溶媒脱着を使用した、消耗した吸着剤からのカチオン性およびアニオン性吸着質の溶出プロファイル

Scientific Reports volume 12、記事番号: 1665 (2022) この記事を引用

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本発明は、様々な溶離液を使用して、消耗した吸着剤からのアニオン性化合物およびカチオン性化合物の溶出プロファイルを研究することを含む。 コンゴレッド色素や炭酸イオンなどのアニオン成分のバッチ溶出研究。 および以前に使用された天然に調製された吸着剤、すなわちGulmohar (Delonix regia) 葉粉末-GLPからのメチレンブルー色素およびカドミウム金属などのカチオン性化合物。 およびニーム (Azadirachta indica) の葉の粉末 - NLP およびその誘導体が実施されました。 バッチ研究に使用したさまざまな溶離液は、さまざまな濃度のさまざまな酸とアルカリ溶液、および 7 つの収着 - 脱着サイクルにおけるさまざまな官能基を持つ溶媒でした。 バッチ データは、動力学モデル (擬似一次、擬似二次、粒子内、エロビック方程式) によってアクセスされました。 選択した溶離液を使用して、NLP からのコンゴレッドとカドミウム、および NLP からの活性炭 (AC-NLP) のカラム溶出実験をそれぞれ実行しました。 収着および溶出プロセスのプロットとパラメーター、および 7 つの収着 - 脱着サイクルのライフサイクル プロットが評価され、議論されました。 脱着効率から、脱着の探索は主に pH 因子に依存することが明らかになりました。

世界では、持続可能な発展の概念が維持されるように産業が発展することが望まれています。 しかし、汚染物質の排出、大気への排出停止、固形廃棄物のリサイクル、騒音の閉じ込めなどのいくつかの困難を抱えています。そのうち、主に産業個人が直面しているのは固形廃棄物管理の複雑化です1。 一部の地域での産業固形廃棄物の発生量は年間 19 億トンと推定されており、この量は 20 年以内に 2 倍になるでしょう。 この産業固形廃棄物は、収集、処理、処分という課題に直面していました2。 固形廃棄物は、埋め立て、焼却、堆肥化によって処分することが好ましい。 埋め立てでは、固形廃棄物の浸出液が土地汚染を引き起こす可能性があります。 また、最初の温室効果ガスであるメタンガスも発生します。 さらに、固形廃棄物の焼却は、炭素酸化物（COx）、窒素酸化物（NOx）、硫黄酸化物（SOx）、多環芳香族炭化水素、重金属などの非常に危険な大気汚染物質を生成する原因となります。 固形廃棄物の堆肥化には、広い面積と適切な環境条件が必要です3。 吸着プロセスは、さまざまな汚染を除去するため、世界中で水および廃水処理に広く利用されています。 産業においては、吸着は排水処理プラント（ETP）の三次処理として使用されており、吸着剤として活性炭が使用されています。 また、珪砂、無煙炭、ガーネット砂、またはこれらの材料を組み合わせた混合物も三次ろ過として使用されます4。 また、吸着プロセスは、精製、分離、触媒作用、除湿、発酵、臭気除去、炭化水素分別などに使用されます。吸着プロセスでは、活性炭、石炭、または砂の吸着能力が完了し、しばらくすると枯渇した吸着剤と見なされます。 その後、固形有害廃棄物として認識され、埋め立て処分されます5,6。 炭のほかに、植物の根、葉、農業廃棄物などの天然素材も簡単に入手でき、安価で、持続可能な発展を維持し、安全に使用でき、従来の吸着剤の代替品ですが、吸着能力は比較的低いです。 適切な固形廃棄物管理と持続可能な開発の導入のために、数人の科学者が使い果たした吸着剤を再生して再利用するために働いています。 使用済み吸着剤の再生には、熱再生、超臨界流体抽出、生物学的酸化、事前酸化、マイクロ波、超音波、オゾン処理、脱着などのさまざまな技術が利用できます。 それぞれの方法には長所と短所があります7,8。 脱着、つまり吸着の予備プロセスは他の再生方法よりも優れた方法です。 さらに、脱着の研究により、吸着機構、つまり物理的または化学的吸着が明らかに正当化され、さらなる使用のための吸着剤の安定性に関する情報も得られます9。 脱着には2種類あります。 熱脱着は効果的ですが、高価で、放出される汚染物質が不十分で、前処理が必要です。一方、溶媒脱着は、シンプルかつ効果的で、時間がかからず、環境に優しく、安価な方法と言われています。 溶媒脱着では、バッチまたはカラム実験を通じて、使い果たされた吸着剤を溶離液と呼ばれる酸、アルカリ、有機溶媒などの液体物質で処理します。 使い果たされた吸着剤が吸着質を遊離するような溶離剤の選択。 脱着後、消耗した吸着剤は再生され、再利用されます10。

