ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТНОГО АЭРОГЕЛЯ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И ГРАФЕНА
Аннотация
В статье представлена технология получения нанокомпозитного аэрогеля на основе окисленных углеродных нанотрубок (о-УНТ) и восстановленного оксида графена (в-ОГ), модифицированных полианилином и фенолформальдегидной смолой. Получение аэрогеля осуществлялось в автоклаве высокого давления в среде сверхкритического флюида – изопропанола. Комплексная диагностика синтезированного нанокомпозита осуществлялась методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, инфракрасной спектроскопии, рентгеновской дифрактометрии, спектроскопии комбинационного рассеяния. Параметры пористого пространства оценивали по адсорбции азота. Полученные электронные изображения свидетельствуют о том, что УНТ выступают в качестве структурообразователя, препятствуя агломерации графеновых листов. Также следует отметить, что в образцах обнаружены частицы полианилина сферической формы. Установлено, что нанокомпозитный аэрогель является мезопористым материалом с удельной поверхностью 289 м2/г. Проведено сравнение инфракрасных и Раман-спектров, а также рентгеновских дифрактограмм исходных материалов со спектрами аэрогеля. Согласно полученным результатам, нанокомпозит содержит совмещенные пики всех исходных материалов. После сушки в среде сверхкритического изопропанола сохраняется упорядоченная структура углеродного каркаса. Электронодонорные кислород- и азотсодержащие группы, которые идентифицируются по данным инфракрасной спектроскопии в составе композита, могут являться активными центрами для адсорбции ионов тяжелых металлов благодаря возможности формирования координационных связей. Сорбционная способность материала оценивалась на примере сорбции ионов тяжелых металлов, а именно – свинца, из модельных водных растворов. Для определения времени сорбции и механизма поглощения были проведены кинетические исследования адсорбции в ограниченном объеме. Обнаружено, что 99% загрязнителя сорбируется в первые 15 мин с достижением адсорбционной емкости равной 350 мг/г. С помощью моделей псевдо-первого и –второго порядка, модели Еловича и внутридиффузионных моделей установлен предполагаемый механизм адсорбции.
Для цитирования:
Кузнецова Т.С., Бураков А.Е., Пасько Т.В., Буракова И.В., Дьячкова Т.П., Меметова А.Е. Физико-химические и сорбционные свойства нанокомпозитного аэрогеля на основе модифицированных углеродных нанотрубок и графена. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 3. С. 66-76. DOI: 10.6060/ivkkt.20236603.6726.
Литература
Xu J., Cao Z., Zhang Y., Yuan Z., Lou Z., Xu X., Wang X. A review of functionalized carbon nanotubes and gra-phene for heavy metal adsorption from water: Preparation, application, and mechanism. Chemosphere. 2018. V. 195. P. 351-364. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2017.12.061.
Azari A., Nabizadeh R., Nasseri S., Mahvi A.H., Mesdaghinia A.R. Comprehensive systematic review and me-ta-analysis of dyes adsorption by carbon-based adsorbent materials: Classification and analysis of last decade studies. Chemosphere. 2020. V. 250. P. 126238. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2020.126238.
Gataullin A.R., Bogdanova S.A., Galyametdinov Yu.G. Adsorption of ethoxylated isononylphenols on carbon nanotubes from aqueous solutions. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 3. P. 46-51. DOI:10.6060/ivkkt.20216403.6192.
Ding X., Yang S., Zhou S., Zhan Y., Lai Y. Biomimetic molecule catalysts to promote the conversion of polysul-fides for advanced lithium–sulfur batteries. Adv. Funct. Mater. 2020. V. 30. N 38. P. 2003354. DOI: 10.1002/adfm.202003354.
Gusain R., Kumar N., Ray S.S. Recent advances in carbon nanomaterial-based adsorbents for water purification. Coord. Chem. Rev. 2020. V. 405. P. 213111. DOI: 10.1016/j.ccr.2019.213111.
