基于胺功能化纳米Y型沸石的高容量混合吸附剂用于重金属去除

《Microporous and Mesoporous Materials》：Hybrid high-capacity adsorbent based on amine functionalized-nano zeolite Y for heavy metal removal.

　　•APTES功能化沸石-Y对Pb(II)和Cd(II)具有完全去除效果。
•对Pb(II)和Cd(II)的高吸附容量分别为181.6和175.0 mg/g。
•离子交换和表面络合是主要的吸附机制。
•动力学研究表明Pb(II)的去除速度较快。
引言
重金属污染环境已成为严重的公共卫生问题[1]、[2]。随着工业化蓬勃发展以及农药和化肥等农用化学品的广泛使用，这些有毒重金属释放到土壤和水中，对人类健康和生态系统造成了长期的有害影响[3]。在几种常见的有毒金属中，铅(Pb)和镉(Cd)被归类为可能的人类致癌物，并被认为具有极高毒性，因为它们会对生态系统稳定性产生长期不利影响[4]。然而，饮用水中Pb和Cd的限量有严格规定[5]，工业废水流也是如此[6]，因此必须在这些废水排入水流之前对其进行处理。
迄今为止，已提出了多种重金属处理方法，包括重金属稳定化[7]、通过膜进行金属截留[8]、[9]、混凝[10]、沉淀[11]、吸附[12]和电化学过程[13]。其中，吸附因其操作简单且再生前景广阔[14]，已成为去除重金属的有前景的解决方案[15]、[16]，有毒金属可以有效地吸附在吸附剂表面或孔隙内。在文献报道的几种吸附剂中[17]、[18]、[19]，沸石因其相对于其他材料提供的多项优势而成为有前景的候选材料，包括优异的热稳定性、大比表面积、高离子交换容量以及微孔-介孔结构[20]、[21]。沸石被归类为高度多孔的结晶铝硅酸盐，由TO4（T = Si、Al）四面体[22]组成，具有不同的孔结构，使其成为有吸引力的吸附剂。已有多种合成和天然沸石类型被研究并报道用于重金属吸附[21]、[23]、[24]、[25]。然而，由于沸石骨架的广泛多样性及其对不同重金属离子的不同亲和力，该领域的研究持续扩展，不断有关于这些铝硅酸盐对有毒金属的选择性、性能及去除效果的研究[26]、[27]。例如，Elboughdiri等人[28]研究了Cu2?、Pb2?和Cd2?在天然沸石上的吸附，沸石质量从1到10g不等。研究了不同质量负载下的溶液pH和搅拌速度，表明最佳吸附速率依赖于这些参数。也有研究报道了使用高Si/Al比沸石（类似于本研究中使用的沸石），例如Sulaiman等人[29]的研究，他们确定虽然高硅沸石本质上具有较低的骨架铝含量，这可能导致离子交换容量相对低于低硅对应物（如沸石A或X），但其结构稳定性、高比表面积和可调的表面化学使其成为吸附和可能化学改性的优异候选材料。因此，超稳定沸石-Y家族尽管存在初始骨架限制，仍可对重金属的环境修复非常有效。Gopalakrishnan等人[30]也报道了使用高Si/Al比沸石从水介质中吸附铀。他们的研究突出了高Si/Al比沸石在专门环境应用中的转变，进一步表明并确立了其在重金属吸附中的重要性。
据报道，化学改性沸石通过增加可用活性结合位点的数量，表现出增强的重金属吸附能力[31]。因此，沸石表面功能化已成为一种有前景的方法，其中沸石表面可以接枝有机分子。最广泛采用的方法之一是硅烷接枝，其中有机硅烷与表面硅醇基团形成稳定的共价键[32]。一些研究报道了使用(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(APTES)功能化沸石表面[33]、[34]。该过程涉及APTES通过缩合反应接枝到沸石表面存在的表面硅醇(Si-OH)和铝醇(Al-OH)基团上。
Shoja等人[35]报道了用胺基和巯基功能化的Na-Y/ZnO复合材料吸附Pb和Ni离子。据报道，Ni2?和Pb2?离子的最大吸附容量分别为177.9和295.4 mg/g。该复合材料还表现出优异的再生能力，使其成为吸附重金属和有毒金属的有前景的吸附剂。同样，Shirendev等人[36]研究了胺改性蒙古天然沸石对Cu吸附的影响。他们的研究报告称，与原始沸石相比，在不同pH和Cu浓度下Cu吸附增强。Huang等人[37]研究了溶液pH、离子强度、温度、接触时间和Co2?浓度对硅烷功能化蒙脱石(APTES-Mts)的影响。Co2?在APTES-Mts上的吸附受2.0至8.0范围内溶液pH的强烈影响，较高pH值(≥8.0)对离子吸附影响很小。