Adsorption of methylene blue and malachite green from aqueous solutions on mesoporous carbon-nickel and carbon-zinc composites

• Autorzy: Jedynak K.

Identyfikatory

DOI

10.17512/ios.2017.1.4

Warianty tytułu

PL

Adsorpcja błękitu metylenowego i zieleni malachitowej z roztworów wodnych na mezoporowatych kompozytach węglowo-niklowych i węglowo-cynkowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this work adsorption of methylene blue and malachite green on mesoporous carbon-nickel and carbon-zinc composites (ST-A-Ni, ST-A-Ni(NO₃)₂-imp and ST-A-Zn, ST-A-Zn(NO₃)₂-imp) were investigated. These materials were obtained by the soft-templating method in presence of various precursors containing nickel or zinc. Nanoparticles of nickel or zinc and solutions of nickel nitrate(V) or zinc nitrate(V) were used as a source of nickel and zinc. Low-temperature nitrogen adsorption isotherms were determined for investigated materials and they were used for porous structure parameters calculation. Obtained isotherms can be classified as IV-type in order to IUPAC classification. Adsorbents have large surface area SBET: 674 m²/g (ST-A-Ni), 651 m²/g (ST-A-Ni(NO₃)₂-imp) and 511 m²/g (ST-A-Zn), 654 m²/g (ST-A-Zn(NO₃)₂-imp), large total volume of pores Vt: 0.65 cm³/g (ST-A-Ni), 0.63 cm³/g (ST-A-Ni(NO₃)₂-imp) and 0.32 cm³/g (ST-A-Zn), 0.64 cm³/g (ST-A-Zn(NO₃)₂-imp). Participation of mesoporosity in the total porosity of carbon composites is from approx. 44% to approx. 78%. This means that studied carbons are in fact mesoporous materials, with considerable domination of mesoporosity over the microporosity. The exception is composite ST-A-Zn were the microporosity value is a little bit higher than mesoporosity. The mesopores dimension for the maximum of the distribution function (in the range of mesopores) was determined by Kruk-Jaroniec-Sayari (KJS) method. This dimension was approx. 7 nm for all investigated adsorbents. SEM photos confirmed the presence of ordered mesopores, particularly in materials obtained as a result of zinc nitrate impregnation. Also the presence of nickel nanoparticles, with different dimensions and shapes (ST-A-Ni), was confirmed by SEM photos. The concentrations of adsorbates, before and after adsorption, were determined by spectrophotometric method. Adsorption experiments were carried out at 25°C temperature. The adsorption equilibrium for investigated in this work mesoporous compositions (carbon-metal-composite - colorant solution) was settled after 90 minutes (ST-A-Ni(NO₃)₂-imp-MB and ST-A-Zn(NO₃)₂-imp-MB), after 120 minutes (ST-A-Ni-MB), after 240 minutes (ST-A-Ni-MG) and for the rest of investigated compositions after 360 minutes. The studies of adsorption process velocity showed that in most cases adsorption kinetics proceeded according to pseudo II-order reaction model. Only in one case according to pseudo I-order reaction model: for ST-A-Zn (malachite green). Obtained adsorption isotherms were substituted into the Langmuir equation and Freundlich equation. Adsorption process of methylene blue and malachite green on all studied carbon-metal composites proceed in accordance to adsorption model described by Langmuir equation. Adsorption ability of studied mesoporous carbon materials is significantly higher for methylene blue than for malachite green. The best adsorbent for methylene blue was carbon ST-A-Zn(NO₃)₂-imp (q_m = 104.17 mg/g), the worst adsorbent was carbon ST-A-Zn (q_m = 6.65 mg/g). In the case of malachite green the best adsorbent was carbon ST-A-Ni (q_m = 58.82 mg/g) and the worst adsorbent was carbon ST-A-Zn (q_m = 4.25 mg/g). On the basis of K constant from Langmuir equation the value of free enthalpy BG was calculated. Obtained values change in the range from –28.06 to –36.78 kJ/mol. Negative values of BG mean that investigated process is spontaneous.

