聚乙烯吡咯烷酮介导的电纺ZnO-ZnFe2O4复合纳米纤维

这次，我们将介绍聚乙烯吡咯烷酮介导的电纺ZnO-ZnFe2O4复合纳米纤维！

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聚乙烯吡咯烷酮介导的电纺ZnO-ZnFe2O4复合纳米纤维去除水中的孔雀石绿

Sradhanjali Raut* , Shraban Kumar Sahoo.(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666845924001065)
*School of Applied Sciences, Centurion University of Technology and Management, Odisha, India

由于其可持续性以及对生态系统和人类健康的影响，合成染料造成的水污染已成为一个严重的环境问题。孔雀石绿（MG）是一种合成染料，广泛应用于纺织、皮革、医药等各个领域，但其在水生环境中难以分解、有毒且对常规水处理方法具有抵抗力，因此需要一种能够有效去除水中MG的技术。吸附去除处理对于去除有机化合物和某些金属等微量污染物非常有效，因为可以通过使用吸附剂选择性地去除特定物质。

纳米纤维由于其表面积大、孔隙率高且易于功能化，因此作为吸附剂的应用也引起了人们的关注。其中，利用静电纺丝方法制备的静电纺纳米纤维，利用其高比表面积和可调性能，可以增强污染物的吸附效果，并有效去除污染物。

氧化锌 (ZnO) 和铁酸锌 (ZnFe2O4) 是重要的纳米材料，具有可用于水处理的特性。 ZnO具有光催化活性，可以分解有机污染物，铁酸锌通过磁吸附和

分离过程促进污染物去除。通过将这两种材料组合，可以改善各自的性能并获得具有高水净化性能的材料。 在本研究中，我们采用静电纺丝法制备了ZnO-ZnFe2O4复合纳米纤维，并评估了其作为有效去除水中MG染料的吸附剂的功能和性能。

<材质>

将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、无水乙酸锌、乙酰丙酮铁(III)、孔雀石绿(MG)和PVP溶解在乙醇中并制备。将它们分别以1:2、1:1和2:1的比例添加并搅拌，利用静电纺丝法从该溶液中生产纳米纤维，并通过在500℃下烧制除去PVP获得ZnO-ZnFe2O4纳米纤维。

使用粉末X射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和透射电子显微镜（TEM）评估所制造的纳米纤维的性能。然后，进行了一系列批量吸附实验，以研究 MG 染料在吸附剂表面的吸附行为，并使用紫外可见光谱从处理后的溶液中计算未去除的染料。

<结果>

・特性评价

观察到 ZnO 和 ZnFe2O4 的峰组合，表明两相共存于纳米复合材料中，并且峰强度根据锌与铁的比例而变化。

对Zn-Fe(1-1)、Zn-Fe(2-1)和Zn-Fe(1-2)三种Zn-Fe比例的纳米纤维进行比较证实，Zn-Fe(1-1)由于其大量的N2吸附而具有较大的表面积。

基于该结果，使用Zn-Fe(1-1)纳米纤维进行了以下实验。

接下来，当我们以不同分辨率观察ZnO-ZnFe2O4 for Zn-Fe(1-1)的FESEM图像时，我们观察到一维连续纳米纤维的形成。 FESEM-EDX 证实了锌、氧和铁的元素峰，证实了 ZnO 和 ZnFe2O4 的存在，并可能检测到杂质或表面污染物。纳米纤维的直径为40-60 nm。

该结果证实成功制备了二元氧化物ZnO-ZnFe2O4纳米纤维。

(引自Sradhanjali Raut, Shraban Kumar Sahoo.: Polyvinylpyrrolidone mediated electrospun ZnO-ZnFe2O4 composite nanofibers for removing malachite green from water, Results in Surfaces and Interfaces , Issue 17,1st October 2024.　)

・MG吸附实验我们在pH 3至9的纳米纤维表面进行了MG染料吸附实验，观察到pH越高，吸附力越高。 （图3b）

（引自Sradhanjali Raut, Shraban Kumar Sahoo.: Polyvinylpyrrolidone mediated electrospun ZnO-ZnFe2O4 composite nanofibers for removing malachite green from water, Results in Surfaces and Interfaces , Issue 17,1st October 2024.　)

根据通过改变溶液的pH值测量纳米纤维的表面电荷的数据，发现pHZPC（零点电荷）为6.4。

当pH<pHZPC时，材料表面带正电，当pH>pHZPC时，材料表面带负电，因此，在碱性条件下，带负电的吸附剂表面与水溶液中阳离子形式的MG之间产生静电引力，并观察到最大吸附效率。在酸性条件下，由于带正电的表面和MG的阳离子形式之间的静电排斥，吸附效率较低。

MG 染料吸附的时间和动力学研究表明，由于纳米材料上存在可用的活性位点，吸附效率最初随着接触时间的增加而增加。该步骤很快，表明初始吸附动力学良好。 60 分钟后接近平衡时吸附速度减慢表明存在扩散控制过程或可用结合位点理论。采用准一级动力学和准二级动力学等动力学模型来阐明这些行为，有助于理解吸附机理和最佳操作条件。利用两个模型的非线性方程计算了各种相关的动力学参数，从该表可以发现，MG在Zn-Fe(1-1)纳米纤维表面的吸附遵循PFO动力学。

MG 染料吸附的浓度实验（图 3d）表明，较高的 MG 初始浓度会增加吸附容量，直至达到饱和。等温线研究（例如 Langmuir 模型）分析平衡吸附行为。 Langmuir 模型假设单层覆盖和均匀能量，并描述有限数量的相同位点的吸附，而 Freundlich 模型描述具有不同亲和力的不规则表面上的吸附，并指示多层膜。 Langmuir 用于单层吸附，而 Freundlich 用于更复杂和异质的表面。

非线性方程用于计算这些等温模型的各种参数，总结于表 2 中。

(引自Sradhanjali Raut, Shraban Kumar Sahoo.: Polyvinylpyrrolidone mediated electrospun ZnO-ZnFe2O4 composite nanofibers for removing malachite green from water, Results in Surfaces and Interfaces , Issue 17,1st October 2024.　）

NaCl、NaOH 和 HCl 用于评估再生。使用 HCl，获得了 93% 的总再生率。再生后，将材料干燥并用水洗涤直至 pH 平衡，发现在五个循环中每个循环的效率均保持在 80% 以上。

<摘要>

采用静电纺丝法制备了ZnO-ZnFe2O4复合纳米纤维。

当Zn-Fe比例为1-1时，纳米纤维的表面积最大。此外，吸附研究表明，MG 的吸附取决于溶液的 pH 值，由于阳离子染料与带负电的纳米纤维表面之间的静电相互作用，在高 pH 值下显示出最大吸附容量。动力学和张力研究表明，MG的吸附遵循准一级动力学和Langmuir等温线模型。再生测试表明，该吸附剂具有足够的化学稳定性，可以通过去除吸附的MG物种来重复使用。 上述结果证实所制备的ZnO-ZnFe2O4纳米纤维是去除水中MG染料的有效吸附剂。