对于染料的去除，到目前为止已经使用了多种方法，包括复杂的氧化技术、混凝和絮凝、电氧化和超滤。除了混凝或絮凝、生物降解、分离过程和反渗透外，还使用了多种技术来去除着色剂和管理废水。这些技术包括电渗析、过滤和浮选。在这些程序中大量使用化学试剂和电能是一个常见问题。吸附因其简单和低成本而被认为是处理废水的基本方法。如果吸附剂有效且使用前不需要任何额外的准备步骤，则为废水处理提供了极好的替代方案。此外，这种方法是一种环保的选择，因为它在标准压力和温度下起作用，同时释放染料。研究人员已经研究了使用各种成本和功效可变的吸附剂的可接受性，例如废杏、椰子壳 /乳品废弃物 /处理过的竹草，改性泥炭-树脂颗粒，柑橘皮，坚果壳 /开心果的壳，稻壳，甘蔗渣和坚果壳粉木炭，竹菠萝蜜皮，棕榈树垃圾和枣石，用于染料和重金属废水的排放。
目前，吸附物与吸附剂官能团之间的相互作用决定了所有用于释放染料和重金属离子的吸附剂的功效。膜吸附污染物并将其从废水中释放的能力取决于吸附位点的数量和基质的表面积。因此，阴离子交换膜 （AEM） 可被视为可接受的替代品，因为它具有较大的吸附表面积，可用于从水溶液中排出染料。使用 P81 和 ICE450 膜通过吸附去除从水溶液中去除甲基紫 2B。此外，使用 AEM 消除了 q琼脂糖珠 3GA 的水溶液。过去，我们讨论了如何使用各种生产和商用 AEM 从废水中去除染料。通过开发多孔三甲胺 （TMA） 接枝 AEM，用于从污水中去除伊红 B （EB）。据我们所知，文献中没有关于使用多孔三甲胺 （TMA） 接枝 AEM 从废水中吸附 EB 的已发表研究。此外，EB 是一种阴离子染料。它在水溶液中具有带负电荷的离子。制备的多孔 AEM（吸附剂）带正电荷。染料溶液中带正电的 AEM 表面和带负电的染料分子之间会存在吸引力。因此，我们在这项研究中选择 EB 作为污染物。
【成果简介】
在本工作中，研究的重点是通过相反转法制备多孔 TMA 接枝 AEM。研究了开发的多孔 AEM 的离子交换能力、结构、线性膨胀比、热稳定性和吸水率。为了证明多孔 AEM 的有效合成，我们使用了 FTIR 光谱。开发的多孔 AEM 用于通过吸附过程去除废水中的 EB。详细研究了 EB 吸附对多孔 AEM 质量、接触持续时间、温度和溶液中 EB 初始浓度的依赖性。还研究了多孔 AEM 上的 EB 吸附在动力学、平衡和热力学方面的表现。
【图文导读】
首先将 3.0 g BPPO 溶解在 N-甲基-2-吡咯烷酮 （NMP） 中，以产生 30% 溶液。将测量体积的 TMA 与产生的 BPPO 溶液 （0.30 g） 混合。将组分混合物在 40 °C 下整夜连续搅拌，以加快三甲胺与 BPPO 之间的反应。然后将混合物转移到透明托盘中，并立即浸入乙醇中。将膜浸泡在水中 2 天以清洗。使用 FTIR 光谱仪（Vector 22）证实了多孔 AEM 的生产，该光谱仪使用 4000-400 cm–1 的衰减全反射率 （ATR）范围。使用 TGA-50H 分析仪在 25–800 °C 的温度范围内以 10 °C/min 的加热速率在氮气流下观察热稳定性。通过场发射扫描电子显微镜 （FE-SEM， Sirion200） 检查形态。将干燥并精确称重的 AEM 浸入 25 °C 的蒸馏水中。 使用薄纸擦去表面水分后，测定了 AEM 的湿重。将 EB 吸附在显影的多孔 AEM 上。为了确定理想的接触时间，将含有测量质量 （0.1 g） 的显影多孔 AEM 小块在 40 mL 起始浓度为 50 mg/L 的 EB 溶液中摇动 50、100、200、300、400、500、900、1200 和 1400 分钟。在 40 mL EB 溶液中，使用 0.02、0.04、0.06、0.08 和 0.10 g 的各种质量，EB 起始浓度为 50 mg/L，持续 1440 分钟，我们发现了多孔 AEM 的最佳质量。为了研究吸附的等温线，将多孔 AEM 片 （0.10 g） 的计算质量摇动到 40 mL EB 溶液中 1440 min，浓度从 50、100、200、300、400、500、800 和 1000 mg/L 开始。为了进行吸附热力学研究，然后将一块多孔 AEM （0.1 g） 的测量质量以 200 rpm 的速度搅拌到 40 mL 初始浓度为 50 mg/L 的 EB 溶液中，在 303、313、323 和 333 K 下搅拌 1440 分钟。使用紫外-可见分光光度计（UV-2550），在最长 464 nm 处测量溶液的吸光度，以估计 EB 的浓度。使用校准曲线计算水溶液中存在的 EB 量。
