Microsphères de carbone magnétiques hautement efficaces pour l'élimination réutilisable des sulfonamides de l'eau

Résumé

Nous rapportons une synthèse hydrothermale facile de microsphères de carbone magnétiques (MCM) utilisant du glucose et des nanoparticules de Fe₃O₄. La calcination à 600 °C pendant 1 h produit un matériau avec une surface BET exceptionnelle de 1228 m²/g et un volume de pores de 0,448 m³/g. Les MCM adsorbent les sulfonamides avec une capacité maximale de 24,6 mg g⁻¹ à pH 4,0, diminuant à 19,2 mg g⁻¹ à pH 10,0. L'adsorption suit un isotherme de Langmuir et une cinétique du pseudo-second ordre, et l'adsorbant conserve 18,31 mg g⁻¹ après quatre cycles de régénération, démontrant une réutilisation robuste.

Contexte

La contamination par les antibiotiques, en particulier les sulfonamides, pose une menace significative pour les écosystèmes aquatiques et la santé humaine. Les adsorbants carbonés traditionnels sont difficiles à récupérer de l'eau, limitant leur utilisation pratique. L'incorporation de nanoparticules magnétiques dans des matrices de carbone crée des composites carbone-magnétiques qui peuvent être récupérés sans effort avec un aimant externe. Bien que de tels matériaux aient été explorés pour les colorants et les phénols, leur application à l'élimination des sulfonamides reste sous-développée.

Méthodes

Produits chimiques et Matériaux

Tous les réactifs étaient de grade analytique (Sinopharm, Nanjing Chemical Reagent Co., Ltd., Xilong Chemical Co., Ltd.). De l'eau distillée a été utilisée tout au long.

Synthèse des nanoparticules Fe₃O₄

FeCl₃·6H₂O (1,35 g) et NaAc·3H₂O (3,60 g) ont été dissous dans 40 mL de glycol éthylène, transférés dans un autoclave de 100 mL tapissé de Téflon, et chauffés à 200 °C pendant 8 h. Le produit a été lavé à l'eau et à l'éthanol.

Préparation des MCM

0,1 g de nanoparticules Fe₃O₄ ont été dispersées dans 60 mL d'eau avec du glucose, agitées, et traitées hydrothermalement à 200 °C pendant 11 h. Les microsphères résultantes ont été lavées, imprégnées de 40 % ZnCl₂, séchées, et calcinées sous N₂ à 600 °C pendant 1 h.

Caractérisation

Les MCM ont été examinées par MET, MEB-FEG, VSM, analyse BET, et mesure du potentiel zêta. Les équations pour la capacité d'adsorption et les modèles cinétiques ont été appliquées comme décrit dans l'étude originale.

Expériences d'adsorption

Des solutions de sulfonamide (50 mL) ont été mélangées avec des MCM (1 g L⁻¹) et agitées à 300 K et 120 tr/min. À l'équilibre, l'adsorbant a été séparé magnétiquement et la concentration de sulfonamide mesurée à 258 nm. La régénération impliquait une désorption par NaOH (0,1 M), une agitation ultrasonique, et un rinçage à pH 7.

Résultats et Discussion

Microstructure

Les images MET (Fig. 1) confirment des cœurs Fe₃O₄ ~200 nm uniformément revêtus d'une coquille de carbone, formant des MCM sphériques.

Analyse Spectroscopique

L'IRTF montre un étirement caractéristique Fe–O (~574 cm⁻¹) et des bandes larges –OH (~3462 cm⁻¹). La DRX confirme la phase magnétite cubique.

Surface Spécifique et Porosité

L'analyse BET (Fig. 3) révèle une surface de 1228 m²/g et un volume de pores de 0,448 m³/g pour l'échantillon calciné à 600 °C/1 h (MCM-d). L'imprégnation au ZnCl₂ et des températures de calcination plus élevées sont critiques pour atteindre cette porosité élevée.

Propriétés Magnétiques

Les données VSM (Fig. 4) montrent une magnétisation de saturation de 42,3 emu g⁻¹, suffisante pour une séparation magnétique efficace tout en maintenant une réponse superparamagnétique.

Isotherme d'Adsorption

L'ajustement de Langmuir donne une capacité maximale Q_m = 27,86 mg g⁻¹, indiquant une adsorption monocouche. Les paramètres de Freundlich (K_F = 3,06 L g⁻¹, 1/n = 0,476) confirment une adsorption favorable. Le modèle de Langmuir fournit un R² plus élevé, suggérant une surface homogène.

Cinétique d'Adsorption

La cinétique du pseudo-second ordre (R² = 0,999) surpasse le pseudo-premier ordre, impliquant que la chimisorption contrôle le processus.

Effet du pH

L'adsorption diminue de 24,22 à 12,48 mg g⁻¹ lorsque le pH passe de 4 à 12, en raison des changements d'état de protonation du sulfonamide et de l'inversion de charge de surface des MCM.

Effet de la Température et de la Force Ionique

Des températures plus élevées et l'ajout de KCl réduisent la capacité d'adsorption, probablement en raison de la compétition et de la désorption thermique.

Réutilisabilité

Après quatre cycles de régénération, les MCM conservent 73,23 % d'efficacité d'élimination (18,31 mg g⁻¹) et ne montrent aucun changement morphologique (Fig. 7b). L'adsorbant peut être réutilisé au moins cinq fois avec une perte de capacité acceptable.

Conclusions

Nous avons développé une microsphère de carbone magnétique avec une surface sans précédent (1228 m²/g) et un volume de pores (0,448 m³/g) qui élimine efficacement les sulfonamides de l'eau. Le matériau suit l'adsorption de Langmuir, la cinétique du pseudo-second ordre, et peut être régénéré avec du NaOH, conservant une haute performance sur plusieurs cycles. Ces résultats fournissent une voie pratique pour la conception d'adsorbants recyclables pour les contaminants pharmaceutiques.