基于含铬革屑制备吸附-降解型胶原/ZnO复合材料

doi:10.7503/cjcu20230416

摘要/Abstract

摘要：

危险废弃物含铬革屑的资源化利用是制革行业面临的一大难题. 含铬革屑的主要成分胶原可作为吸附材料, 但存在稳定性差、需解吸等问题, 限制了其在水处理领域的应用. 本文通过酸法从含铬革屑中提取胶原纤维并原位负载纳米氧化锌（ZnO）制备了吸附-降解型胶原/ZnO复合材料. 红外光谱及X射线衍射谱图显示, ZnO成功负载且呈片状，具有六角纤锌矿晶型, 负载到胶原纤维上后并不会影响其自身的光响应范围, 禁带宽度为3.20 eV. 当锌前驱体溶液浓度为0.12 mol/L、胶原纤维分散液pH值为8、胶原海绵质量为60 mg时, 复合材料光催化性能最佳; 在160 min内对10 mg/L亚甲基蓝（MB）的降解率达95.2%; 循环5次后, 降解率依然可达到87.5%. 动力学模型拟合结果显示, 复合材料对MB的吸附更符合拟二级吸附动力学模型, 受化学吸附控制; MB的光催化降解过程符合一级降解动力学方程, 降解速率最高为0.0172 min^-1. 此外, ZnO的引入提高了复合材料的抗菌性和热稳定性.

关键词: 胶原, 氧化锌, 亚甲基蓝, 吸附性能, 光催化降解

Abstract:

The utilization of hazardous waste chrome-tanned leather shavings is a difficult problem in the leather industry. Collagen， the main component of chrome-tanned leather shavings， can be used as adsorbent material； however， its application in the wastewater treatment field is limited due to the low stability and subsequent desorption challenges. In this paper， adsorption-degradation collagen/ZnO composites were prepared by in⁃situ loading of zinc oxide nanoparticles（ZnO） on collagen fibrils extracted from chrome-tanned leather shavings via acid methods. The infrared and X-ray diffraction spectra showed that ZnO with sheet hexagonal wurtzite structure was successfully loaded； meanwhile， its own photoresponse range was unaffected and the forbidden bandwidth was 3.20 eV. When the concentration of zinc precursor solution was 0.12 mol/L， the pH value of collagen fibril dispersion liquid was 8 and the mass of collagen sponge was 60 mg， the photocatalytic degradation of the composite was the best； namely， the degradation ratio of 10 mg/L methylene blue（MB） reached 95.2 % within 160 min and still reached 87.5% after five cycles. The fitting results of the kinetic models showed that the adsorption of MB by the composites was according with the pseudo-second-order adsorption kinetic model， which was controlled by chemisorption； moreover， the photocatalytic degradation of MB obeyed the first-order degradation kinetic model， and the highest degradation rate was 0.0172 min^-1. Additionally， the introduction of ZnO enhanced the antimicrobial property and thermal stability of the collagen/ZnO composites.

Key words: Collagen, ZnO, Methylene blue, Adsorption performance, Photocatalytic degradation

中图分类号:

O644

TrendMD:

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图/表 8

Fig.1 XRD patterns(A), FTIR spectra(B) and SEM images(C—E) of ZnO, COL and C—Z(C) ZnO; (D) COL; (E) C⁃Z.

Fig.2 UV⁃Vis DRS(A), Tauc curves(B) and photocurrent response curves(C, D) of ZnO(a, C) and C⁃Z(b, D)

Fig.3 Adsorption curves(A), adsorption kinetics fitting curves(B), photocatalytic degradation curves(C) and first⁃order kinetic fitting curves(D) of 10 mg/L MB solution treated by COL, C⁃Z(0.02), C⁃Z(0.04), C⁃Z(0.08) and C⁃Z(0.12)(pH=8, m=45 mg)

Fig.4 Adsorption curves(A), adsorption kinetics fitting curves(B), photocatalytic degradation curves(C) and first⁃order kinetic fitting curves(D) of 10 mg/L MB solution treated by C⁃Z(5), C⁃Z(6), C⁃Z(7), C⁃Z(8) and C⁃Z(9)(cZn(CH3COO)2∙2H2O =0.12 mol/L, pH=8, m=45 mg)

Fig.5 Adsorption curves(A), adsorption kinetics fitting curves(B), photocatalytic degradation curves(C) and first⁃order kinetic fitting curves(D) of sample C⁃Z(8) for different concentrations of MB solutions(cZn(CH3COO)2∙2H2O =0.12 mol/L, pH=8, m=45 mg)

Fig.6 Adsorption curves(A), adsorption kinetics fitting curves(B), photocatalytic degradation curves(C) and first⁃order kinetic fitting curves(D) of 10 mg/L MB solution treated by C⁃Z(15), C⁃Z(30), C⁃Z(45), C⁃Z(60) and C⁃Z(75)(cZn(CH3COO)2∙2H2O =0.12 mol/L, pH=8)

Fig.7 Cycling performance of C⁃Z for the photodegradation of MB solution

Fig.8 DSC thermograms(A) and antibacterial effect(B) of COL and C⁃Z at 24 h, 48 h and 72 h

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