Yan Y., Zhang M., Gong K., Su L., Guo Z., Mao L. Adsorption of methylene blue dye onto carbon nanotubes: a route to an electrochemically functional nanostructure and its layerby-layer assembled nanocomposite. Chem. Mater. 2020. V. 30. N 38. P. 2003354. DOI: 10.1021/cm0504182.
Melezhik A.V., Smolsky G.V., Zelenin A.D., Neskoromnaya E.A., Alekhina O.V., Burakov A.E., Tkachev A.G. Synthesis of carbon materials with abnormally high specific surface area. Adv. Mater. Technol. 2019. N 2 (14). P. 19-24. DOI: 10.17277/amt.2019.02.pp.019-024.
Ramezanzadeh M., Asghari M., Ramezanzadeh B., Bahlakeh G. Fabrication of an efficient system for Zn ions removal from industrial wastewater based on graphene oxide nanosheets decorated with highly crystalline polyaniline nanofibers (GO-PANI): Experimental and ab initio quantum mechanics approaches. Chem. Eng. J. 2018. V. 337. P. 385-397. DOI: 10.1016/j.cej.2017.12.102.
The Vinh L., Ngoc Khiem T., Dang Chinh H., Tuan P.V., Tan V.T. Adsorption capacities of reduced graphene ox-ide: effect of reductants. Mater. Res. Express. 2019. V. 6. N 7. P. 075615. DOI: 10.1088/2053-1591/ab1862.
Li J., Meng H., Xie S., Zhang B., Li J., Li L. Ultra-light, compressible and fire-resistant graphene aerogel as a high-ly efficient and recyclable absorbent for organic liquids. J. Mater. Chem. A. 2014. V. 2. N 9. P. 2934-2941. DOI: 10.1039/c3ta14725h.
Wu L., Qin Z., Zhang L., Meng T., Yu F., Ma J. CNT-enhanced amino-functionalized graphene aerogel adsor-bent for highly efficient removal of formaldehyde. New J. Chem. 2017. V. 41. N 7. P. 2527-2533. DOI: 10.1039/c6nj03643k.
Nardecchia S., Carriazo D., Ferrer M.L., Gutiérrez M.C., Monte F.D. Three dimensional macroporous archi-tectures and aerogels built of carbon nanotubes and/or graphene: synthesis and applications. Chem. Soc. Rev. 2013. V. 42. N 2. P. 794-830. DOI: 10.1039/c2cs35353a.
Wan W., Zhang R., Li W., Liu H., Lin Y., Li L., Zhou Y. Graphene–carbon nanotube aerogel as an ultra-light, compressible and recyclable highly efficient absorbent for oil and dyes. Environ. Sci.: Nano. 2016. V. 3. N 1. P. 107-113. DOI: 10.1039/c5en00125k.
Lee B., Lee S., Lee M., Jeong D.H., Baek Y., Yoon J., Kim Y.H. Carbon nanotube-bonded graphene hybrid aer-ogels and their application to water purification. Nanoscale. 2015. V. 7. N 15. P. 6782-6789. DOI: 10.1039/c5nr01018g.
Gupta V. K., Kumar R., Nayak A., Saleh T.A., Barakat M.A. Adsorptive removal of dyes from aqueous solution onto carbon nanotubes: a review. Adv. Colloid Interface Sci. 2013. V. 193. P. 24-34. DOI: 10.1016/j.cis.2013.03.003.
Zhou G., Wang K.P., Liu H.W., Wang L., Xiao X.F., Dou D.D., Fan Y.B. Three-dimensional polylactic acid@ graphene oxide/chitosan sponge bionic filter: highly efficient adsorption of crystal violet dye. Int. J. Biolog. Mac-romol. 2018. V. 113. P. 792-803. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2018.02.017.
Hu H., Chang M., Zhang M., Wang X., Chen D. A new insight into PAM/graphene-based adsorption of water-soluble aromatic pollutants. J. Mater. Sci. 2017. V. 52. N 14. P. 8650-8664. DOI: 10.1007/s10853-017-1090-x.