この論文では、酸、アルカリ、溶媒などのさまざまな溶離液を使用した、金属と染料を使い果たした吸着剤の脱着研究の実現可能性について説明しています。 溶離液と溶媒脱着のタイプ (バッチとカラム) の比較研究は、脱着能力に応じて評価されました。 バッチ脱着のデータは速度論的等温線で評価されます。 カラムの脱着は、吸着および溶出プロセスのプロットとパラメーターによって実行されました。 および活動指標の方程式。

すべてのバッチ実験では、5 つの酸 (塩酸、硫酸、硝酸、酢酸、およびエチレンジアミン四酢酸 - EDTA)、5 つのアルカリ (水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、および重炭酸ナトリウム)。 溶離液として 5 種類の有機溶媒 (精留蒸留酒、アセトン、アセトアルデヒド、トルエン、ジクロロメタン - DCM) を使用しました。 異なる濃度、すなわち0.05、0.10、0.15および0.20 Mの酸およびアルカリ溶液を蒸留水を使用して調製した。 これらの溶離液の選択は、実験が強酸、弱酸、アルカリ溶液の全範囲をカバーしているという事実によるものです。 また、アルコール、ケトン、アルデヒド、炭化水素、ハロゲンなどのさまざまな官能基を有する溶媒も使用できます。 また、吸着質の溶出には、この実験ではカチオン材料だけでなくアニオン材料も使用するように選択されています。 バッチおよびカラム脱着研究は表 1 に従って実施されました。表 1 では、Gulmohar (Delonix regia) 葉粉末 - GLP、ニーム (Azadirachta indica) 葉粉末 - NLP、NLP、NLP、および NLP 由来の活性炭 (AC-NLP) を使用しました。コンゴレッド色素、炭酸イオン、メチレンブルー色素、カドミウムおよびカドミウム金属の溶出にそれぞれ使用され、バッチ脱着に使用されます。 以前は、これらの吸着剤は、表 1 に従って異なる吸着剤用量、初期濃度、温度で排気されました。バッチ脱着研究は、1.0 g の排気された吸着剤を採取し、250.0 mL の溶離液を加え、接触時間 6 時間、温度 300 K で時々撹拌しながら実施されました。 1 時間ごとの時間経過で 2 分間。 その後、溶液を濾過し、濾液から吸着物の量を測定した。 ここで、バッチ脱着研究の最適な接触時間は 6 時間でした。 化学反応速度等温線については、別のバッチパラメーターを維持しながら、30、60、120、180、240、および 300 分の接触時間でバッチ脱着研究を実行しました。 脱着経路と速度を理解するために、4 つの化学反応速度等温線、つまり擬一次、擬似二次、粒子内拡散、およびエロビッチ等温線が使用されました。 等温線のそれぞれのグラフをプロットし、その相関係数の値を求めました11。

