pH를 이용한 폐수로부터의 메틸렌블루의 흡착 동역학

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11900(2023) 이 기사 인용

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본 연구에서는 자유 라디칼 중합 기술을 통해 전분/폴리(아실산) 하이드로겔을 합성했습니다. 아크릴산과 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드의 몰비는 95:5, 94:6, 93:7이었다. 샘플은 무정형 다공성 구조를 나타냈는데, 이는 기공의 크기가 가교제의 양에 따라 결정됨을 나타냅니다. 가교제의 첨가량이 약간 증가함에 따라 구조 내 아크릴산의 함량이 증가하여 하이드로겔의 열안정성이 향상되었다. 하이드로겔의 팽윤 특성은 pH 수준과 가교제의 양에 의해 영향을 받았습니다. 94:6 비율의 하이드로겔은 pH 7.4에서 가장 높은 팽윤도(201.90%)를 나타냈다. 합성된 하이드로겔의 수분 흡수를 조절하는 Fickian 효과의 지배력이 입증되었으며, 팽창 동역학은 Schott의 유사 2차 모델과 일치하는 것으로 나타났습니다. 개발된 하이드로젤의 메틸렌블루 흡수는 염료의 농도, 가교제의 양, pH, 노출시간 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는 것으로 나타났다. 하이드로겔 95:5는 pH 10.0에서 20mg/L 농도의 염료용액에서 가장 높은 흡착효율(66.7%)을 나타냈다. 흡착 동역학과 등온선에 대한 조사는 물리흡착 과정이 이질적인 흡착제 표면에서 발생하고 발열 특성으로 설명될 수 있다는 증거를 제공했습니다.

연구자들은 생체 적합성, 생분해성, 물리화학적 특성, 고효율 및 합리적인 가격을 포함한 광범위한 유용한 특성으로 인해 전분 기반 하이드로겔에 관심을 갖게 되었습니다1. 전분에서 추출한 하이드로겔은 환경, 농업, 의학, 흡수제 등을 포함한 광범위한 산업에서 활용됩니다2. 산업 폐수에서 이러한 하이드로겔에 의한 염료 흡착은 많은 주목을 받고 있는 많은 잠재적인 용도 중 하나입니다. 유기 염료는 직물, 인쇄, 플라스틱, 화장품 등 다양한 산업에서 사용되지만 물 공급과 생태계에 극도로 위험합니다3. 메틸렌 블루(MB)와 같은 방향족 유기 염료는 다른 유형의 유기 염료보다 독성이 강하고 안정적입니다. 또한 인간에게 메스꺼움, 구토, 조직 괴사 및 신경 손상을 일으킬 수 있습니다4. 염료 분리는 침전5, 이온 교환6, 응고7, 여과8, 흡착9, 10을 포함한 다양한 공정을 통해 이루어질 수 있습니다. 흡착제는 재활용성, 저렴한 비용, 높은 흡수 효율, 성능 유연성, 효율성과 간단한 취급11.

전분 기반 하이드로겔의 다양한 장점에도 불구하고 낮은 기계적 저항성 및 분해에 대한 높은 민감성 등의 약점으로 인해 산업계에서 널리 사용되지 못하고 있습니다12. 전분은 위에서 언급한 문제를 해결하기 위해 물리적13, 화학적14, 혼합15 및 효소16 기술을 통해 변형될 수 있습니다. 산화17, 가수분해18, 에스테르화19 및 접목20은 전분을 화학적으로 변형하는 방법 중 하나입니다. 아크릴산과 같은 비닐 단량체를 사용한 화학적 접목은 개질 공정에 대한 정밀한 제어, 더 큰 흡착 용량 및 보다 안정적이고 균일한 제품 생성으로 인해 관심을 얻었습니다. 또한, 폴리(아크릴산)(PAA)을 접목한 하이드로겔은 기계적 강도, 내열성, 물 흡수 능력 등의 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 적용 범위도 넓힙니다22, 23. 전분에 음전하를 도입하는 것은 이온 흡착에 필수적입니다. 또는 전분 기반 하이드로겔에 의한 양전하 염료. 전분 산화 및 폴리(아크릴산) 변형은 이러한 목적으로 사용되는 두 가지 방법입니다. 전분 산화는 전분 구조와 겔화 특성을 변화시킬 수 있지만, 폴리(아크릴산)을 사용한 전분 변형은 단순화된 공정, 향상된 수분 흡수 능력, 조정 가능한 특성 및 향상된 안정성과 같은 이점을 제공합니다. 이 방법은 비용을 효과적으로 절감하고 변형 공정과 관련된 잠재적인 환경 문제를 해결합니다. 온도, pH, 염료 농도 및 가교제와 같은 여러 요인이 하이드로겔의 흡착 효율에 영향을 미칠 수 있습니다. 전분 하이드로겔에 가교제로서 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드(MBA)를 첨가하면 안정적인 구조 형성 촉진, 구조적 완전성 개선, 수분 흡수 능력 향상, 다공성 조정 능력, 팽윤 거동, 및 기계적 성질28. 이러한 다양성으로 인해 하이드로겔은 농업, 생물 의학 등의 다양한 응용 분야에 탁월한 선택이 됩니다.

0.9800. The variation of kis with pH is similar to the variation of Q with pH and is determined by the rate of relaxation of polymer chains in the polymer network. The ionization of carboxylate groups and electrostatic repulsions occurred as the pH increased from 2.0 to 4.8, leading to enhanced polymer chain relaxation. This phenomenon increased with increasing pH up to 7.4. Rapid relaxation facilitates the ability for water molecules to permeate the polymer network, thereby accelerating the rate of swelling. At pH = 10.0, the decrease in the mobility of polymer chains due to the screening effect of Na+ cations resulted in a decline in water diffusion into the polymer network; as a result, kis decreased54./p> 1, physical absorption occurs62. All samples had n values below 1, suggesting that chemical absorption is occurring. It demonstrated the adsorbent's ability to electrostatically interact with MB molecules. The Temkin isotherm is associated with the uniform distribution of energy during the adsorption process, and the interaction between the adsorbent and the adsorbed molecule causes a linear decrease in the adsorption heat for all molecules63. The positive value of bT in the synthesized samples indicated that the adsorption process is exothermic64. Furthermore, the high value of bT in comparison to KT indicates that the adsorbent and the adsorbed have a strong interaction20. In comparison to the other two isotherms, the Freundlich model with the highest R2 value was considered to be the best fit for the empirical evidence./p>