使用 FTIR 光谱法检查了多孔 AEM 的生产。图 1 显示了获得的纯 BPPO 和多孔 AEM 的 FTIR 光谱。C-Br 拉伸振动是导致在 750 cm 处发现的条带的原因–1在纯 BPPO 膜中。C-N 的拉伸振动由 1260 cm 处的峰值表示–1在制备的多孔 AEM 中。此外，它在干净的 BPPO 膜中是不可见的。在多孔 AEM 的 ATR-FTIR 光谱中，它已经消失了。将 TMA 离子交换部分添加到 BPPO 基质中，以证明 AEM 制备的有效性。
图 1.制造的多孔 AEM 和原始 BPPO 的 FTIR 光谱。
显示了创建的 AEM 的表面和横截面的 SEM 显微照片。这项研究表明 AEM 具有多孔结构。此外，AEM 没有相分离、裂纹或孔洞，证明了离子交换基团和聚合物基质的出色兼容性。横截面显微照片包含手指状孔结构，如图 S2 所示。
通过热重分析 （TGA） 证明了所生产的 AEM 的热稳定性。使用 30 至 700 °C 之间的温度来显示氮气环境中的热稳定性。生成的 AEM 的 TGA 热像仪如图 S3 所示。观察到体重减轻的三个阶段。在 80–140 °C 左右，AEM 上表面吸附的水开始蒸发，导致失重过程的第一阶段。重量损失的第二阶段发生在 180 至 230 °C 之间，此时季铵基团降解为聚合物基体。在 400 °C 左右观察到聚合物主链的降解，这与最终的失重步骤相对应。这表明所制备的AEM具有良好的热稳定性。
吸水率对离子交换膜的性能有相当大的影响。由于水分子需要离子传输并且它们存在于膜基质内，因此水分子也有助于带电官能团的分离。在室温下，生产的 AEM 测定的吸水率为 240%。这意味着生成的多孔 AEM 可以有效地去除污水中的颜色。使用标准 Mohr 方法计算离子交换容量。离子交换膜与亲水性和传输特性的重要性是一个关键因素。制备的 AEM 的实测 IEC 值为 1.45 mg/g。在室温下，研究了 AEM 的线性膨胀率。测得的 LER 值为 9.0%。结果表明，开发的 AEM 表现出与其电化学性质相适应的更高抗溶胀性。
详细说明了影响开发的多孔 AEM 从废水中排放的 EB 数量的操作要素。接触持续时间对废水 EB% 排放的影响如图 2a 所示。EB 放电显示，在室温下，接触时间随时间增加。此外，由于多孔 AEM 上存在过多的活性位点，EB 去除在开始时很快，并且随着时间的推移而下降。从这些结果中，在 1400 分钟后找到平衡。利用这个优化的时间进行进一步的实验。吸附剂的用量对废水中染料的排放有显著影响。通过在室温下将多孔 AEM 质量从 0.01 g 增加到 0.05 g 来研究这些影响，结果如图 2b.随着多孔 AEM 质量在室温下从 0.01 g 增加到 0.05 g，EB 对多孔膜的吸附能力下降。这是由于 EB 和水溶液的浓度有限。在室温下，还研究了 EB 起始浓度对其从废水中释放的百分比的影响。
图 2.（a） 接触持续时间、（b） 膜剂量、（c） EB 起始浓度和 （d） 温度对 EB 吸附能力的影响。
图 2c 显示了 EB 起始浓度对废液消除百分比的影响。研究结果表明，增加溶液中第一种着色剂的浓度增加了 EB 对合成多孔 AEM 的吸附能力。该问题是由混合物中 EB 浓度较高引起的，这增强了分子从溶液移动到多孔 AEM 侧的能力。多孔 AEM 表面和 EB 分子相互作用更频繁。结果表明，EB 起始浓度对多孔 AEM 的吸附能力有正影响。通过将温度从 273 K 调节到 333 K，研究了温度对 EB 吸附容量的影响。图 2d 说明了温度对 EB 吸附容量的影响。EB 吸附容量随温度升高而降低。从这里，我们得出结论，开发的多孔 AEM 从废水中排放 EB 是一个放热过程。
为了解释 EB 吸附到产生的多孔 AEM 上，使用了几种等温线模型，包括 Temkin、Langmuir 和 Freundlich 模型。测量参数如表 1 所示，其曲线如图 3 所示。用于在多孔 AEM 上吸附 EB 的 Langmuir 曲线等温线如图 3a 所示。表 1 提供了 Langmuir 等温线的推导出值。相关系数值 （R2= 0.992）接近 1 的 Langmuir 等温线表明 EB 吸附到生成的多孔 AEM 上遵循了 Langmuir 等温线。计算的 RL（0.05–0.34） 值表明 EB 吸附过程成功。在图 3b 中，显示了 EB 吸附的 Freundlich 等温线。表 1 列出了其组件的计算值。结果表明，EB 根据 Freundlich 吸附等温线粘附在产生的多孔 AEM 上。1 到 2 之间的值表示弱吸附，小于 1 的值表示对 Freundlich 常数 n 的强吸附，其范围为 2-10。此外，图 3c 显示了 EB 吸附的 Temkin 等温线图。这是测量的bT和 AT值如表 1 所示。Temkin 等温线的相关系数 （R2= 0.974）低于 Langmuir 等温线;因此，人们认识到，使用这种 Temkin 等温线讨论 EB 吸附到创建的多孔 AEM 上是不切实际的。