コンゴレッド色素を消費した GLP とカドミウムを消費した AC-NLP について、選択した溶離液を使用したカラム脱着研究を実施し、バッチとカラムの脱着研究を比較しました。 以前に吸着に使用したカラムを脱着研究に利用しました12。 他の 5 つの金属、つまり銅 (II)、クロム (II)、亜鉛 (II)、ニッケル (II)、鉛 (II) の中からカドミウム金属を選択したのは、前回のバッチで除去される金属が最も少なかったことと、カラム吸着実験。 使い果たされたカドミウムが脱離すると、他の金属も容易に脱離すると推定されます。 以前は、ベッド高さ、初期色素濃度、流速 10 cm、60 mg/L、10 mL/min を使用して、100% コンゴーレッド色素を GLP に吸着させました。 また、表 1 に従って、ベッド高さ 10 cm、初期濃度 25 mg/L、流速 10 mL/min を使用して、25 mg/L カドミウムを AC-NLP に吸着させました。カラム脱着実験では、各溶離液を 10 の流量に通過させました。定義された流速の cm カラムと、溶離液から吸着質の溶出量を推定しました。 溶出プロファイルを分析するために、破過脱離および溶出曲線をプロットしました。 7 つの収着 - 脱着サイクルにおけるさまざまなカラムの収着および溶出プロセス パラメーター (吸着容量 (Q)、破過時間 (tb)、枯渇時間 (te)、物質移動ゾーン (Δt)、ベッド高さ (Z)、臨界ベッド長など) (Zm)、すなわち、t = 0 での破過時間 tb を得るのに必要なベッド長、溶出時間、速度定数 (1 時間の dC/dt)、コンゴレッドとカドミウムの除去率および溶出効率を計算しました 13。 また、カラムの寿命は、以下の活性指標式 14 を使用して決定されました。

ここで、x はサイクル数、tb,0、Q0、Zm,0 はそれぞれ初期破過時間、カラムの取り込み、臨界ベッド長です。 また、ktb、kQ、kZm はそれぞれ破過時間、取り込み、臨界床長に対応する寿命係数を表します。 これらすべての寿命因子は、破過時間、取り込み容量、臨界床長とサイクル数のグラフをプロットすることによって決定されました。

ここでは、持続可能性を維持するために、使い果たされた吸着剤のほとんどが以前の実験で使用されたものです。 バッチおよびカラム脱着研究では、最初に排出された吸着剤を水で 3 回洗浄し、50 ～ 60 °C で 48 時間乾燥しました。 その後、使い果たした各吸着剤をガラス瓶の下に保管し、その後真空デシケーターに保管して完全性を保持しました。 また、表 1 は、これらの吸着剤が早期に使い果たされるバッチおよびカラムのパラメーターを示しています。 また、以前の実験での吸着質の吸着量についても言及しました。 その後、各吸着剤をさらに同様の吸着質の同じ吸着研究 (バッチまたはカラム) に利用しました。 １サイクル、すなわち吸着（使用済み吸着剤の生成）および脱着（使用済み吸着剤から吸着剤の再生）の完了後、以下の式を使用して脱着効率（％）を決定した。 脱着研究の実現可能性を分析するために、サイクル数を実行しました。

ここで、Cdes は脱着された吸着質の濃度 (mg/g)、Cads は吸着された吸着質の濃度 (mg/g15) です。

すべての材料は Sigma-Aldrich から購入しました。 酸性染料、塩基性染料、金属の測定には、ダブルビーム紫外可視分光光度計（ELICO SL ダブルビーム紫外可視分光光度計）を使用しました。 コンゴレッドおよびメチレンブルー色素の量は、それぞれ λmax = 500 および 665 nm を使用して推定されました。 また、水および廃水の標準検査方法に従ってカドミウムおよび炭酸イオンが分析されました16。 カドミウムは、フレーム原子吸光分光法 (AAS) (モデル: PinAAcle 900、Pelkin Elmer) で分析されました。 すべての実験は 3 回実施され、平均値が取られました。

