Biomass Derived Nitrogen Doped Porous Carbon Materials as Adsorbents for Removal of Methylene Blue in Water

doi:10.7503/cjcu20220055

Abstract

Abstract:

A series of biomass（willow leaves） derived nitrogen doped porous carbon materials（WNC） were prepared by a sol-gel route， and were characterized by a variety of means. The results show that the WNC materials possessed high surface areas（528—618 m²/g） as well as large number of oxygen-containing and nitrogen-containing groups （molar fraction of nitrogen 8.9%—9.9%）. The WNC materials exhibit excellent adsorption capacity for Methylene blue（MB） in wastewater. The pseudo-second-order kinetic model and Langmuir isothermal model fit the adsorption data well and the adsorption process of MB was spontaneous and endothermic， the maximum monolayer adsorption capacity calculated from Langmuir model was 263.2 mg/g（pH=5，T=298 K）.WNC-2 material can be easily recycled for many times without obvious loss in adsorption capability. Furthermore，two other samples of WNC-2-R and WNC-2-MB， which were obtained through the high-temperature calcination of the fresh WNC-2 and the used WNC-2 （after adsorption of dye MB），show much higher adsorption capacity for MB （1.3 and 1.6 times of the fresh sample）， respectively， possibly related to the significant increase of the zeta-potential and surface alkalinity. Combined with various characterization results， it can be concluded that the high specific surface area and the hierarchical porous pore structure of WNC materials are beneficial to the transport of the MB ions，while the abundant carbonyl，quinone and pyridine nitrogen groups existed on the surface of WNC materials could strongly interact with the adsorbate， thus resulting in a higher adsorption rate and adsorption capacity for MB.

Key words: Willow leave, Nitrogen-doped porous carbon, Adsorption, Methylene blue

CLC Number:

O647.33

TrendMD:

HAO Honglei, MENG Fanyu, LI Ruoyu, LI Yingqiu, JIA Mingjun, ZHANG Wenxiang, YUAN Xiaoling. Biomass Derived Nitrogen Doped Porous Carbon Materials as Adsorbents for Removal of Methylene Blue in Water[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220055.

Figures/Tables 14

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Sample	Relative surface content（molar fraction， %） ^a			Elemental composition（molar fraction， %） ^b				Textual property
Sample	C	O	N	N?6	N?5	N?Q	NO _x	S_BET^c/（m²·g^-1）	V_T^d/（cm³·g^-1）	V_m^e /（cm³·g^-1， STP）	D_HK^f/nm
WNC?1	80.2	9.9	9.9	25.4	18.9	48.1	7.6	528.2	0.4	121.3	3.0
WNC?2	82.1	8.5	9.4	24.8	17.0	53.4	4.8	556.1	0.4	127.8	3.1
WNC?3	80.6	10.5	8.9	20.3	8.3	63.1	8.3	617.7	0.5	141.9	3.4
WNC?2?R	88.0	5.1	6.9	31.3	13.5	55.2	0	734.2	0.6	168.7	3.2
WNC?2?MB	86.5	8.0	5.5	40.6	10.6	48.8	0	680.9	0.5	156. 4	3.1

Sample	Relative surface content（molar fraction， %） ^a			Elemental composition（molar fraction， %） ^b				Textual property
Sample	C	O	N	N?6	N?5	N?Q	NO _x	S_BET^c/（m²·g^-1）	V_T^d/（cm³·g^-1）	V_m^e /（cm³·g^-1， STP）	D_HK^f/nm
WNC?1	80.2	9.9	9.9	25.4	18.9	48.1	7.6	528.2	0.4	121.3	3.0
WNC?2	82.1	8.5	9.4	24.8	17.0	53.4	4.8	556.1	0.4	127.8	3.1
WNC?3	80.6	10.5	8.9	20.3	8.3	63.1	8.3	617.7	0.5	141.9	3.4
WNC?2?R	88.0	5.1	6.9	31.3	13.5	55.2	0	734.2	0.6	168.7	3.2
WNC?2?MB	86.5	8.0	5.5	40.6	10.6	48.8	0	680.9	0.5	156. 4	3.1

Pseudo?first?order			Pseudo?second?order
q_e/（mg·g^-1）	K₁/min^-1	R²	q_e/（mg·g^-1）	K₂/（g·mg^-1·min^-1）	R²
6.0	0.0021	0.8728	186.6	0.000427	0.9999

Pseudo?first?order			Pseudo?second?order
q_e/（mg·g^-1）	K₁/min^-1	R²	q_e/（mg·g^-1）	K₂/（g·mg^-1·min^-1）	R²
6.0	0.0021	0.8728	186.6	0.000427	0.9999

Langmuir			Freundlich
q_m/(mg·g^-1)	K_L/（L·mg^-1）	R²	K_F/（L·g^-1）	1/n	R²
263. 2	0. 106	0. 9814	128. 5	0. 1207	0. 8019