Ảnh hưởng của các oxit bề mặt đến sự hấp phụ của Naphthalene lên các ống nano cacbon đa tầng
Ảnh hưởng oxit bề mặt đến hấp phụ Naphthalene lên ống nano cacbon đa tầng Khi lượng lớn ống nano cacbon (CNTs) xâm nhập vào môi trường nhiều hơn, chúng có tác động đáng kể lên tính sẵn có vận chuyển chất gây ô nhiễm nước Như kết trình làm sạch, kết dính bề mặt / tiếp xúc với tác nhân oxy hóa sau thải môi trường CNTs thường chứa oxit bề mặt (nghĩa oxy chứa nhóm chức), Để khảo sát ảnh hưởng mà oxit bề mặt gây đặc tính hấp phụ CNT, CNT đa tầng (MWCNTs) với nồng độ Oxy khác nghiên cứu tính hấp phụ chúng Naphthalene Đối với MWCNTs tinh khiết, khả hấp phụ trung gian than tự nhiên (than xương) than hoạt tính dạng hạt Dữ liệu hấp phụ cho thấy mối quan hệ tuyến tính tồn hàm lượng oxy MWCNTs khả hấp phụ tối đa Naphthalene, với nồng độ Oxy 10% bề mặt làm giảm khoảng 70% khả hấp phụ tối đa Sự phân bố tương đối lượng hấp phụ, đặc trưng số mũ đường đẳng nhiệt Freundlich, nhiên không bị ảnh hưởng trình oxy hóa Do đó, liệu phù hợp với ý tưởng kết hợp oxit bề mặt tạo vùng cực làm giảm diện tích bề mặt sẵn có hấp phụ napthalene Những kết làm bật vai trò quan trọng Hóa học bề mặt Kiểm soát tính chất môi trường CNT Giới thiệu Một ống nano các-bon (CNT) bao gồm nhiều graphene cuộn thành hình trụ rỗng, dọc, mỏng Chiều dài điển hình đường kính tương ứng khoảng từ đến 100 µm từ đến 25 nm (1) Sự kết hợp độc đáo đặc tính vật lý hóa học CNTs làm cho chúng trở thành lựa chọn sử dụng rộng rãi vật liệu nano kỹ thuật Một số ứng dụng ứng dụng đề xuất sử dụng CNTs bao gồm composite cấu trúc (2), thiết bị vi điện tử (3), hình phẳng (4) CNTs phát triển cảm biến (5), chất phóng hình (6), phương tiện vận chuyển thuốc mục tiêu (7), thiết bị lưu trữ hydro (8) chất hỗ trợ chất xúc tác (9) Các ống bon đa tầng (MWCNTs) đơn tầng (SWCNTs) chất hấp phụ hiệu hóa chất hữu có khối lượng phân tử thấp diện tích bề mặt cao bề mặt graphene kỵ nước (hydrophobic) Một số nghiên cứu gần CNTs chất hấp phụ hiệu chất độc phase (10-12) Tính hấp phụ CNT nước bắt đầu thu hút quan tâm nghiên cứu hấp phụ hóa chất hữu kỵ nước (HOCs) Thật vậy, Li et al (13) báo cáo MWCNTs chất hấp phụ tốt than đen (black) hấp phụ HOCs bay từ nước Tương tự, Peng et al (14) Luetal (15) tương ứng quan sát thấy CNTs loại bỏ 1,2-dichlorobenzene trihalomethanes từ nước cách có hiệu Các nghiên cứu hấp phụ SWCNTs MWCNTs tiến hành dung dịch nước hydrocarbon thơm đa vòng (16, 17) Trong hệ thống đơn chất tan, đường đẳng nhiệt không tuyến tính quan sát thấy (16) đẳng nhiệt tuyến tính hỗn hợp nhiều thành phần naphthalen, pyrene phenanthrene (17) Những xu hướng mong đợi hấp phụ HOC với chất hấp phụ carbon không đồng (18-20) Mặc dù nhiều nghiên cứu hấp phụ báo cáo tập trung vào tính chất CNTs tinh khiết (được nhận nhận tổng hợp), bề mặt CNT thường bao gồm oxy chứa nhóm chức Các trình hình thành trình làm có sử dụng axit oxy hóa mạnh loại bỏ cacbon vô định hình chất ô nhiễm kim loại (21-25), cách oxy hóa có chủ ý để hoạt hóa bề mặt (26-29) tiếp xúc trực tiếp với chất oxy hóa (ví dụ O3 Hoặc OH.) sau giải phóng vào môi trường (30, 31) Mặc dù vị trí cấu trúc xác oxit bề mặt ống nano cacbon khó xác định, chứng gián tiếp vị trí chúng thu nghiên cứu trước cách định hình không gian vị trí Kim loại oxit kim loại (ví dụ, TiO 2) lắng đọng vách ngăn ống nano cacbon (32, 33) Kết từ nghiên cứu oxit bề mặt hình thành trình oxy hóa hóa học tương tự mẫu sử dụng mẫu nghiên cứu ngẫu nhiên dọc theo vách ngăn, dự đoán vị trí khiếm khuyết graphene đầu hở CNTs Lý thuyết tiên đoán nghiên cứu trước diện oxit bề mặt ảnh hưởng đến tính chất hấp phụ vật liệu cacbon đen (BC) chất gây ô nhiễm hữu vô Chẳng hạn, trình oxy hóa bề mặt làm giảm khả hấp phụ muội thành HOCs (34) Đối với chất ô nhiễm kim loại (ví dụ, Cd2+, Pb2+, Cu2+), CNTs bị oxy hoá (35-37) than hoạt tính (38) biểu thị khả hấp phụ cao vật liệu tinh khiết Mặc dù tác động định lượng trình oxy hóa tính chất hấp phụ vật liệu BC biết đến, hiểu biết định lượng mối quan hệ tính oxy hóa bề mặt đặc tính hấp phụ thiếu sót Các tính chất hấp phụ CNTs vấn đề môi trường quan tâm lo lắng, không CNTs coi chất hấp phụ thương mại, mà đặc tính hấp phụ ảnh hưởng đến tác động CNTs môi trường Về phương diện này, sản phẩm CNTs thương mại phát triển nhanh chóng (39) số lượng hạt CNT tương ứng phát tán vào môi trường tự nhiên, nơi chúng ảnh hưởng đến việc vận chuyển hóa chất khác Ví dụ, CNTs cố định dẫn đến lưu tăng cường số hóa chất hòa tan vật liệu lỗ rỗng, CNTs di động tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển chất bị hấp phụ, mặt khác chất bị giữ lại lâu dài đất trầm tích bất động Trong nghiên cứu này, sử dụng naphthalene để khảo sát tính chất hấp phụ MWCNTs có chứa nồng độ oxy bề mặt khác so sánh kết với kết thu than tự nhiên than hoạt tính dạng hạt (GAC) Chúng tập trung vào MWCNTs thay SWCNTs dạng chất hấp phụ quy mô nano MWCNTs tốn sử dụng rộng rãi năm gần đây, tốc độ sản xuất MWCNTs hàng năm gấp 3-4 lần so với SWCNTs (40) Naphthalene chọn HOC phổ biến, khối lượng phân tử thấp, chất gây ô nhiễm môi trường thông thường đặc tính hấp phụ nghiên cứu trước CNT BC khác (16, 17) Để hiểu rõ ảnh hưởng oxit bề mặt vượt trội tính chất CNTs, kết hợp nghiên cứu hấp phụ với đặc tính bề mặt chi tiết PHẦN THÍ NGHIỆM Hóa chất Hoá chất thí nghiệm Naphthalene dánh dấu C không đánh dấu sử dụng (Sigma-Aldrich) Đối với thí