バッチ脱着研究は、さまざまな種類の吸着質、吸着剤、溶離液を使用して実施され、7 サイクルの吸着-脱着が実行されました。 表 2 は、溶離液として酸、アルカリ、および溶媒を使用した、消耗した GLP および NLP からのコンゴーレッド色素と炭酸イオンの溶出の実験結果を示しています。 0.05 ～ 0.20 M の酸 (塩酸、硫酸、硝酸、酢酸、EDTA) を使用すると、GLP からのコンゴーレッド色素の最低脱着効率は、最初のサイクル後に 1.0 ～ 2.3% に達しました。 また、最初のサイクル後に溶離液としてすべての溶媒 (精留蒸留酒、アセトン、アセトアルデヒド、トルエン、DCM) を使用した場合、脱着効率は最大 15.1% に達しましたが、87.5、98.5、80.2、および 74.5% というより高い脱着効率が達成されました。最初のサイクルを使用して、それぞれ 0.05、0.10、0.15、および 0.20 M 水酸化ナトリウム溶液。 その後、連続するサイクルで効率が継続的に減少したため、7 番目のサイクルで 0.05、0.10、0.15、および 0.20 M 水酸化ナトリウム溶液を使用すると、効率はそれぞれ 50.4、58.4、53.2、および 45.5% 減少しました。 0.05、0.10、0.15、0.20 Mの水酸化カリウム溶液を使用すると、最初のサイクル後にこれらの効率はそれぞれ 77.5、87.5、71.2、65.5% 達成されました。 7 サイクル後はそれぞれ 41.2、44.2、39.5、35.4% 減少しました。 さらに、最初のサイクルで溶離液として 0.05 ～ 0.20 M 水酸化リチウム、水酸化カルシウムおよび重炭酸ナトリウム溶液を使用した場合、GLP からのコンゴーレッド色素の脱着効率は 65.2 ～ 25.5% に達しました。

枯渇した NLP からも同様の炭酸イオンの溶出挙動が観察されました。 強酸および弱酸の脱着効率は 1.2 ～ 2.8% です。 また、最初のサイクル後に、すべての溶媒 (精留蒸留酒、アセトン、アセトアルデヒド、トルエン、DCM) を溶離液として使用した場合、最大 12.2 ～ 14.5% の脱着効率が達成されました。 0.05、0.10、0.15、および0.20 Mの水酸化ナトリウム溶液を使用すると、最初のサイクル後にそれぞれ86.5、96.2、84.4、および70.2%という高い脱着効率が得られます。 ７サイクル後にはそれぞれ５０．２、５５．６、５３．７および４８．７％が得られた。 また、最初に0.05、0.10、0.15、0.20Mの水酸化カリウム溶液を使用した後、脱着効率はそれぞれ90.4、94.5、75.5、60.5%に達しましたが、7回目のサイクル後はそれぞれ35.5、39.5、36.4、30.2%に減少しました。 さらに、最初のサイクルで溶離液として 0.05 ～ 0.20 M 水酸化リチウム、水酸化カルシウムおよび重炭酸ナトリウム溶液を使用すると、65.2 ～ 23.5% の効率が達成されました。