图 3.（a） Langmuir 等温线，（b） Freundlich 等温线，以及 （c） Temkin 等温线，用于将 EB 吸附到从废水中显影的多孔 AEM 上
表 1.使用确定的吸附等温线参数将 EB 吸附到创建的多孔 AEM 上
在动力学模型的帮助下，可以预测预期的机制和所遵循的吸附途径。预计吸附过程将遵循多种机制，根据这些机制可以推断出吸附过程本质上是物理的还是化学的。通常，伪一级模型描述了基于扩散的吸附，而在化学吸附的情况下，更具体地遵循二级模型，这涉及膜和吸附物之间的电子交换。对于从废水中将 EB 吸附到显影的多孔 AEM 上，通过应用几个动力学模型来说明吸附动力学。所用动力学模型的图表如图 4 所示，表 2 包含计算的动力学因子。根据获得的数据，伪二级模型呈现最佳拟合，这表明膜吸附溶质的效率主要取决于其吸收能力，而不是溶质的浓度。对于制备的多孔 AEM，伪二级模型的应用代表了染料分子与制备的多孔 AEM 的离子交换基团之间的相互作用。因此，吸附体系为化学吸附。值得注意的是，EB 吸附过程到多孔物上最适合具有化学吸附机制的准二级模型。准二级动力学模型已被广泛用于指示各种吸附系统中的化学吸附。此外，Elovich 模型无法描述 EB 吸附到多孔 AEM 上（表 2，图 4）。
图 4.（a） EB 从废水中吸附到显影的多孔 AEM 上的准一阶、（b） 准二阶和 （c） Elovich 模型的图。
表 2.确定 EB 在创建的多孔 AEM 上的吸附动力学参数
同样，液膜扩散模型 （R2= 0.980） 和修正的 Freundlich 方程 （R2= 0.969）不如伪二阶模型有利，因此不适合研究（图 5，表 2）。图 5c 显示了 Bangham 方程的 EB 吸附曲线。该图缺少线性曲线表明，除了吸附物 （EB） 扩散到吸附剂的孔隙中（生成的多孔 AEM）之外，还有其他速率调节过程。薄膜和孔隙扩散在不同程度上对于废水中 EB 吸附到多孔 AEM 上至关重要。
图 5.（a） 液膜扩散模型，（b） 修正的 Freundlich 方程，以及 （c） EB 从废水中吸附到显影的多孔 AEM 上的 Bangham 方程。
为了对产生的多孔 AEM 上的 EB 吸附进行吸附热力学分析，确定了熵 （ΔS°）、焓 （ΔH°） 和 Gibb 自由能 （ΔG°） 的值。ln K 之间的图cEB 吸附的 1/T 如图 6 所示。表 3 列出了热力学因子值。通常，正 ΔG° 表示在吸附过程中需要外部能量来源。(80)同时，负 ΔG° 值表明吸附过程的可行性及其自发性质，无需外部能源。(80)EB 吸附到多孔 AEM 上时，在所有温度下的 ΔG°（吉布自由能）均为负值，表明 EB 吸附自发地发生在多孔 AEM 上，无需外部能源。从表 3 中可以看出，由于负焓值 （ΔH° = −16.60 kJ/mol），EB 吸附到多孔 AEM 上是一个放热过程。此外，观察到 EB 吸附到废水中产生的多孔 AEM 上，导致吸附物-吸附剂界面处的任意性降低，从而导致负熵值。
图 6.EB 吸附到废水中产生的多孔 AEM 上的 1/T 和 ln Kc 之间的关系
表 3.确定 EB 吸附到多孔 AEM 上的热力学参数值
【总结】
详细介绍了用于构建多孔 AEM 的相反转方法。通过 FTIR 光谱验证了 BPPO 和 TMA 相互作用有效生产多孔 AEM。它表现出优异的热稳定性和多孔结构。它的 IEC 为 1.45 mg/g，LER 为 9.0%，WR25 °C 时为 240%。 研究发现，EB 对多孔 AEM 的吸附随时间和初始 EB 浓度的增加而增加，而随着 AEM 剂量和温度的增加而降低。根据等温线分析，EB 吸附到多孔 AEM 上符合 Langmuir 等温线。根据吸附动力学，EB 吸附的准二级动力学是合适的。热力学分析表明，EB 吸附到多孔 AEM 上是一个放热和自发的过程。结果表明，生成的多孔 AEM 可以有效地用作吸附剂，从废水中提取 EB。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.3c06827?goto=supporting-info