Sitko R., Musielak M., Zawisza B., Talik E., Gagor A. Graphene oxide/cellulose membranes in adsorption of di-valent metal ions. RSC Adv. 2016. V. 6. N 99. P. 96595-96605. DOI: 10.1039/c6ra21432k.
Dong Z., Zhang F., Wang D., Liu X., Jin J. Polydopamine-mediated surface-functionalization of graphene ox-ide for heavy metal ions removal. J. Solid State Chem. 2015. V. 224. P. 88-93. DOI: 10.1016/j.jssc.2014.06.030.
Dai H., Huang Y., Huang H. Ecofriendly polyvinyl al-cohol/carboxymethyl cellulose hydrogels reinforced with graphene oxide and bentonite for enhanced adsorption of methylene blue. Carbohyd. Polym. 2018. V. 185. P. 1-11. DOI: 10.1016/j.carbpol.2017.12.073.
Mu B., Tang J., Zhang L., Wang A. Facile fabrication of superparamagnetic graphene/polyaniline/Fe3O4 nanocom-posites for fast magnetic separation and efficient removal of dye. Sci. Rep. 2017. V. 7. N 1. P. 1-12. DOI: 10.1038/s41598-017-05755-6.
Xiao J., Lv W., Xie Z., Song Y., Zheng Q. L-cysteine-reduced graphene oxide/poly (vinyl alcohol) ultralight aer-ogel as a broad-spectrum adsorbent for anionic and cationic dyes. J. Mater. Sci. 2017. V. 52. N 10. P. 5807-5821. DOI: 10.1007/s10853-017-0818-y.
Gutnik I.V., Dyachkova T.P., Rukhov A.V., Burakova E.A., Tugolukov E.N., Alekseev S.Yu., Kodirov B.B., Titova G.A. Polyaniline/carbon nanotubes composites: kinetic laws of synthesis, morphology and properties. Adv. Mater. Technol. 2018. N 4. P. 54-68. DOI: 10.17277/amt.2018.04.pp.054-068.
Thommes M., Kaneko K., Neimark A.V., Olivier J.P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol J., Sing K.S.W. Phy-sisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. 2015. V. 87. N 9-10. P. 1051-1069. DOI: 10.1515/pac-2014-1117.
Ayad M., Zaghlol S. Nanostructured crosslinked polyaniline with high surface area: Synthesis, characterization and adsorption for organic dye. Chem. Eng. J. 2012. V. 204. P. 79-86. DOI: 10.1016/j.cej.2012.07.102.
Aung W.M., Marchenko M.V., Troshkina I.D., Burakova I.V. Scandium adsorption from sulfuric-chloride solu-tions by PANI/CNTs nanocomposite. Adv. Mater. Technol. 2019. V. 16. N 4. P. 58-65. DOI: 10.17277/amt.2019.04.pp.058-065.
Salimikia I., Heydari R., Yazdankhah F. Polyaniline/graphene oxide nanocomposite as a sorbent for ex-traction and determination of nicotine using headspace solid-phase microextraction and gas chromatography–flame ionization detector. J. Iran. Chem. Soc. 2018. V. 15. N 7. P. 1593-1601. DOI: 10.1007/s13738-018-1357-4.
Saxena M., Lochab A., Saxena R. Asparagine functionalized MWCNTs for adsorptive removal of hazardous cationic dyes: Exploring kinetics, isotherm and mechanism. Surf. Interfac. 2021. V. 25. P. 101187. DOI: 10.1016/j.surfin.2021.101187.
Kragulj M., Tričković J., Dalmacija B., Kukovecz Á., Kónya Z., Molnar J., Rončević S. Molecular interactions between organic compounds and functionally modified multiwalled carbon nanotubes. Chem. Eng. J. 2013. V. 225. P. 144-152. DOI: 10.1016/j.cej.2013.03.086.
Yang Y., Wang W., Li M., Wang H., Zhao M., Wang C. Preparation of PANI grafted at the edge of graphene oxide sheets and its adsorption of Pb (II) and methylene blue. Polymer Compos. 2018. V. 39. N 5. P. 1663-1673. DOI: 10.1002/pc.24114.