nghiệm hấp phụ, dung dịch naphthalene tạo cách thêm naphthalene đánh dấu C (31,3 mCi / mmol) không đánh dấu lên methanol HPLC (Fisher Scientific) (sử dụng đồng vị phóng xạ C để xác định hàm lượng đầu vào đầu ra) Các chất hấp phụ Than hoạt tính dạng hạt (GAC) sử dụng chất nhận (F400, Calgon Carbon Corporation) Mẫu than tự nhiên (NC1) chuẩn bị mô tả Nguyen et al (41) Các mẫu NC1 F400 nghiền nhỏ, đồng sàng để đạt kích thước 400 mesh (38 µm) 200 mesh (75 µm) MWCNTs tinh khiết (Đường kính 15-5 nm, độ dài 1-5 μm, độ tinh khiết 95%) mua từ Nanolab Inc Để tinh khiết chuẩn bị MWCNTs với mức oxy hóa khác nhau, hồi lưu lại MWCNTs dung dịch chứa từ 10% đến 70% w / w HNO Trước hồi lưu, MWCNT tinh khiết nghiền sóng âm (máy sóng âm: Branson 1510, hoạt động 70W) trong HNO Trong trường hợp, tỷ lệ MWCNT HNO trì mức 0,4 mg / mL Sau trình nghiền sóng âm, hỗn hợp MWCNT HNO hồi lưu 1,5 140°C khuấy mạnh Để so sánh, số MWCNT bị oxy hóa H2O2 (đã hồi lưu 80°C giờ) KMnO4 (22) Sau lần xử lý, mẫu thử bắt buộc ly tâm lặp lại, gạn pha loãng với nước milli-Q độ pH bề mặt ổn định ˜5 Các MWCNT kết sấy qua đêm lò 100°C Đặc tính MWCNT nguyên chất oxy hoá Thành phần hóa học MWCNTs xác định quang phổ tia X (XPS) phân tích nguyên tố Đối với XPS, MWCNTs tuân thủ với dãy đồng hai mặt gắn vào mẫu sơ khai Cẩn thận đảm bảo MWCNTs hoàn toàn bao phủ dãy đồng Trong tất thí nghiệm XPS, MgKα (1253.6eV) X-quang xạ tạo từ nguồn tia X ϕ 04-500 Các quang điện bị đẩy phân tích cách sử dụng máy phân tích lượng điện bán cầu ngang hoạt động lượng cao 44,75 eV 0,115 eV/ bước Phân tích nguyên tố thực Huffman Laboratories, Inc (Golden, CO) Sự phân bố chiều dài MWCNTs đánh giá cách sử dụng kính hiển lực nguyên tử (AFM) (Pico SPM LE, Agilent Technologies) hoạt động chế độ khai thác sử dụng lớp phủ từ tính từ 75 kHz (NSC 181 Co-Cr; MikroMasch) Để tách MWCNTs trước phân tích, vật liệu nghiền sóng âm phút ethanol Ngay sau trình chiếu xạ, hai giọt MWCNT phân tán - huyền phù lắng đọng bề mặt silicon cách bốc đèn flash để giảm thiểu tổng hợp Đã có đủ số lượng hình ảnh AFM 5.0 µm yêu cầu để xử lý hoàn toàn ~300 MWCNT xây dựng biểu đồ giá trị thống kê phân phối chiều dài Sự toàn vẹn cấu trúc MWCNT bị ôxi hóa kiểm tra kính hiển vi điện tử dẫn truyền (TEM) Một giọt dung dịch nước MWCNT phân tán đặt vào lưới TEM bon có lỗ thủng Mẫu chụp cách sử dụng máy chụp CCD chụp ảnh máy phát xạ trường Philips CM 300 hoạt động 297 kV Hình ảnh thu thập cách sử dụng máy ảnh CCD gắn quang phổ lượng điện tử GIF 200 Đối với phép đo BET diện tích bề mặt riêng (SSA), liệu hấp phụ N2 77K thu cách sử dụng máy phân tích hấp phụ khí có độ phân giải cao với công suất chân không cao (5.0 x 107 Pa) (ASAP 