PL

W pracy zbadano adsorpcję błękitu metylenowego i zieleni malachitowej na mezoporowatych kompozytach węglowo-niklowych oraz węglowo-cynkowych (ST-A-Ni, ST-A-Ni(NO₃)₂-imp oraz ST-A-Zn, ST-A-Zn(NO₃)₂-imp). Materiały te otrzymano metodą miękkiego odwzorowania w obecności różnych prekursorów zawierających nikiel lub cynk. Nanocząstek niklu lub cynku oraz roztworów azotanu(V) niklu lub azotanu(V) cynku użyto jako źródeł niklu lub cynku. Dla badanych adsorbentów wyznaczono niskotemperaturowe izotermy adsorpcji azotu, które posłużyły do obliczenia parametrów struktury porowatej. Otrzymane izotermy można zaliczyć do IV typu zgodnie z klasyfikacją UPAC. Adsorbenty charakteryzują się dużą powierzchnią właściwą SBET: 674 m²/g (ST-A-Ni), 651 m²/g (ST-A-Ni(NO₃)₂-imp) oraz 511 m²/g (ST-A-Zn), 654 m²/g (ST-A-Zn(NO₃)₂-imp), dużą całkowitą objętością porów Vt: 0,65 cm³/g (ST-A-Ni), 0,63 cm³/g (ST-A-Ni(NO₃)₂-imp) oraz 0,32 cm³/g (ST-A-Zn), 0,64 cm³/g (ST-A-Zn(NO₃)₂-imp). Udział mezoporowatości w całkowitej porowatości kompozytów węglowych wynosi od ok. 44% do ok. 78%. Oznacza to, że rzeczywiście badane węgle są mezoporowate ze znaczną przewagą mezoporowatości nad mikroporowatością, z wyjątkiem kompozytu ST-A-Zn, który ma nieco bardziej rozwiniętą mikroporowatość. Wymiar mezoporów dla maksimum funkcji rozkładu (w przedziale mezoporów) wyznaczono metodą Kruka-Jarońca-Sayari (KJS). Dla wszystkich badanych adsorbentów wymiar ten wynosił ok. 7 nm. Zdjęcia SEM potwierdziły występowanie uporządkowanych mezoporów, szczególnie w materiałach otrzymanych w wyniku impregnacji azotanem cynku, a także obecność na powierzchni węgla nanocząstek np. niklu o różnych wymiarach i kształtach (ST-A-Ni). Stężenia adsorbatów przed i po adsorpcji wyznaczano metodą spektrofotometryczną. Badania adsorpcyjne prowadzono w temperaturze 25oC. Równowaga adsorpcyjna dla badanych w pracy układów mezoporowaty kompozyt węglowo-metaliczny - roztwór barwnika ustaliła się po 90 minutach (ST-A-Ni(NO₃)₂-imp-MB i ST-A-Zn(NO₃)₂-imp-MB), po 120 minutach (ST-A-Ni-MB), po 240 minutach (ST-A-Ni-MG) oraz dla pozostałych czterech przypadków po 360 minutach. Badania szybkości procesu adsorpcji wykazały, że w większości przypadków kinetyka adsorpcji przebiegała zgodnie z modelem reakcji pseudo II-rzędu, w jednym tylko przypadku zgodnie z modelem pseudo I-rzędu: ST-A-Zn (zieleń malachitowa). Otrzymane izotermy adsorpcji podstawiono do równania Langmuira i równania Freundlicha. Proces adsorpcji błękitu metylenowego oraz zieleni malachitowej na wszystkich badanych kompozytach węglowo-metalicznych zachodzi zgodnie z modelem adsorpcji opisanym przez równanie Langmuira. Zdolność adsorpcyjna badanych mezoporowatych materiałów węglowych jest znacznie większa w stosunku do błękitu metylenowego niż zieleni malachitowej. Najlepszym adsorbentem w stosunku do błękitu metylenowego był węgiel ST-A-Zn(NO₃)₂-imp (q_m = 104,17 mg/g), a najsłabszym węgiel ST-A-Zn (q_m = 6,65 mg/g). W przypadku zieleni malachitowej najlepszym adsorbentem był węgiel ST-A-Ni (q_m = 58,82 mg/g), a najsłabszym węgiel ST-A-Zn (q_m = 4,25 mg/g). Na podstawie stałej K z równania Langmuira obliczono wartość entalpii swobodnej BG. Otrzymane wartości zmieniają się w granicach od –28,06 do –36,78 kJ/mol. Ujemne wartości BG świadczą o tym, że badany proces to proces samorzutny.

