Modification Mechanism of Mannitol for Preparation of Highly Active Nano-zerovalent Iron

doi:10.7503/cjcu20220470

Abstract

Abstract:

Nano zero-valent Iron（nZVI） has been widely used in water pollution treatment. The preparation method of nZVI with high purity and good dispersion has always been a research focus. In this paper， alcohols with different numbers of hydroxyl groups were used as modifiers， including ethanol， ethylene glycol， erythritol， mannitol and sorbitol， to prepare nZVI-EA， nZVI-EG， nZVI-ER， nZVI-M and nZVI-S sample， respectively. The above samples were applied to the reduction and removal of microcystin（Microcystin-LR， MC-LR） in water. The results showed that with the increase of hydroxyl groups， the antioxidant capacity and dispersity of modified nZVI were enhanced， and the degradation rate of MC-LR was also increased. The surface-area-normalized rate coefficient of nZVI-M（79.35×10^-5 L·m^‒2·min^‒1） was 9.3 times that of nZVI-S（8.55×10^-5 L·m^‒2·min^‒1） and 61.0 times that of nZVI₀（unmodified sample， 1.30×10^-5 L·m^‒2·min^‒1）. It was found by X-ray diffraction（XRD）， energy dispersive spectroscopy（EDS） and potassium dichromate titration that this may be due to the highest Fe⁰ purity of nZVI-M（total iron content is 83.5%）. In order to reveal the modification mechanism， the preparation process of nZVI-M was observed by optical microscope. It was found that transparent rod-like mannitol crystal clusters formed on the surface of Fe⁰， which improved the antioxidant capacity and dispersion of nZVI in water， and realized the efficient degradation of MC-LR. Unlike the hydroxyl group of sorbitol， the hydroxyl group of mannitol has a “jagged” distribution and its O₂_p orbital is prone to electron delocalization to form strong coordination with Fe³⁺. This will provide a new way to obtain nZVI with high purity and good dispersion by the coordination of alcohol hydroxyl groups.

Key words: Nano zero-valent iron, Mannitol, Sorbitol, Modification, Removal

CLC Number:

O647

TrendMD:

HE Yuting, NIU Huibin, ZHANG Zhaonian, ZHANG Jing, FU Guirong, CHEN Chuncheng, HUANG Yingping, FANG Yanfen. Modification Mechanism of Mannitol for Preparation of Highly Active Nano-zerovalent Iron[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(2): 20220470.

Figures/Tables 9

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Sample	pH	Elemental content（%）		w_Fe（%）	S_BET/（m²·g^-1）	Zeta/mV	k_obs/min^-1	10⁵k_SA/（L·m^-2·min^-1）
Sample	pH	O	Fe	w_Fe（%）	S_BET/（m²·g^-1）	Zeta/mV	k_obs/min^-1	10⁵k_SA/（L·m^-2·min^-1）
nZVI₀	6.14	84.85	14.92	19.4	87.54	17.7	0.00114	1.30
nZVI⁃EA	6.24	34.55	65.09	74.1	74.54	15.2	0.00151	2.03
nZVI⁃EG	6.45	17.10	82.72	76.5	39.34	24.7	0.00163	4.14
nZVI⁃ER	6.92	13.98	84.34	66.7	28.06	-22.4	0.00158	5.63
nZVI⁃M	6.45	10.60	89.21	83.5	8.51	-30.3	0.00675	79.35
nZVI⁃S	6.29	35.58	63.64	79.6	44.94	11.2	0.00384	8.55

Sample	pH	Elemental content（%）		w_Fe（%）	S_BET/（m²·g^-1）	Zeta/mV	k_obs/min^-1	10⁵k_SA/（L·m^-2·min^-1）
Sample	pH	O	Fe	w_Fe（%）	S_BET/（m²·g^-1）	Zeta/mV	k_obs/min^-1	10⁵k_SA/（L·m^-2·min^-1）
nZVI₀	6.14	84.85	14.92	19.4	87.54	17.7	0.00114	1.30
nZVI⁃EA	6.24	34.55	65.09	74.1	74.54	15.2	0.00151	2.03
nZVI⁃EG	6.45	17.10	82.72	76.5	39.34	24.7	0.00163	4.14
nZVI⁃ER	6.92	13.98	84.34	66.7	28.06	-22.4	0.00158	5.63
nZVI⁃M	6.45	10.60	89.21	83.5	8.51	-30.3	0.00675	79.35
nZVI⁃S	6.29	35.58	63.64	79.6	44.94	11.2	0.00384	8.55

Group	E_b/eV	Peak area percentage（%）
Group	E_b/eV	nZVI⁃M	nZVI⁃S
CH _x	284.8	30.8	63.5
C—OH	286.6/287.3	69.2	36.5
Fe₃O₄	529.6/530.1	14.0	15.7
Fe—O—H	530.8/531.8	77.3	51.6
H₂O	532.3/534.2	8.7	32.7

Group	E_b/eV	Peak area percentage（%）
Group	E_b/eV	nZVI⁃M	nZVI⁃S
CH _x	284.8	30.8	63.5
C—OH	286.6/287.3	69.2	36.5
Fe₃O₄	529.6/530.1	14.0	15.7
Fe—O—H	530.8/531.8	77.3	51.6
H₂O	532.3/534.2	8.7	32.7

Sample	K/（μS·cm^-1）	λ_max/nm
Mannitol	3.43	—
Sorbitol	19.7	—
Fe³⁺⁃H₂O	15.85×10³	294
Fe³⁺⁃Mannitol	14.65×10³	284
Fe³⁺⁃Sorbitol	15.31×10³	294