Published March 4, 2024 | Version v1
Publication Metadata-only

Cu nanoparticles grafting on the surface of ZnO nanostructures to boost the porosity and surface area for effective removal of manganese ions from aqueous solutions

Creators

  • 1. Central Metallurgical Research and Development Institute
  • 2. Egyptian Petroleum Research Institute
  • 3. Universidad Rovira i Virgili

Description

Designing highly adsorptive materials for wastewater treatment via facile approaches is still challenging. To boost the recovery of heavy metals from wastewater, surface and structure modification are considered a successful route. Herein, we report the design of ZnO nanoparticles by a simple thermal decomposition method followed by grafting Cu nanoparticles (Cu NPs) over the ZnO surface. Cu/ZnO was prepared with different Cu ratios, 0.01 and 1%. It was found that incorporating Cu into ZnO improved the porosity and surface area of ZnO. The adsorption ability of Cu/ZnO compared with bare ZnO was studied towards removing manganese ions from wastewater. The effects of several parameters, such as pH, temperature, contact time, and initial ion concentrations, were studied. The maximum removal of manganese was found at pH 2, 20 °C after 60 min in the presence of 1 g/L adsorbent. The role of Cu grafted on the surface of ZnO was discussed. The rates of adsorption were found to follow the pseudo-second-order model. The results showed better fitting to Freundlich isotherm. The thermodynamic study revealed that the sorption process is spontaneous, exothermic, and favorable at low temperatures. The free energy (ΔG°), enthalpy (ΔH°), and entropy (ΔS°) changes were calculated to predict the nature of adsorption.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

لا يزال تصميم مواد عالية الامتزاز لمعالجة مياه الصرف الصحي عبر مناهج سهلة يمثل تحديًا. لتعزيز استرداد المعادن الثقيلة من مياه الصرف الصحي، يعتبر تعديل السطح والهيكل طريقًا ناجحًا. هنا، نبلغ عن تصميم جسيمات ZnO النانوية بطريقة تحلل حراري بسيطة متبوعة بتطعيم جسيمات Cu النانوية (Cu NPs) على سطح ZnO. تم تحضير Cu/ZnO بنسب Cu مختلفة، 0.01 و 1 ٪. وجد أن دمج النحاس في أكسيد الزنك يحسن مسامية ومساحة سطح أكسيد الزنك. تمت دراسة قدرة امتصاص النحاس/أكسيد الزنك مقارنة بأكسيد الزنك العاري من أجل إزالة أيونات المنغنيز من مياه الصرف الصحي. تمت دراسة تأثيرات العديد من المعلمات، مثل درجة الحموضة ودرجة الحرارة ووقت التلامس وتركيزات الأيونات الأولية. تم العثور على الحد الأقصى لإزالة المنغنيز عند درجة الحموضة 2، 20 درجة مئوية بعد 60 دقيقة في وجود 1 غرام/لتر من الممتزات. تمت مناقشة دور النحاس المطعم على سطح أكسيد الزنك. تم العثور على معدلات الامتزاز لاتباع نموذج من الدرجة الثانية الزائفة. أظهرت النتائج ملاءمة أفضل لتساوي حرارة Freundlich. كشفت الدراسة الديناميكية الحرارية أن عملية الامتصاص عفوية وطاردة للحرارة ومواتية في درجات حرارة منخفضة. تم حساب تغيرات الطاقة الحرة (ΔG°)، والمحتوى الحراري (ΔH °)، والانتروبيا (ΔS°) للتنبؤ بطبيعة الامتزاز.

Translated Description (French)

La conception de matériaux hautement adsorbants pour le traitement des eaux usées via des approches faciles reste un défi. Pour stimuler la récupération des métaux lourds à partir des eaux usées, la modification de la surface et de la structure est considérée comme une voie réussie. Ici, nous rapportons la conception de nanoparticules de ZnO par une méthode de décomposition thermique simple suivie d'un greffage de nanoparticules de Cu (Cu NPs) sur la surface de ZnO. Cu/ZnO a été préparé avec différents rapports Cu, 0,01 et 1%. Il a été constaté que l'incorporation de Cu dans ZnO améliorait la porosité et la surface de ZnO. La capacité d'adsorption du Cu/ZnO par rapport au ZnO nu a été étudiée pour éliminer les ions manganèse des eaux usées. Les effets de plusieurs paramètres, tels que le pH, la température, le temps de contact et les concentrations initiales d'ions, ont été étudiés. L'élimination maximale du manganèse a été trouvée à pH 2, 20 °C après 60 min en présence de 1 g/L d'adsorbant. Le rôle du Cu greffé à la surface du ZnO a été discuté. On a constaté que les taux d'adsorption suivaient le modèle de pseudo-seconde-ordre. Les résultats ont montré une meilleure adaptation à l'isotherme de Freundlich. L'étude thermodynamique a révélé que le processus de sorption est spontané, exothermique et favorable aux basses températures. Les changements d'énergie libre (ΔG°), d'enthalpie (ΔH°) et d'entropie (ΔS°) ont été calculés pour prédire la nature de l'adsorption.