上記の結果から、アルカリ性溶液を溶離液として使用すると、吸着剤、GLP、NLP からのアニオン性コンゴレッド色素または炭酸イオンの脱着効率が高く、溶媒および酸性溶液からの脱離量は少ないことがわかります。 この挙動は、陰イオン性コンゴレッドまたは炭酸イオンがそれぞれ陽イオン性吸着剤である GLP または NLP に吸着されたことに起因すると考えられます。 吸着剤の量が平衡時の吸着質よりも多いため、吸着剤が枯渇すると、GLP または NLP はカチオン性になります。 さて、カチオン性吸着剤を負電荷を帯びた異なるアルカリと反応させると、静電相互作用により、枯渇したGLPやNLPから負電荷を帯びた吸着剤、すなわちアニオン性コンゴレッド色素や炭酸イオンが溶出します。 さらに、高濃度のアルカリ溶液 (0.15 および 0.20 M NaOH) は、消耗した吸着剤の構造に損傷を与える可能性があり、低濃度のアルカリ溶液 (0.05 M NaOH および KOH、LiOH、Ca(OH)2 および NaHCO3 のすべての溶液) は吸着剤の構造を損傷する可能性があります。脱着機構が遅い。 官能基の異なる溶媒は、アニオン性コンゴレッド色素や炭酸イオンとわずかに親和性があるため、軽微な脱離が起こります。 しかし、カチオン性吸着剤である GLP または NLP は、カチオン性酸性溶液を使用しても、一般的なイオン効果により、アニオン性コンゴレッド色素または炭酸イオンを溶出しないか、またはごくわずかしか溶出しません。 したがって、0.1 M NaOH は、アニオン性コンゴレッド色素および炭酸イオンに対して最も高い脱着能力を示します。

表 3 は、溶離液として酸、アルカリ、溶媒をそれぞれ使用して、NLP からのメチレンブルー、カドミウム (Cd)、NLP、NLP から調製した木炭の脱着効率を示しています。酸性溶液は優れた結果を示しますが、アルカリ性溶液と溶媒は優れた結果を示します。結果が最も少なかった。 0.05、0.10、0.15および0.20 M HCl溶液を使用した場合、最初のサイクル後にNLPからのメチレンブルー色素の脱着効率はそれぞれ93.5、97.8、81.2および75.5%でした。 その後、各サイクルの完了後に連続的な減少が見られました。 最後に、これらの効率は、7 サイクル後に 0.05、0.10、0.15、0.20 M HCl 溶液を使用するとそれぞれ 55.5、60.2、50.7、48.5% まで減少しました。 脱着効率は、0.05、0.10、0.15、0.20 M H2SO4 溶液を使用すると、最初のサイクル後には 87.5、91.5、80.3、および 70.5%、7 回目のサイクル後には 53.9、57.5、50.2、および 42.5% にそれぞれ達成されました。 さらに、NLP からのメチレンブルー色素の脱着効率は、0.05 ～ 0.2 M HNO3、CH3COOH、および EDTA 溶液を使用して 53.2 ～ 30.2% の範囲で達成されました。 また、異なる溶媒とアルカリ溶液を使用すると、それぞれ最低効率、つまり 11.5 ～ 13.2% と 0.9 ～ 2.1% が観察されました。

NLP からのカドミウム (Cd) の脱着効率は、他の酸性溶液 (0.05 ～ 0.2 M HNO3) を使用した場合、それぞれ 0.05 ～ 0.20 M HCl 溶液を使用した場合、最初のサイクル後に 93.4 ～ 70.2%、7 回目のサイクル後に 55.7 ～ 44.4% の範囲に達しました。 、CH3COOH および EDTA 溶液）、異なる溶媒およびアルカリ溶液では、それぞれ 48.5 ～ 27.5、11.8 ～ 14.1、および 1.0 ～ 2.6% の範囲で低い効率が達成されました。 さらに、AC-NLP からのカドミウム脱着を実行したところ、0.05 ～ 0.20 M HCl 溶液を使用した場合、最初のサイクル後には最大 97.2 ～ 78.8%、7 サイクル後には 59.8 ～ 47.5% の効率が達成されることがわかりました。 また、これらの効率は、他の酸性溶液 (0.05 ～ 0.20 M HNO3、CH3COOH、および EDTA 溶液)、異なる溶媒、およびアルカリ性溶液を使用して、それぞれ最大 89.7 ～ 31.2、12.5 ～ 15.6、および 1.2 ～ 3.0% まで達成されました。