Słowa kluczowe

EN

methylene blue; malachite green; adsorption; mesoporous carbon-nickel composites; mesoporous carbon-zinc composites

PL

błękit metylenowy; zieleń malachitowa; adsorpcja; mezoporowate kompozyty węglowo-niklowe; mezoporowate kompozyty węglowo-cynkowe

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 20, nr 1
• Strony: 43--57
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz.

Twórcy

autor

Jedynak K.

• Jan Kochanowski University, Institute of Chemistry, ul. Świętokrzyska 15G, 25-406 Kielce, Poland

Bibliografia

• [1] White R.J., Luque R., Budarin V.L., Clark J.H., Macquarrie D.J., Supported metal nanoparticles on porous materials. Methods and applications, Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 481-494.
• [2] Wang X., Dai S., A simple method to ordered mesoporous carbons containing nickel nanoparticles, Adsorption 2009, 15, 138-144.
• [3] Chen L., Ma D., Pietruszka B., Bao X., Carbon-supported silver catalysts for CO selective oxidation in excess hydrogen, J. Nat. Gas Chem. 2006, 15, 181-190.
• [4] Sun J., Bao X., Textural manipulation of mesoporous materials for hosting of metallic nanocatalysts, Chem. Eur. J. 2008, 14, 7478-7488.
• [5] Choma J., Jedynak K., Jaroniec M., Otrzymywanie i właściwości uporządkowanych mezoporowatych węgli z nanocząstkami metali i tlenków metali, Biul. WAT 2012, 61, 2, 197-231.
• [6] Peng X., Huang D., Odoom-Wubah T., Fu D., Huang J., Qin Q., Adsorption of anionic and cationic dyes on ferromagnetic ordered mesoporous carbon from aqueous solution: Equilibrium, thermodynamic and kinetics, J. Col. Inter. Sci. 2014, 430, 272-282.
• [7] Liu Y., Zeng G., Tang L., Cai Y., Pang Y., Zhang Y., Yang G., Zhou Y., He X., He Y., Highly effective adsorption of cationic and anionic dyes on magnetic Fe/Ni nanoparticles doped bimodal mesoporous, J. Col. Inter. Sci. 2015, 448, 451-459.
• [8] Ghaedi M., Golestani Nasab A., Khodadoust S., Sahraei R., Daneshfar A., Characterization of zinc oxide nanorods loaded on activated carbon as cheap and efficient adsorbent for removal of methylene blue, J. Ind. Eng. Chem. 2015, 21, 986-993.
• [9] Han X., Niu X., Ma X., Adsorption characteristics of methylene blue on poplar leaf in batch mode: Equilibrium, kinetics and thermodynamics, Korean J. Chem. Eng. 2012, 29, 494-502.
• [10] Soni A., Tiwari A., Bajpai A.K., Removal of malachite green from aqueous solution using nano-iron oxide-loaded alginate microspheres: batch and column studies, Res. Chem. Intermed. 2014, 40, 913-930.
• [11] Simonetti E.A.N., Cividanes L.S., Campos T.M.B., Canuto de Menezes B.R., Brito F.S., Thim G.P., Carbon and TiO2 synergistic effect on methylene blue adsorption, Mater. Chem. Phys. 2016, 177, 330-338.
• [12] Makarchuk O.V., Dontsova T.A., Astrelin I.M., Magnetic nanocomposites as efficient sorption materials for removing dyes from aqueous solutions, Nanoscale Res. Lett. 2016, 11, 161, 1-7.
• [13] Dai M., Vogt B.D., High capacity magnetic mesoporous carbon-cobalt composite adsorbents for removal of methylene green from aqueous solutions, J. Col. Inter. Sci. 2012, 387, 127-134.
• [14] Ghaedi M., Ansari A., Habibi M.H., Asghari A.R., Removal of malachite green from aqueous solution by zinc oxide nanoparticle loaded on activated carbon: Kinetics and isotherm study, J. Ind. Eng. Chem. 2014, 20, 17-28.
• [15] Rinku J., Shripal S., Hemant P., Removal of Malachite green dye from aqueous solution using magnetic activated carbon, Res. J. Chem. Sci. 2015, 5, 12, 38-43.