Translated Description (Spanish)

El diseño de materiales altamente adsorbentes para el tratamiento de aguas residuales a través de enfoques fáciles sigue siendo un desafío. Para impulsar la recuperación de metales pesados de las aguas residuales, la modificación de la superficie y la estructura se considera una ruta exitosa. En este documento, informamos el diseño de nanopartículas de ZnO mediante un método de descomposición térmica simple seguido de injerto de nanopartículas de Cu (Cu NP) sobre la superficie de ZnO. Cu/ZnO se preparó con diferentes relaciones de Cu, 0.01 y 1%. Se encontró que la incorporación de Cu en ZnO mejoró la porosidad y el área superficial de ZnO. La capacidad de adsorción de Cu/ZnO en comparación con el ZnO desnudo se estudió para eliminar los iones de manganeso de las aguas residuales. Se estudiaron los efectos de varios parámetros, como el pH, la temperatura, el tiempo de contacto y las concentraciones iniciales de iones. La eliminación máxima de manganeso se encontró a pH 2, 20 °C después de 60 min en presencia de 1 g/L de adsorbente. Se discutió el papel del Cu injertado en la superficie del ZnO. Se encontró que las tasas de adsorción seguían el modelo de pseudo-segundo orden. Los resultados mostraron un mejor ajuste a la isoterma de Freundlich. El estudio termodinámico reveló que el proceso de sorción es espontáneo, exotérmico y favorable a bajas temperaturas. Los cambios de energía libre (ΔG°), entalpía (ΔH°) y entropía (ΔS°) se calcularon para predecir la naturaleza de la adsorción.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تطعيم جزيئات النحاس النانوية على سطح الهياكل النانوية لأكسيد الزنك لتعزيز المسامية ومساحة السطح من أجل الإزالة الفعالة لأيونات المنغنيز من المحاليل المائية
Translated title (French)
Nanoparticules de Cu greffées sur la surface des nanostructures de ZnO pour augmenter la porosité et la surface pour une élimination efficace des ions manganèse des solutions aqueuses
Translated title (Spanish)
Injerto de nanopartículas de Cu en la superficie de nanoestructuras de ZnO para aumentar la porosidad y el área superficial para la eliminación efectiva de iones de manganeso de soluciones acuosas

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4392362632
DOI
10.1007/s11356-024-32625-2

Is supplement to
https://openalex.org/W73015626 (Other)
https://openalex.org/W4246690383 (Other)
https://openalex.org/W2792487499 (Other)
https://openalex.org/W2729041509 (Other)
https://openalex.org/W2372568410 (Other)
https://openalex.org/W2371789523 (Other)
https://openalex.org/W2351889639 (Other)
https://openalex.org/W2047187156 (Other)
https://openalex.org/W2029152564 (Other)
https://openalex.org/W2020739878 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W1991336991
  • https://openalex.org/W2019540588
  • https://openalex.org/W2040563524
  • https://openalex.org/W2061951293
  • https://openalex.org/W2064635210
  • https://openalex.org/W2070537600
  • https://openalex.org/W2089436227
  • https://openalex.org/W2118788198
  • https://openalex.org/W2173236422
  • https://openalex.org/W2176876806
  • https://openalex.org/W2559072254
  • https://openalex.org/W2621090892
  • https://openalex.org/W2778195071
  • https://openalex.org/W2781701633
  • https://openalex.org/W2888159121
  • https://openalex.org/W2927725839
  • https://openalex.org/W2946633247
  • https://openalex.org/W2949124445
  • https://openalex.org/W2951125231
  • https://openalex.org/W3011167607
  • https://openalex.org/W3022382285
  • https://openalex.org/W3025645078
  • https://openalex.org/W3094126395
  • https://openalex.org/W3109010918
  • https://openalex.org/W3120867007
  • https://openalex.org/W3139072593
  • https://openalex.org/W3159626498
  • https://openalex.org/W3193034859
  • https://openalex.org/W4210403732
  • https://openalex.org/W4226329612
  • https://openalex.org/W4280609817