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A novel magnetic Fe3O4/cellulose nanofiber/polyethyleneimine/thiol-modified montmorillonite aerogel for efficient removal of heavy metal ions: Adsorption behavior and mechanism study

气凝胶 吸附 朗缪尔吸附模型 水溶液中的金属离子 化学 水溶液 离子交换 无机化学 选择性吸附 化学工程 金属 材料科学 离子 有机化学 纳米技术 工程类
作者
Man Yuan,Dongsheng Liu,Sisi Shang,Zihao Song,Qi You,Longjin Huang,Sheng Cui
出处
期刊:International Journal of Biological Macromolecules [Elsevier BV]
卷期号:253: 126634-126634 被引量:22
标识
DOI:10.1016/j.ijbiomac.2023.126634
摘要

To efficiently remove heavy metals from wastewater, designing an adsorbent with high adsorption capacity and ease of recovery is necessary. This paper presents a novel magnetic hybridized aerogel, Fe3O4/cellulose nanofiber/polyethyleneimine/thiol-modified montmorillonite (Fe3O4/CNF/PEI/SHMMT), and explores its adsorption performance and mechanism for Pb2+, Cu2+, and Cd2+ in aqueous solutions. The hybrid aerogel has a slit-like porous structure and numerous exposed active sites, which facilitates the uptake of metal ions by adsorption. Pb2+, Cu2+, and Cd2+ adsorption by the hybridized aerogel followed the second-order kinetics and the Langmuir isotherm model, the maximum adsorption of Pb2+, Cu2+, and Cd2+ at 25 °C, pH = 6, 800 mg/L was 429.18, 381.68 and 299.40 mg/g, respectively. The adsorption process was primarily attributed to monolayer chemical adsorption, a spontaneous heat-absorption reaction. FTIR, XPS and DFT studies confirmed that the adsorption mechanisms of Fe3O4/CNF/PEI/SHMMT on Pb2+, Cu2+, and Cd2+ were mainly chelation, coordination, and ion exchange. The lowest adsorption energy of Pb2+ on the hybrid aerogel was calculated to be −2.37 Ha by DFT, which indicates that the sample has higher adsorption affinity and preferential selectivity for Pb2+. After 5 cycles, the adsorption efficiency of the aerogel was still >85 %. The incorporation of Fe3O4 improved the mechanical properties of the aerogel. The Fe3O4/CNF/PEI/SHMMT has fast magnetic responsiveness, and it is easy to be separated and recovered after adsorption, which is a promising potential for the treatment of heavy metal ions.
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