• [16] Qin H., Huang Y., Liu S., Fang Y., Li X., Kang S., Synthesis and properties of magnetic carbon nanocages particles for dye removal, J. Nanomater. 2015, Article ID 604201, 1-8.
• [17] Santos D.C., Adebayo M.A., Pereira S.F.P., Prola L.D.T., Cataluña R., Lima E.C., Saucier C., Gally C.R., Machado F.M., New carbon composite adsorbents for the removal of textile dyes from aqueous solutions: Kinetic, equilibrium, and thermodynamic studies, Korean J. Chem. Eng. 2014, 31, 8, 1470-1479.
• [18] Choma J., Jedynak K., Marszewski M., Jaroniec M., Polymer-templated mesoporous carbons synthesized in the presence of nickel nanoparticles, nickel oxide nanoparticles, and nickel nitrate, Appl. Surf. Sci. 2012, 258, 3763-3770.
• [19] Choma J., Jedynak K., Marszewski M., Jaroniec M., Morfologia i właściwości adsorpcyjne mezoporowatych węgli otrzymywanych metodą miękkiego odwzorowania z użyciem azotanu cynku oraz nanocząstek cynku i tlenku cynku, Biul. WAT 2012, 61, 4, 265-280.
• [20] Brunauer S., Emmett P.H., Teller E., Adsorption of gases in multimolecular layers, J. Am. Chem. Soc. 1938, 60, 309-319.
• [21] Geegg S.J., Sing K.S.W., Adsorption, Surface Area and Porosity, 2nd Ed., Academic Press, New York 1982.
• [22] Jaroniec M., Kaneko K., Physicochemical foundations for characterization of adsorbents by using high-resolution comparative plots, Langmuir 1997, 13, 6589-6596.
• [23] Choma J., Jaroniec M., Nowe metody opisu struktury porowatej węgli aktywnych na podstawie danych adsorpcyjnych, Ochr. Środ. 1999, 21, 3, 13-17.
• [24] Kruk M., Jaroniec M., Gadkaree K.P., Nitrogen adsorption studies of novel synthetic active carbons, J. Col. Inter. Sci. 1997, 192, 250-256.
• [25] Barrett E.P., Joyner L.G., Halenda P.P., The determination of pore volume and area distribution in porous substances. I. Computations from nitrogen isotherms, J. Am. Chem. Soc. 1951, 73, 373-380.
• [26] Kruk M., Jaroniec M., Sayari A., Application of large pore MCM-41 molecular sieves to improve pore size analysis using nitrogen adsorption measurements, Langmuir 1997, 13, 6267-6273.
• [27] Ho Y.-S., Malarvizhi R., Sulochana N., Equilibrium isotherm studies of methylene blue adsorption onto activated carbon prepared from Delonix regia pods, J. Environ. Protect. Sci. 2009, 3, 111-116.
• [28] Kuśmierek K., Świątkowski A., Kamiński W., Adsorpcja 4-chlorofenolu z roztworów wodnych na mieszanych adsorbentach: węgiel aktywny - nanorurki węglowe, Inż. i Ochr. Środ. 2015, 18, 3, 373-383.
• [29] Ahmad M.A., Ahmad N., Bello O.S., Adsorptive removal of Malachite Green dye using durian seed-based activated carbon, Water Air Soil Pollut. 2014, 225, 2057, 1-18.
• [30] Sing K.S.W., Everett D.H., Haul R.A.W., Mascou L., Pierotti R.A., Rouquerol J., Siemieniewska T., Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity, Pure Appl. Chem. 1985, 57, 603-619.
• [31] Ho Y.S., Citation review of Lagergren kinetic rate equation on adsorption reactions, Scientometrics 2004, 59, 171-177.
• [32] Rudziński W., Płaziński W., Adsorption kinetics at solid /solution interfaces. The meaning of the pseudo-first- and pseudo-second-order equations, Wiad. Chem. 2011, 65, 11-12.
• [33] Ho Y.S., McKay G., Pseudo-second order model for sorption processes, Proc. Biochem. 1999, 34, 451-465.
• [34] Dudziak M., Werle S., Sorpcja fenolu z roztworów wodnych na konwencjonalnych i niekonwencjonalnych sorbentach, Inż. i Ochr. Środ. 2015, 18, 1, 67-81.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).