反应温度对Co2?吸附过程影响可忽略不计，使该材料成为处理富Co废水的经济高效且环保的吸附剂。相反，Wingenfelder等人[38]在类似的吸附研究中发现了相反的结果。Pb和Cd在胺改性斜发沸石上的吸附与未功能化沸石相比没有带来任何增强。有趣的是，随着功能化程度的增加，吸附的重金属量减少，这是由于胺分子堵塞了通道。因此，高效金属吸附需要选择合适的沸石类型。最近，Abdellaoui等人[39]研究了Pb和Cd在胺功能化沸石W上的吸附。据报道，Pb(II)和Cd(II)的最大吸附容量分别为421.7和253.5 mg/g。他们得出结论，离子交换和弱化学键的表面络合是两种主要吸附机制。功能化沸石与裸沸石W相比也表现出优异的金属去除性能。尽管取得了这些进展，以往的研究主要集中在斜发沸石、蒙脱石、天然沸石、沸石W或基于沸石的复合材料上，而胺功能化沸石更广泛地应用于二氧化碳捕获[33]、[40]、[41]。
多项研究支持使用沸石纳米颗粒而非其微米对应物，主要原因是活性位点的可及性改善、比表面积更高、活性位点的可及性改善以及更快的传质动力学[42]。纳米沸石-Y已成功应用于催化[43]、海水淡化[44]和电催化[45]。尽管其已确立的微孔-介孔结构导致高离子交换容量，但相对较少的关注集中在胺功能化沸石Y上，特别是其纳米形态，用于Pb(II)和Cd(II)吸附。因此，存在一个明显的研究空白：传统沸石微粒由于颗粒内扩散限制而限制了快速吸附，而功能化可能同时提高重金属去除效率。鉴于沸石处理重金属污染废水的潜力，本研究旨在提供一种具有改进吸附特性的新型杂化沸石，用于去除Pb(II)和Cd(II)。本研究用APTES功能化纳米沸石-Y，并使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和N?吸附-脱附进行表征。据我们所知，这是第一项报道APTES功能化纳米沸石Y去除Pb(II)和Cd(II)的研究，为设计用于重金属修复的胺功能化纳米沸石吸附剂提供了新见解。
材料部分
材料
沸石-Y（CBV 720，Si/Al比为15，粒径范围为500 nm至1 μm）购自Zeolyst International。ATHLOS?碳纳米结构(CNS)购自Cabot。CNS通过连续、独特的化学气相沉积(CVD)工艺生产，可实现高产量生产的成本效益方式。所得产物由高度缠结的碳纳米管组成[46]。3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、氢氧化钠(NaOH)、
NY和NYA吸附剂表征
图2a显示了原始NY和NYA的FTIR光谱。NY中观察到的3200–3600 cm?1处的宽吸收带归因于表面羟基和物理吸附水分子的O–H伸缩振动[48]。1638 cm?1处观察到的带对应于八面沸石(FAU)沸石骨架内结合水的角振动。APTES功能化后，O–H带变得不那么明显，表明表面羟基被部分消耗或屏蔽。
结论
在本研究中，纳米沸石-Y成功用APTES功能化，并作为从水溶液中去除Pb(II)和Cd(II)的吸附剂进行了评估。FTIR、TGA、SEM-EDS、XRD和N?吸附-脱附分析支持了含胺APTES基团成功接枝到沸石表面上，同时证实功能化后结晶FAU型骨架基本保留。APTES后BET比表面积和孔体积的显著降低
CRediT作者贡献声明
Jamaliah Aburabie：写作——审阅与编辑、可视化、方法学、正式分析。Shaheen Fatima Anis：写作——原稿、可视化、方法学、调查、正式分析、数据管理。Raed Hashaikeh：写作——审阅与编辑、监督、资源、资金获取、概念化。
利益冲突声明
无冲突需要声明。
关于稿件准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作的过程中，作者使用了Figure Labs来展示纳米沸石上的吸附-脱附机制。作者根据需要审阅和编辑了输出，并对已发表文章的内容承担全部责任。
利益冲突声明
? 作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。
致谢
本工作由纽约大学阿布扎比分校(NYUAD)水研究中心支持，并由Tamkeen根据NYUAD研究所奖（项目CG007）资助。
作者感谢Anil Kumar（WRC技术员，负责ICP样品运行）以及NYUAD核心技术平台团队使用其材料表征设施。
Shaheen Fatima Anis|Jamaliah Aburabie|Raed Hashaikeh