ここで、溶離液として酸性溶液を使用すると、NLP および AC-NLP からのカチオン性メチレンブルー色素とカドミウム (Cd) 金属の溶出において、より高い脱着効率が示されます。 ただし、溶媒やアルカリ溶液では最も脱離挙動が見られません。 ここでは、まず、カチオン性メチレンブルー色素とカドミウム (Cd) をアニオン性 NLP および AC-NLP に吸着させます。 吸着剤の量は平衡時の吸着質よりも豊富にあるため、消耗したNLPおよびAC-NLPでは正の電荷（アニオン）が発生します。 次に、アニオン性物質を正に帯電した酸性溶液と接触させると、静電相互作用により NLP および AC-NLP からカチオン性メチレンブルー色素とカドミウム (Cd) 金属が溶出しました。 さらに、強酸 (H2SO4) および弱酸 (HNO3、CH3COOH、および EDTA) は、中程度の電位酸 (HCl) を使用する場合よりも脱離が少ないことが示されています。 より高い濃度、つまり 0.15 および 0.20 M の HCl は吸着剤の構造に損傷を与える可能性があり、より低い濃度、つまり 0.05 M の HCl は脱離プロセスを遅らせる可能性があります。 一方、溶剤やアルカリ溶液では、わずかで無視できるほどの脱離が見られます。 また、AC-NLP は NLP よりもカドミウムの脱離効率が高いことが観察されました。 したがって、0.1 M HCl はメチレンブルー色素とカドミウム (Cd) 金属に対して最大の脱着能力を示します。 また、活性炭には直径に応じてミクロ細孔、メソ細孔、マクロ細孔という3種類の細孔があるため、AC-NLPは純粋なNLPに比べてこれらの細孔に溶離液が浸透しやすくなります。

このセクションから、溶離液として酸を使用すると、吸着剤、GLP、または NLP からのアニオン性コンゴレッド色素または炭酸イオンの脱着効率がそれぞれ高くなるという結論に達しました。 また、溶離液としてアルカリ溶液を使用すると、NLP および AC-NLP からのカチオン性メチレンブルー色素およびカドミウム (Cd) 金属の溶出において、より高い脱着効率が示されます。 強酸は吸着剤の構造を破壊する可能性があり、弱酸は脱着機構を遅くする可能性があります。 AC-NLP はネイティブ NLP よりもカドミウムの脱着効率が高くなります。 したがって、速度論とカラムの研究では、アニオン性吸着質とカチオン性吸着質はそれぞれ 0.1 M 塩酸と 0.1 M 水酸化ナトリウム溶液を使用して溶出されます 8。

脱着機構を決定するために、コンゴレッド色素とカドミウム金属の溶出プロファイルを、それぞれ 0.1 M 塩酸と 0.1 M 水酸化ナトリウム溶液を使用して、30、60、120、180、240 および 300 分の接触時間で研究しました。 これらのデータは、速度論的等温線、つまり擬一次、擬似二次、粒子内拡散およびエロビッチ等温線によって評価されました。 表 4 は、コンゴレッドとカドミウムの溶出に関する、使用された列挙された反応速度等温線、それらの方程式、線形プロット、および相関係数値 (R2) を表しています。 最高の R2 値 (0.9987 および 0.9974) は擬一次から得られました。 別の速度等温線の R2 値は 0.9900 ～ 0.9711 の範囲でした。 これらの値は、コンゴレッドとカドミウムの脱離が擬一次順序に従っていることを明らかにしました。 これは、脱着プロセスが 2 つの反応物、つまり吸着物と溶離液に依存するが、溶離液の量が吸着物と比較して過剰すぎるという事実によるものです。 したがって、脱着速度は吸着物のみに依存します。

