力学模型和朗缪尔等温线描述。研究结果表明，钠离子在ACTF上的吸附很强，并且取决于pH值，此外，在35、45和65℃时，钠离子在ACTF上的最大吸附容量分别为107、120和135 mg/g，热力学参数表明，钠离子在ACTF上的吸附是一个吸热的自发过程。根据吸附研究，我们发现，在脱盐过程中，ACTF可以有效地用于离子色谱或使用离子交换过程脱除钠离子，且ACTF吸附能力损失不大。与从农业副产品中获得的任何其他碳材料相比，ACTF具有更好的性能。

关键词：能力、碳、吸附、非晶、纤维素、海水淡化

引言：每年可再生的农业废弃物代表着丰富、廉价且可用的可再生纤维素物质，它们的利用正吸引着全世界越来越多的关注，尤其适用于化学改性后用于环保和工业用途的新型材料的生产。引发碳的表面调整与提高碳材料，尤其是非晶态碳的散射性能和吸附极限有关。氨基、羧基和羟基功能在与其他实用性聚集物或碳材料的第一种结构的混合物中形成复杂结构的过程中起着重要作用。

众所周知，海水被认为是良好的水源，但其盐度不允许人类食用。根据盐水分析可知，NaCl是一种主要成分，其中氯的质量约为Mg的16倍，硫的22倍，Br和K的48倍。同样，钠的质量约为Mg的9倍，硫的12倍，比K高17倍，比Br和C高180倍。尽管海水中氯化钠的质量比其他盐高得多，但仅从海水中去除氯化钠并不意味着海水可以安全饮用。

有不同的方法如反渗透（RO）可用于去除盐水中的钠离子，并且所有矿物质元素以及海水中的杂质都被去除，使其接近纯淡水；此外，从长远来看，单位体积的反渗透成本较低。

从海水中去除NaCl的过程包括吸附和分离氯化钠。与脱盐不同，吸附过程的能量需求非常小，甚至可以在重力下工作。纳米科学技术的优势体现在具有孔隙和表面结构的ACTF的制备上，这引导我们去探索吸附原理。最近，碳纳米结构（尤其是ACTF）的天然孔隙将取代嵌入聚合物膜中的孔隙，引起人们对废水中钠的吸收的关注。

混合配置包括吸附或离子交换过程中膜和离子交换过程之间的耦合程度较低的简单结构，以及串联或并联的多个脱盐过程。

海水淡化厂的负责科学家和环境科学家之间存在挑战，海水淡化厂会产生化学和热影响污染物，影响周围环境，这也是建设设计理想的海水淡化厂的第三个挑战。

这项工作的目的是评估稻草废料产生的ACTF对钠离子的吸附。为了实现这一目标，我们分析了试验条件（如接触时间、pH值和温度）对钠离子吸附过程的影响。还考虑了ACTF的吸附热力学和能量形式。

材料和方法

1、吸附剂的表征

扫描电镜的形态图像是用Carl Zeiss（德国）制作的。TEM分析是在200 kV下使用jouel2000电子显微镜进行的。X射线衍射（XRD）数据由（德国Bruker AXS）获得（Cu-ka1辐射，k=1.54059 A˚）。合成的ACTF通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱（Nicolet 8700，美国热工科学公司）和衰减全反射（ATR）单元（Zn-Se晶体，45°C）进行表征。

此外，拉曼显微镜模型（德国布鲁克SENTERRA）也用于表征ACTF，激光波长为532nm，功率为10mW。

2、硅酸钴纳米粒子的制备

将4.0 g新制备的硅酸钴在200 ml乙醇中以45°C剧烈搅拌30分钟、然后向上述悬浮液中加入40 ml水和4 ml（1.4 M）NaOH。将粉末分离并在50℃下干燥，在真空炉中加热8小时，以获得参考文献中所述的硅酸钴纳米颗粒。

3、稻草预处理

采用1%（wt/wt）硫酸将纤维素在120℃的稀酸中溶解60min，对稻草进行预处理；脱木素过程在120℃下使用1 M氢氧化钠完成60分钟。在脱木素过程中，预处理稻草中的木质素和二氧化硅都会被去除到黑液中。

4、纤维素的化学剥离

在0.1 g二氧化硅存在的情况下，将5 g纤维素添加到5 ml浓硫酸中，然后搅拌10 min。用热水冲洗滤液，直到pH值为7，并在40℃的烘箱中保持6 h。在0.01 g硅酸钴纳米颗粒存在的情况下，将制备的纤维素倒入烧瓶中，并加热至40℃，持续30 min将制备的碳纳米材料冷却1小时，并在真空烘箱中以50–70的温度干燥24小时。