Yan J., Huang Y., Wei C., Zhang N., Liu P. Covalently bonded polyaniline/graphene composites as high-performance electromagnetic (EM) wave absorption materials. Compos. Part A: Appl. Sci.Manufact. 2017. V. 99. P. 121. DOI: 10.1016/j.compositesa.2017.04.016 -128.
Hui Q., Lu L.V., Pan B.-C., Zhang Q.J., Zhang W.-M., Zhang Q.-X. Critical review of adsorption kinetic models. J. Zhejiang Univ.-Sci. A. 2009. V. 10. P. 716-724. DOI: 10.1631/jzus.A0820524.
Kazeem T.M., Lateef S.A., Ganiyu S.A., Qamaruddin M., Tminu A., Sulaiman K.O., Jilani S.M.S., Ahooshani K. Aluminum-modified activated carbon as efficient adsorbent for cleaning cationic dye in wastewater. J. Cleaner Product. 2018. V. 205. P. 303-312. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.09.114.
Ho Y. Review of second-order models for adsorption systems. J. Hazard. Mater. 2006. V. 136. P. 681-689. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2005.12.043.
Nethaji S., Sivasamy A., Mandal A.B. Adsorption isotherms, kinetics and mechanism for the adsorption of cati-onic and anionic dyes onto carbonaceous particles prepared from Julans regia shell biomass. Int. J. Environ. Sci. Technol. 2013. V. 10. P. 231-242. DOI: 10.1007/s13762-012-0112-0.
Peres Marin A.B., Aguilar M.I., Meseguer V.F., Ortuno J.F., Saez J., Llorens M. Biosorption of chromium (III) by orange (citrus cinensis) waste: batch and continuous studies. Chem. Eng. J. 2009. V. 155. P. 199-206. DOI: 10.1016/j.cej.2009.07.034.
Hussein Z., Kumar R., Meghavatu D. Kinetics and thermodynamics of adsorption process using a spent-FCC catalyst. Int. J. Eng. Technol. 2018. V. 7. P. 284-287. DOI: 10.14419/ijet.v7i4.5.20090.
Badruzzman M., Westerhoff P., Knappe D.R.U. Intra particle diffusion and adsorption of arsenate onto granular ferric hydroxide (GFH). Water Res. 2014. V. 38. P. 4002-4012. DOI: 10.1016/j.watres.2004.07.007.
Ben Hamissa A.M., Brouers F., Ncibi M.C., Seffen M. Kinetic modeling on methylene blue sorption onto agave americana fibers: fractal kinetics and regeneration studies. Separat. Sci. Technol. 2014. V. 48. P. 2834-2842. DOI: 10.1080/01496395.2013.809104.
Vadivelan V., Vasanth K.K. Equilibrium, kinetics, mechanism, and process design for the sorption of methylene blue onto rice husk. J. Colloid Interface Sci. 2005. V. 286. P. 90-100. DOI: 10.1016/j.jcis.2005.01.007.
Burakova I.V., Burakov A.E., Tkachev A.G., Troshkina I.D., Veselova O.A., Babkin A.V., Aung M.W., Ali I. Kinetics of the adsorption of scandium and cerium ions in sulfuric acid solutions on a nanomodified activated car-bon. J. Molec. Liq. 2018. V. 253. P. 277–283. DOI: 10.1016/j.molliq.2018.01.063.
Ahmad M., Bachmann R.T., Khan M.A., Edyvean R.G.J., Farooq U., Athar M.M. Dye removal using car-bonized biomass, isotherm and kinetic studies. Desalinat. Water Treat. 2015. V. 53. P. 2289-2298. DOI: 10.1080/19443994.2013.867818.
Luo X.P., Fu S.Y., Du Y.M., Guo J.Z., Li B. Adsorption of methylene blue and malachite green from aqueous solution by sulfonic acid group modified MIL-101. Microporous Mesoporous Mater. 2017. V. 237. P. 268-274. DOI: 10.1016/j.micromeso.2016.09.032.
