메틸렌 블루 염료의 효율적인 흡착을 위해 사탕수수에서 유래하고 천연 제올라이트로 변형된 활성탄: 실험적 및 이론적 접근

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18031(2022) 이 기사 인용

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메틸렌 블루(MB) 염료 흡착을 향상시키기 위한 효율적이고 신뢰할 수 있는 나노흡착제로서 활성탄/천연 제올라이트(AC/NZ)를 도입합니다. 500~900°C 사이의 다양한 온도에서 사탕수수 폐기물을 소성하면 활성탄(AC)이 형성됩니다. XRD와 SEM은 준비된 흡착제의 특성 분석에 사용되었습니다. MB 염료 제거를 위한 흡착 측정은 pH, 초기 MB 농도 및 접촉 시간의 영향에 대해 이루어졌습니다. 25°C, pH 7, AC500/NZ 질량 50mg에서 MB 염료의 최대 AC500/NZ 흡착 용량은 초기 농도 30ppm에서 약 51mg/g인 것으로 나타났습니다. 유사 2차 동역학 모델과 Temkin 등온선 모델은 흡착 과정을 설명합니다. Temkin 모델은 흡착 에너지가 1.0 kcal/mol임을 보여주며, 이는 MB에서 AC500/NZ로의 흡착 과정이 물리적으로 발생함을 나타냅니다. 우리의 몬테카를로(MC) 시뮬레이션 연구는 우리의 발견을 뒷받침했으며 반 데르 발스 분산력이 MB 분자의 물리적 흡착에 관여한다는 것을 보여주었습니다. AC500/NZ 흡착제는 물 정화를 위한 강력한 경쟁자로 생각됩니다.

급속한 산업화로 인해 매년 엄청난 양의 유해 폐기물이 호수에 버려지고 있습니다. 수질 오염은 인간과 다른 생명체에 대한 주요 위협으로 간주됩니다. 유기 염료는 섬유, 인쇄, 식품, 가죽 산업에서 물로 배출됩니다1. 이러한 염료는 암, 피부염, 알레르기 등 위험한 건강 문제를 일으킬 수 있습니다2,3. 염료는 자연적으로 생분해되지 않으므로 폐수에서 제거하는 것이 중요합니다. 일반적인 염료 중 하나인 메틸렌 블루(MB)는 식품, 섬유, 화장품 및 제약 산업의 중요한 응용 분야에서 널리 활용됩니다. 물에 MB가 존재하면 산소 요구량이 증가하여 수생 동물에 영향을 미칩니다. 흡착, 광분해, 광펜톤 분해 및 광촉매작용과 같은 염료 제거에는 많은 기술이 포함되어 있습니다2,4,5,6,7,8,9. 불행하게도 이들 기술의 대부분은 높은 운영 비용, 오랜 시간, 낮은 효율성, 슬러지 생성, 2차 오염물질 생성 등의 심각한 단점을 가지고 있습니다. 이러한 기술 중에서 흡착 공정은 높은 제거 효율, 설계 용이성, 최소 폐기물 생성 및 낮은 에너지 요구 사항10,11으로 인해 다른 기술보다 우수합니다. 또한 고농축 용액의 염료 처리에도 적용할 수 있습니다. 고효율 이종 촉매를 사용하여 비용 효율적이고 친환경적인 개발은 대규모 상업적 응용을 위한 주요 과제입니다.

활성탄(AC)은 흑연과 같이 미결정 탄소의 불규칙하고 불완전한 배열 구조를 지닌 탄소 소재입니다. 활성탄은 표면적이 증가하고 밀도가 감소하는 다공성 구조를 가지고 있습니다. AC는 강력한 물리적 흡착력으로 인해 공기, 토양 및 물에서 미량 오염 물질을 제거하는 최고의 흡착제 중 하나입니다13. 이는 AC14의 다공성 특성, 높은 화학적/열적 안정성, 독특한 표면적, 표면 작용기 및 물리화학적 특성과 같은 AC의 장점으로 인해 발생합니다. 활성탄은 물리적 또는 화학적 활성화 방법을 통해 제조됩니다. 물리적 활성화는 더 넓은 표면적, 더 높은 수율 및 고도로 발달된 다공성 구조로 인해 더 유익한 것으로 보고되었습니다. 활성탄은 사탕수수, 이탄, 갈탄, 목재, 코코넛 껍질과 같은 다양한 농업 폐기물에서 생산될 수 있습니다. 사탕수수 버개스(SCB)는 가용성과 저렴한 비용으로 인해 AC 합성을 위한 우수한 바이오매스로 대표됩니다. 사탕수수 사탕수수는 바이오에탄올, 설탕, 폴리에틸렌, 에탄올 산업에서 생산됩니다16. SCB의 구성은 리그닌(20~25%), 헤미셀룰로오스(25~30%), 셀룰로오스(40~50%) 정도입니다. 대량의 사탕수수 사탕수수 찌꺼기를 처리하는 것은 큰 환경 오염이 되었으며 결과적으로 해당 지역의 건강에 위험을 초래했습니다. 결과적으로 SCB를 AC로 전환하면 농업 폐기물을 줄이면서 합리적인 가격으로 유용한 흡착제를 생산할 수 있습니다17.