5、吸附实验

为了研究吸附实验，将1mgACTF加到装有10ml钠离子溶液的瓶中，并在一定pH下置于水浴中2h；使用超声波浴保持一定的温度。使用超声波浴来维持温度。使用0.4㎛微滤膜过滤器过滤水样。最后，使用原子吸收光谱法（AAS）测定渗透的钠离子浓度。

6、吸附动力学测量

吸附动力学研究是通过将分析级氯化钠溶解在蒸馏水中，制备含有500 mg/L的钠储备溶液，然后在（25℃plusmn;02）的摇动水浴中，在恒温下向固定吸附剂剂量添加不同浓度的钠来进行的。通过手动添加0.1 M H2SO4和/或NaOH溶液，将溶液的pH值保持在规定值。

将烧瓶加盖，并以700 rpm的转速磁力搅拌240分钟，以确保平衡。在吸附期结束时，溶液通过0.45㎛的膜过滤器过滤，然后分析钠离子种类。

7、pH值的影响

测量pH值对钠的影响，在吸收过程中，pH值在2.1和12.0之间的溶液是使用氯化氢和氢氧化钠作为缓冲液.使得实验在理想pH值7下进行。

8、动力学和等温研究

在5-120min的时间范围内，研究了接触时间对ACTF吸附钠离子的影响。采用50-500mg L-1范围内的不同初始钠离子浓度进行吸附等温线实验。在35、45和65℃进行了热力学吸附实验。实验使用初始浓度和平衡浓度之间的差异用于确定吸附的Na的量。

结果和讨论

1、非晶碳薄膜的表征

1.1红外光谱分析

图1中用稻草制备的无定形碳薄膜的FTIR在3659和1100 cm-1处显示出拉伸带，表明存在OH和C=O官能团。石墨烯材料的C=C特征峰出现在1340-1700 cm-1之间，C-OH拉伸和OH弯曲振动的两个峰出现在1118 cm-1处，而原始的C-H拉伸振动带出现在2921和2852 cm-1处。1580和1636cm-1处的峰值是由于羧基的拉伸振动。光谱显示，有大量的残基，包括羟基和羧基。因此，它们在球形结构的形成中发挥着重要作用。在对照光谱中也观察到3430 cm-1处的较低强度峰值，这是由样品中的水分引起的。在对应于C–H拉伸的光谱中，还可以看到2919.2和2354.8 cm-1处的两个主峰。

图1：稻草非晶碳薄膜的红外光谱研究

1.2拉曼分析

图2中给出的ACTF的拉曼光谱显示，1592 cm-1处的G峰显著加宽；根据E2g模式的一阶散射，该峰值从1582 cm-1移动。1363 cm-1处的D带被遮蔽，显示由于广泛的氧化过程，平面内sp2畴的尺寸减小。这种变化特征表明，剥离石墨纳米颗粒氧化后，sp3的平均尺寸减小，I/Io值为0.333表明ACTF的制备非常成功，结晶度高，排便量低。

图2：稻草非晶碳薄膜的拉曼光谱分析

1.3扫描电镜分析

图3中外部非晶碳薄膜表面的SEM形态图像显示，经硅酸钴和酸性试剂化学活化的碳表面具有最佳的多孔结构，因为这个表面富含孔隙，由更均匀的碳纳米颗粒组成。与其他文献相比，我们发现，活性炭表面除了偶尔出现一些裂缝外，没有物理上的多孔结构。我们发现ACTF表面的酸性基团可以提供许多吸附位点，从而增加其对Na离子的吸附。此外，形态学图像显示ACTF相互粘附；因此，ACTF之间的空隙显著减少。根据我们最近的SEM分析，在较小尺寸的ACTF“球体”中，ACTF表面的羧基之间存在粒子间斥力，这导致导致羧基官能化的ACTF聚集体更小 。结果的这一特征表明，在污水和污水处理中，功能化ACTF可以用作吸附剂。

图3：稻草非晶碳薄膜的扫描电镜研究

1.4透射电镜分析

ACTF的TEM形态和碳材料表面的结构如图4所示。我们工作中的碳材料表现出多种形式和性质。氧化后，ACTF的TEM照片表明，ACTF的表面不光滑、不干净，乍一看结构有不可否认的变化。此外，随后的碳化和CAS法活化过程产生了不同的纳米碳，其形貌得到了很好的控制。ACTF的常见宽度被评估为40-100nm。结果表明，这种表面积增加的活性纳米碳（ACTF）有助于超级电容器的储能性能大幅提高。由于辅助缺陷，ACTF材料基本上由片材组成，这些缺陷被用来提供吸附的动态目标。同样的，ACTF表面的实用聚集区从根本上影响其吸附性能。