脱着カラム研究は、GLP および AC-NLP からそれぞれコンゴレッドおよびカドミウム金属を溶出するために、0.1 M 塩酸および 0.1 M 水酸化ナトリウム溶液を使用し、流速 5 mL/min、ベッド高さ 10 cm で実行されました。 合計 7 サイクルを実行しました。 これらのデータから、破過曲線と脱着曲線がプロットされました。 まず、吸着カラムに消耗した吸着剤、つまり GLP または AC-NLP (量: 12.4 ～ 10.5 g) を充填密度 215 g/L、ベッド高さ 10 cm で充填しました。 そして、7 サイクルの完了後、充填密度 151.1 ～ 149.2 g/L、吸着床高さ 8.7 ～ 8.0 cm の乾燥吸着剤質量 9.5 ～ 7.4 g のみがカラム内に残り、30.1 ～ 35.0% の重量損失が示されました。

脱着の流速 (5 mL/分) は、以前の吸着研究 (10 mL/分) よりわずかに低く選択されており、これにより、吸着質上の利用可能な部位へのソルベートのより高い吸着が促進され、その結果、より高い結合が得られます 17。 図 1 は、コンゴーレッド色素とカドミウム金属の溶出破過曲線を示しています。最初は NLP および AC-NLP からの吸着質の溶出が高いことがわかります。 その後、両方の吸着物のゆっくりとした溶出が見られました。 同じタイプの脱着挙動が、Fagundes-Klen ら 18 および Lodeiro ら 19 の実験で観察されました。 また、表 5 には、7 つの収着 - 脱着サイクルにおけるさまざまな収着および溶出プロセスのパラメーターが示されています。 バッチ研究によると、脱着プロセスはサイクル数の増加とともにゆっくりと減少しました。 色素の更新容量のパーセンテージは、第 1 サイクルから第 7 サイクルまで、それぞれ色素の場合は 70.0 ～ 64.8 mg/g、金属の場合は 25.0 ～ 22.0% でした。 さらに、染料 (85.5 ～ 56.3%) および金属 (88.8 ～ 60.5%) の除去率はサイクル数とともに減少しました (表 5)。

コンゴレッド染料とカドミウム金属の溶出限界曲線。

図 2 は、コンゴレッドとカドミウムの収着破過曲線を示しています。 どちらの吸着質も最初は傾きが最も低く、最初のサイクルで高い吸着能力が示されました。 その後、サイクル数が増加するにつれて、斜面はスリーパーになり、吸着能力が低下します。 また、速度定数-dC/dtの値の減少（コンゴレッドの場合は8.5〜3.3 mg/L・h、カドミウムの場合は8.1〜2.9 mg/L・h）および物質移動ゾーン-Δtの拡大（22.5〜3.3 mg/L・h）によっても確認されます。コンゴレッドの場合は 38.9 cm、カドミウムの場合は 23.4 ～ 38.3 cm）、サイクル数は表 5 に記載されています。さらに、両方の吸着質について 3.6 時間後に平衡に達しましたが、これはバッチ脱着研究 (6.0 時間) よりも低かったです。 また、バッチおよびカラムの研究に使用した溶離液の総量は、使い果たした吸着剤あたりそれぞれ 250 mL と 189.5 mL でした。 したがって、カラム脱着研究はバッチ研究よりも実現可能であることが明らかになりました。

