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L-赖氨酸功能化纤维素基吸附剂对水溶液中Pb(II)的吸附性能及机理探究

发布时间 :2023-06-21文字 :汪红浏览量 :

 

2023年5月25日,大赢家体育吴思邈、陆继来(通讯作者)在国际TOP期刊International journal of biological macromolecules(Q1,IF: 8.025)发表题为“Adsorptive performance and mechanism exploration of l-lysine functionalized celluloses for enhanced removal of Pb(II) from aqueous medium”的研究性论文。

纤维素(C6H10O5)是最丰富的天然和可再生聚合物,具备比表面积大、优越的吸附能力和结合亲和力等特点,其高分子结构上存在大量的羟基可作为活性位点,为表面化学改性提供了可能性。 L-赖氨酸是人类和哺乳动物的必需氨基酸之一,不存在巯基等有异味和安全隐患的官能团,具备的大量氨基与羧基两种官能团均是常用于重金属吸附的常用基团,且分子量适中。 两者的结合可以产生“1 + 1 > 2”的效果,L-赖氨酸的接枝提供了丰富的功能性官能团,从而改善了纤维素(微晶纤维素MCC、纳米纤维素纤维CNF)的亲水性和吸附性能,纤维素作为骨架使氨基酸规整排布在表面,从而放大了氨基酸的抗菌活性,使得纤维素的氨基酸衍生物具备亲水性和高吸附能力。

本文选用高碘酸钠NaIO4氧化活化MCC后利用还原胺化反应接枝L-赖氨酸成功制得L-PCM,选用TEMPO氧化体系活化CNF维素后利用缩合反应接枝L赖氨酸成功制得L-TCF,并深入分析了吸附机理。研究具体考察了两种吸附剂材料的微观结构、表面管能团与元素分析及对Pb(II)离子的吸附剂机理。得益于两种材料的结合,两种吸附剂的吸附位点大大增多,Zeta电位和比表面积大大提高,并通过静电吸引、离子交换和络合作用有效地吸附了水溶液中的Pb(II)离子。本研究的结果表明,L-赖氨酸功能化纤维素基吸附剂在从水溶液中去除Pb(II)离子领域具有很大的潜力。


研究亮点

以纤维素为基质,绿色、无毒害的赖氨酸为单体,通过自由基聚合反应成功制得L-赖氨酸功能化纤维素基吸附剂,研究了L-PCML-TCF对水溶液Pb(II)的吸附性能,探究了其吸附机理。

研究结论

L-赖氨酸功能化纤维素基吸附剂Pb(II)的吸附动力学和等温吸附线分别符合准一级模型和Freundlich模型,吸附过程为化学吸附和多层非均质的自发放热过程,吸附机理主要是Pb(II)-COOH基团间的静电吸引和离子交换作用、Pb(II)和铅的配合物与-NH2的络合作用。


图文赏析

1 两种氧化活化方法制备L-赖氨酸功能化纤维素基吸附剂的示意图

        图2 不同改性方法对纤维素基吸附剂去除Pb(II)的影响:(A)吸附效率,(B)吸附容量

3 不同放大倍数下吸附剂的SEM5k:(AMCC,(BL-PCM,(CCNF,(DL-TCF5w:(EMCC,(FL-PCM,(GCNF,(HL-TCF。(IL-PCM,(JL-TCFEDS能谱;XPS谱图:(KL-PCM全谱图,(LL-PCM N1s扫描图,(ML-TCF全谱图,(NL-TCF N1s扫描图。

图4 吸附剂的红外光谱:(A)MCC和L-PCM,(B)CNF和L-TCF;L-PCM和L-TCF的核磁共振光谱:(C)13C,(D)1H;吸附剂的性质:(E)Zeta电位;(F)MCC和L-PCM的XRD图谱;(G)CNF和L-TCF的XRD图谱

Pb(II)吸附效率和吸附容量的影响。吸附剂用量:(AL-PCM,(BL-TCFPb(II)初始浓度:(CL-PCM,(DL-TCF;反应温度:(EL-PCM,(FL-TCF;初始pH:(GL-PCM,(HL-TCF;溶液pH值变化:(IL-PCM,(JL-TCF;可回用性(KL-PCM,(LL-TCF

6    L-PCM L-TCFPb(II)的吸附行为分析:(A 吸附时间对吸附效率的影响; 吸附动力学模型拟合:(B)准一级,(准)二级,(D)颗粒扩散模型;等温吸附模型拟合:(ELangmuir,(FFreundlich

7 Pb(II)吸附的热力学模型


8 吸附剂对Pb(II)的吸附机理图


1 L-PCM and L-TCF吸附Pb(II)的动力学模型参数

样品

准一级动力学

准二级动力学


k1

(min-1)

皮尔森系数

qm

(mg g-1)

k2

(g mg?1 min-1)

皮尔森系数

qm

(mg g-1)


L-PCM

0.10081

-0.98409

19.59

0.01247

0.99967

30.71


L-TCF

0.12569

-0.94628

10.78

0.01499

0.99535

7.79


Samples

颗粒扩散模型

第一阶段

第二阶段

kp1

C1

R2

kp1

C1

R2

L-PCM

13.5070

-6.4320

0.9997

1.2029

21.5545

0.9059

L-TCF

1.1834

-0.1262

0.9744

0.0171

6.2131

0.3916


        表2 L-PCM and L-TCF吸附Pb(II)的等温吸附模型参数

Samples

Langmuir

Freundlich

k1

(mg-1)

Pearson   Correlation Coefficient

qmax

(mg g-1)

k2

Pearson   Correlation Coefficient

1/n

qmax

(mg g-1)

L-PCM

0.00655

0.66317

96.71

0.81434

0.89482

1.11219 ±   0.22653

104.84

L-TCF

0.00116

-0.07755

215.52

0.47353

0.96911

0.84061 ±   0.08733

10.50



原文链接: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.124997


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