图4：透明非晶碳薄膜的高分辨透射电镜

1.5pH值的影响

图5显示了pH值对ACTF上Na吸附的影响。我们发现排列的pH值对ACTF上的钠吸收属性起着至关重要的作用。Na浓度在pH值为2-7时迅速排出，在pH值为7-11时缓慢排出。不同pH值下的Na离子集中是讨论吸附机制的有用前提。当pH值超过7时，钠离子的吸收变得固定，这是因为ACTF上的活性部位饱和，通过实验从所有可用的钠离子量中减去该饱和，因此这些是我们获得的可靠的钠吸收值。图5显示了Na在不同pH下ACTF的吸收。H和Na之间的竞争导致低pH下的低Na吸收。我们得出结论，pH高于3有利于酸性表面基团的电离，例如羧基和其他基团（pKa 3–6），它们在Na离子的吸收中起着重要作用。

图5：pH值对ACTF碳纳米材料吸附Na的影响

1.6动力学研究

通过对吸附的时间研究，我们发现，在pH为7的水溶液中，ACTF对钠离子的吸附在最初的60分钟非常快，足以达到吸附平衡，如图6所示。

图6：时间对ACTF吸附钠的影响（C[Na]0=500 mg L-1，m/V=100 mg L-1，pH ：6.2，T=25 C）。线性拟二级动力学模型

通过分析回归系数（R2），利用伪一级和伪二级速率吸附动力学模型的参数值来研究钠离子在ACTF上的吸附。我们发现，伪二阶参数最适合解释接触时间研究的数据。以下等式给出了伪二阶微分形式变量的分离和积分； 式中，qe和qt分别是平衡时和时间t时吸附的金属离子量（mg∙g-1）。K0（g∙mg-1∙min-1）是吸附的伪二级速率常数。

将t/qt与t作图，得出qe、K和R2的值，如（表1）所示。qe值与测试工作的结果一致。伪二级动力学教堂中的特殊形式（通常用于碳质材料去除金属离子）表明，在决定吸附过程步骤的速率中，需要载体Na和吸附剂（ACTF）的浓度。此外，我们还表明，ACTF上较慢的吸收速率表明钠离子的吸附具有较高的能量势垒。它可能是表面肤色在起作用。

表1：钠在ACTF上的吸收及其伪二级动力学参数

1.7吸附等温线研究

为了描述ACTF的吸附特性，使用了两种吸附理想化模型，即Langmuir（方程式2）和Freundlich（方程式3），其线性化形式如下：

式中，Ce是溶液中剩余金属离子的平衡浓度（mol/L）；qe是平衡后每重量单位固体吸附的金属离子数（mol/g）；qmax和b分别是与吸附容量和吸附亲和力相关的朗缪尔常数，b是一个常数，表示吸附热和吸附容量最大点之间的关系，qmax是完全覆盖单层时的吸附质量（mol/g）。当平衡浓度等于1时，吸附容量代表kf，同时平衡浓度上的吸附量代表N。

Freundlich和Langmuir吸附等温线如图7所示，吸附平衡数据与等温线模型拟合得到的等温线参数如表2所示。我们可以注意到，朗缪尔模型的R2值在所有温度下都低于弗伦德利希。我们发现，随着所观察的吸附剂温度的升高，Qmax和B值都增加。

图7：a:35、45和65℃时钠在ACTF上的Freundlich吸附等温线，b：35、45和65℃时钠在ACTF上的Langmuir吸附等温线（m/V=500 mg L-1，pH7）

表2：钠在ACTF上吸附的Langmuir和Freundlich参数

Qmax和B的高值表明，随着温度的升高，钠离子在ACTF上的吸附亲和力得以实现，这表明在较高的温度值下，功能化ACTF可能用于去除盐水或废水中的钠离子。用于吸附过程的Langmuir等温线模型没有给出钠在ACTF上吸附的细节。在65℃时，ACTF对钠离子的最大吸附量为135.45mg g-1。等温线模型的结果表明，由于初级羧基在金属阳离子上的亲和力和有效性较高，二次吸附过程的配位能力较低。在最初的吸附步骤中，金属阳离子羧基键主要涉及初级羧基，导致ACTF上烷基链的结构和柔韧性发生变化。

1.8吸附过程热力学

使用以下方程式计算吸附过程的焓（Delta;H）、吉布斯自由能（Delta;G）和熵（Delta;S）：

式中，T是温度，K和R是通用气体常数（8.314 J mol-1 K-1）。

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