コンゴレッド染料とカドミウム金属の収着限界曲線。

図 3A、B はそれぞれ、破過時間と臨界床長対サイクル数、および取り込み能力対サイクル数 (x) を表しており、0.93 より大きい決定係数 (R2) 値を持つ直線です。 これは、脱離研究におけるすべての活性指標方程式の適用可能性を示しています。 表 6 は、活動指標方程式のさまざまなパラメーターを示しています。 破過時間対サイクル数のプロットから、すなわち、x、tb,0、および ktb は、コンゴレッドではそれぞれ最大 7.1286 時間および 0.1286 時間/サイクルに達しました。 カドミウムの場合はそれぞれ 7.2 時間と 0.1214 時間/サイクルです。 したがって、コンゴレッドとカドミウムの両方の吸着物について、最大 55 サイクルにわたって時間 t = 0 での破過を回避するのに十分な容量を確保することができます。 Q0 と kQ の値は、コンゴレッドではそれぞれ最大 70.5 mg/g と 0.8393 mg/g・サイクルに達しました。 ２４．７２９ｍｇ／ｇおよび０．５３２１ｍｇ／ｇ・サイクルは、それぞれ、取り込み容量対ｘのプロットから導出された。 したがって、コンゴレッドとカドミウムについてはそれぞれ 84 サイクル後と 48 サイクル後にカラムが完全に使い果たされ、取り込まれない可能性があることが予想されます。 これら 2 つの異なる値は、メチレン ブルーとカドミウムの初期濃度が異なる、つまり以前の吸着実験ではそれぞれ 75 と 25 mg/g であったという事実を意味します。 また、臨界床長対 x のプロットから、コンゴレッドでは Zm,0 と kZm がそれぞれ最大 9.0174 cm と 0.15 cm/サイクルに達しました。 カドミウムではそれぞれ 6.1714 cm と 0.1357 cm/サイクルであり、時間 t = 0 で 40 ～ 45 サイクル後にブレークスルーが実行されることを示しています。

破過時間、臨界床高さ、および取り込み容量対サイクル数の線形プロット。

この論文では、異なる溶離液を使用して、以前に使用済みの吸着剤からアニオン性化合物とカチオン性化合物を溶出する可能性を分析しました。

5 種類の酸性、アルカリ性、および 5 種類の溶媒を使用して、使い果たされた吸着剤から染料、金属、およびイオンを溶出するバッチ脱着研究を実行しました。 連続 7 サイクルを実行し、脱着効率を測定しました。

これは、静電相互作用により、それぞれ中濃度の酸性溶液とアルカリ性溶液を使用すると、アニオン性 (97.8%) およびカチオン性 (98.5%) 吸着体の脱着効率が高く、溶媒による溶出が少ないことを示しています。 AC-NLP (97.2%) は、ネイティブ NLP (93.4%) よりもカドミウムの脱着効率が高くなります。 疑似一次は、相関係数から導出された、使用されたモデルの中で最もよく適合します。

溶離液としてそれぞれ 0.1 M 塩酸および 0.1 M 水酸化ナトリウム溶液を使用したコンゴレッド色素および吸着質としてのカドミウム金属のカラム溶出。 破過曲線と脱着曲線がプロットされました。 溶出破過曲線から、最初はより高い溶出が観察され、その後は吸着質のゆっくりとした溶出が観察されることが明らかになりました。 また、吸着破過曲線は、サイクル数の増加、つまりそれぞれ 1 ～ 7 サイクルに伴い、吸着効率が減少している、つまり 99.7 ～ 97.5% であると結論付けました。

7 つの収着 - 脱着サイクルの収着および溶出プロセス パラメーターが計算され、言及されました。 活性指標方程式のプロットが描かれ、そのパラメータが表にまとめられました。これは、コンゴレッドとカドミウムについてそれぞれ 84 サイクルと 48 サイクル後にカラムが完全に使い果たされる可能性があることを示しています。

カラム脱着は、脱着平衡時間および消耗した吸着剤あたりの溶離液の量の点で、バッチ脱着研究よりも実行可能です。

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応用科学および人文科学部、太平洋工学部、カドダラ パルサナ ロード (NH-8)、V: Sanki、Ta。 394305 グジャラート州スーラト Palsana

Himanshu Patel

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転載と許可

Patel, H. 溶媒脱着を使用した、消耗した吸着剤からのカチオン性およびアニオン性吸着質の溶出プロファイル。 Sci Rep 12、1665 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-05805-8

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受信日: 2021 年 11 月 17 日

受理日: 2022 年 1 月 7 日

公開日: 2022 年 1 月 31 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-05805-8

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科学レポート (2022)

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