Preparation of P-doped Coal Pitch-based Porous Carbon and Its Adsorption Performance for Broad-spectrum Antibiotics in Wastewater

doi:10.7503/cjcu20230481

Abstract

Abstract:

P-doped porous carbon（CPC _x ） was prepared by one-step method with coal tar pitch as carbon， sodium hypophosphite monohydrate as phosphorus sources and MgO as template coupled with KOH activation. CPC _x were characterized by SEM， BET， FTIR， XPS， and the adsorption properties of porous carbon for oxytetracycline and chloramphenicol were investigated. When the mass ratio of coal tar pitch to phosphorus source is 2∶1， the BET results show that the total specific surface area and the microporous specific surface area of as-made CPC_2.0 are 2739 and 2353 m²/g， respectively， and the average pore size is 3.78 nm. The results of FTIR indicate that the phenyl absorption peak for CPC _x is deepened compared to the original carbon， as well as a new stretching vibration peak of P—O is displayed. The XPS results demonstrate that the P content and the most stable C₃—P=O functional group content of phosphorus configuration on the surface of carbon materials are 0.45% and 37.7%（molar fraction）. The adsorption process of antibiotics by CPC_2.0 can be better described by Langmuir model and pseudo second-order kinetic model， and the maximum adsorption capacities of CPC_2.0 for oxytetracycline and chloramphenicol are 1780 and 1122 mg/g， respectively， showing better adsorption performance.

Key words: Porous carbon, Adsorption, Phosphorus doping, Antibiotic

CLC Number:

O647.3

TrendMD:

YU Moxin, SHI Wenxu, SUN Yuhang, ZHANG Chen, WANG Xiaoting. Preparation of P-doped Coal Pitch-based Porous Carbon and Its Adsorption Performance for Broad-spectrum Antibiotics in Wastewater[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(4): 20230481.

Figures/Tables 17

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Sample	S_BET/（m²·g^‒1）	S_mic/（m²·g^‒1）	V_t/（mL·g^‒1）	V_mic/（mL·g^‒1）	D_ap/nm	Non⁃V_mic/V_t
CPC_3.0	2409	2038	1.95	1.00	3.58	0.49
CPC_2.0	2739	2353	2.41	1.10	3.78	0.54
CPC_1.0	2251	1887	1.89	0.94	3.66	0.50

Sample	S_BET/（m²·g^‒1）	S_mic/（m²·g^‒1）	V_t/（mL·g^‒1）	V_mic/（mL·g^‒1）	D_ap/nm	Non⁃V_mic/V_t
CPC_3.0	2409	2038	1.95	1.00	3.58	0.49
CPC_2.0	2739	2353	2.41	1.10	3.78	0.54
CPC_1.0	2251	1887	1.89	0.94	3.66	0.50

Adsorbate	Sample	Langmuir model			Freundlich model
Adsorbate	Sample	q_m/（mg·g^‒1）	K_L/（L·mg^‒1）	R²	n	K_F/（mg^1‒ⁿ ·g^‒1·L^1/ⁿ ）	R²
OTC	CPC_3.0	1663	0.404	0.998	8.63	938.91	0.915
	CPC_2.0	1780	0.460	0.999	7.95	962.92	0.940
	CPC_1.0	1519	0.245	0.998	8.77	830.35	0.980
CPL	CPC_3.0	1008	0.009	0.996	7.22	491.65	0.605
	CPC_2.0	1122	0.018	0.995	6.45	501.52	0.750
	CPC_1.0	1089	0.010	0.996	7.89	480.08	0.411

Adsorbate	Sample	Langmuir model			Freundlich model
Adsorbate	Sample	q_m/（mg·g^‒1）	K_L/（L·mg^‒1）	R²	n	K_F/（mg^1‒ⁿ ·g^‒1·L^1/ⁿ ）	R²
OTC	CPC_3.0	1663	0.404	0.998	8.63	938.91	0.915
	CPC_2.0	1780	0.460	0.999	7.95	962.92	0.940
	CPC_1.0	1519	0.245	0.998	8.77	830.35	0.980
CPL	CPC_3.0	1008	0.009	0.996	7.22	491.65	0.605
	CPC_2.0	1122	0.018	0.995	6.45	501.52	0.750
	CPC_1.0	1089	0.010	0.996	7.89	480.08	0.411

Adsorbate	Sample	Pseudo⁃first order kinetics			Pseudo⁃second order kinetics
Adsorbate	Sample	q_e/（mg·g^‒1）	K₁/（g·mg^‒1·min^‒1）	R²	q_e/（mg·g^‒1）	K₂/（g·mg^‒1·min^‒1）	R²
OTC	CPC_3.0	220	0.0687	0.879	1059	0.0013	0.999
	CPC_2.0	289	0.0673	0.937	1148	0.0009	0.999
	CPC_1.0	223	0.0745	0.903	970	0.0013	0.999
CPL	CPC_3.0	134	0.0700	0.926	529	0.0021	0.999
	CPC_2.0	99	0.0806	0.914	549	0.0031	0.999
	CPC_1.0	145	0.0660	0.923	502	0.0018	0.999