2010, Micromeritics) Theo quy trình thiết lập trước than đen (41), tất mẫu tách khí 300°C trước phân tích Thí nghiệm hấp phụ Các thí nghiệm tiến hành ống nghiệm thủy tinh đóng kín tích ml (thể tích không đáng kể) (Wheaton) Trong ống nghiệm, thêm vào 0,5-2,0 mg chất hấp phụ (xác định trọng lượng) ống nghiệm điền đầy với 7,0 mL dung dịch napthalene Ngoại trừ thí nghiệm thiết kế để kiểm tra ảnh hưởng việc kết hợp với đẳng nhiệt hấp phụ (Hình S7 S8 chi tiết Thông tin Hỗ trợ), dung dịch chứa napthalene chuẩn bị trước cách xác định thể tích xác dung dịch naphthalen / MeoH vào 100 mL nước Chứa 3,0 mM NaN3 (để ngăn ngừa phát triển vi khuẩn) 5,0 mM CaCl2 (Để dễ dàng keo tụ) Keo tụ cần thiết để đạt phân tách rắn/lỏng tốt thí nghiệm hấp phụ Các thử nghiệm kiểm soát phân tách tiến hành để chứng minh thiếu sót cường độ ion đường đẳng nhiệt hấp phụ napthalene với MWCNT mô tả hình S8 (Thông tin Hỗ trợ) Để giảm thiểu tác động cộng sinh, tỷ lệ MeOH / H2O giữ thấp 0,1% v/v Sau thêm napthalene, ống nghiệm hàn lửa (Ampulmatic, Bioscience Inc.) hệ thống cho phép cân trình xoay vòng cuối Cân thực buồng môi trường tối 23 (cộng trừ 0.5°C) Đối với MWCNTs, thí nghiệm vòng 14 ngày tiến hành Ce/ Sw = 0,001 (Hình S1) để xác nhận ngày đủ cho cân hấp phụ (Ce [mg/L] (2,6 0,3) x 105 ml / g nồng độ cân dung dịch Sw: khả hòa tan nước; 31,7 mg/l Naphthalene 25oC) giá trị Kd tương ứng (2,6±0,3) x 105 mL/g (2,4 ± 0,2) x 105 ml / g ngày 14 ngày, xác nhận tương đương thống kê mức độ đáng kể, α, 5% (kiểm định t hai mặt) (K d = qe/Ce, qe (mg / g) nồng độ pha tạp dung dịch Các thí nghiệm động học không ngày đủ để đạt cân với GAC (F400), NC1 28 ngày Sau cân bằng, ống nghiệm đặt vào ống ly tâm chứa lượng nhỏ nước nệm len thủy tinh ly tâm 3000g 30 phút Các ống nghiệm sau bị phá vỡ 1,0 mL lớp thu hồi Nồng độ naphthalene đánh dấu C dung dịch thu hồi đo xạ chất lỏng (model LS3801, Beckman Instruments, Fullerton, CA), sử dụng số lần đếm đạt số lỗi chuẩn < 2% Ba đến năm thí nghiệm nghiên cứu nồng độ napthalene Khối lượng naphthalene bị hấp phụ xác định khác biệt sau đếm khoảng không bên khoảng thủy tinh thông qua thí nghiệm "mẫu blank" thực BC rắn Kết Blank cho thấy "thể tích dung dịch tương đương bị đi" (41) điển hình khoảng 0.1 ml, phản ánh 1,4% tổn thất thể tích dung dịch 7,0 mL Đối với MWCNTs, đo hấp phụ UV / vis bề mặt bước sóng 500 nm (Varian Cary 50, chiều dài đường cm) trước sau ly tâm để đánh giá hiệu phân ly rắn / lỏng Các liệu UV / vis tương quan với nồng độ MWCNT dựa dung dịch chuẩn chuẩn bị nước có chứa lượng MWCNT biết đó): phương trình Freundlich (1a) phương trình Dubinin-Astakhov dựa Polanyi (DA) (1b) Trong phương trình 1a, n số mũ thực nghiệm (thông thường