氷とMOFを鋳型とした多孔質炭素質モノリスによる水中の色素の吸着除去とリサイクルの容易さ

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Environ. Res..2020 Jul;186:109608. S0013-9351(20)30501-6. doi: 10.1016/j.envres.2020.109608.Epub 2020-04-28.

氷とMOFを鋳型とした多孔質炭素質モノリスによる水中の色素の吸着除去とリサイクルの容易さ

Ice- and MOF-templated porous carbonaceous monoliths for adsorptive removal of dyes in water with easy recycling.

Qingshan Fu
Lei Zhang
Haifei Zhang
Xuedan Chen
Mingtian Li
Min Gong

PMID: 32668550 DOI: 10.1016/j.envres.2020.109608.

抄録

廃水中の色素を吸着除去するために、これまで様々なナノポーラス粒子やナノファイバーが採用されてきました。しかし、これらのナノ材料は溶液からの分離が難しく、一般的には遠心分離やろ過による分離が行われている。これらのプロセスは面倒であり、高級化には限界がある。ここでは、氷と金属有機フレームワーク（MOF）テンプレート法を用いて、階層的に多孔質なカーボンモノリスを作製した。作成した炭素質モノリスは、氷を模したマクロポア,MOFを模したミクロポア,メソポアが豊富に存在し、高いBET(Brunauer-Emmett-Teller)特殊表面積(530mg)を有していた。このモノリスは、MB(メチレンブルー)吸着能95.82mgg(10mg吸着剤/5mL色素水溶液)、Langmuirモデルによる理論最大値179.86mggを達成した。MBと比較してMO(メチルオレンジ)の吸着能は低かった。吸着データの解析にはいくつかの吸着速度論及び等温線モデルを用いた。その結果、多孔質カーボンモノリスへのMB及びMOの吸着は、主に静電反応によって制御される自然吸熱的な物理吸着プロセスであることが示された。重要なことは、モノリスはピンセットを用いて容易にピックアップでき、リサイクル試験に利用できることである。4サイクル後には、MBの初期吸着容量の94%を保持することができた。

Various nanoporous particles, nanofibers have been employed for adsorptive removal of dyes from wastewater. However, these nanomaterials are difficult in separation from solution, generally by centrifugation or filtration. These processes are tedious and will limit the upscale applications. Herein, a hierarchically porous carbon monolith has been fabricated on grounds of ice and metal organic framework (MOF) templating method. The prepared carbonaceous monolith exhibited abundant ice-templated macropores, MOF-templated micropores and mesopores, and a high BET (Brunauer-Emmett-Teller) special surface area (530 m g). The monolith achieved an MB (methylene blue) adsorption capacity of 95.82 mg g (10 mg adsorbent/5 mL aqueous dye solution) and a theoretic maximum value of 179.86 mg g by the Langmuir model. Compared with MB, the adsorption capacity for MO (methyl orange) was lower. Several adsorption kinetics and isotherms models were used for analysis of adsorptive data, and the results demonstrated the adsorption of MB and MO on the porous carbon monolith is a spontaneous endothermic physisorption process, which was mainly controlled by electrostatic reaction. Importantly, the monolith could be easily picked up using tweezers and used for recycling tests. After four cycles, the 94% of the initial adsorption capacity for MB can be retained.