Adsorptive Removal of Congo Red by PVDF/MIL⁃53(Fe) Composite Membrane from Aqueous Solution

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.04.003

Abstract

Abstract:

Metal?organic framework material MIL?53(Fe) was added as a modifier to polyvinylidene fluoride (PVDF) casting solution, and PVDF/MIL?53(Fe) composite membrane was fabricated. The composite membranes were characterized by a series of tests, including XRD, FT?IR, SEM and TG. The composite membrane was used as an adsorbent to adsorb Congo red (CR) from aqueous solution. The effects of composite membrane dosage, initial concentration of CR solution, contact time and temperature were discussed, and the isothermal adsorption models, adsorption kinetics, and adsorption thermodynamics were also studied. The results show that the most appropriate dosage of the composite membrane is 20 mg in each experiment. The maximum theoretical adsorption capacity of CR by the composite membrane is 71.9 mg/g at 313 K. Ethanol has good desorption effect on CR adsorbed onto the composite membrane, and the composite membrane can maintain good adsorption capacity after 5 adsorption?desorption cycles. The isotherm data follows the Langmuir isotherm model and the kinetic adsorption follows the pseudo?second?order model. This adsorption process is spontaneous and endothermic, which is illustrated by the thermodynamic data.

Key words: PVDF/MIL?53(Fe) composite membrane, Adsorption, Congo red, Kinetics, Thermodynamics

摘要：

以金属?有机共价骨架材料MIL?53(Fe)为改性剂，将其与聚偏氟乙烯（PVDF）铸膜液共混，制备了PVDF/MIL?53(Fe)复合膜；采用X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FT?IR）、扫描电子显微镜（SEM）和热重分析（TG）等表征手段对复合膜进行了分析；利用PVDF/MIL?53(Fe)复合膜对刚果红（CR）进行吸附，探讨了复合膜质量、CR初始质量浓度、接触时间和温度等因素对复合膜吸附量的影响，并通过等温吸附模型、吸附动力学模型和吸附热力学对其吸附机理进行了分析。结果表明，当复合膜质量为20 mg时，吸附效果最佳；当接触温度为313 K时，复合膜对CR的最大吸附量的理论值为71.9 mg/g；乙醇可有效脱附复合膜上的CR，经五次吸附?脱附循环后，复合膜仍保持良好的吸附性能；吸附等温过程符合Langmuir模型，动力学行为遵循准二级动力学方程；吸附过程为自发进行的吸热反应，且伴随体系无序度增加。

关键词: PVDF/MIL?53(Fe)复合膜, 吸附, 刚果红, 动力学, 热力学

CLC Number:

O632

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Figures/Tables 13

Fig.1 XRD pattern of MIL?53(Fe)

Fig.2 FT?IR spectrum of PVDF/MIL?53(Fe) composite membrane

Fig.3 The surface SEM image of PVDF/MIL?53(Fe) composite membrane

Fig.4 TG curve of PVDF/MIL?53(Fe) composite membrane

Fig.5 Effect of PVDF/MIL?53(Fe) composite membrane dosage on removal ratio of CR and adsorption capacity

Fig.6 Effect of CR initial mass concentration on adsorption capacity

Fig.7 Effects of contact time and temperature on adsorption capacity

Fig.8 Langmuir and Freundlich isotherm models for CR adsorption onto PVDF/MIL?53(Fe) composite membrane

Table 1 Isotherm parameters at 313 K

等温吸附模型	参数	数值
Langmuir	q_m/(mg·g^-1)	71.9
	K_L/(L·mg^-1)	0.012 2
	R²	0.994
Freundlich	n	2.09
	K_F/(mg·g^-1)	3.805
	R²	0.960

Fig.9 Pseudo?first?order and pseudo?second?order kinetics plots for CR adsorption onto PVDF/MIL?53(Fe) composite membrane

Table 2 Kinetic parameters

T/K	q_{e，实验值}/ (mg·g^-1)	准一级动力学			准二级动力学
T/K	q_{e，实验值}/ (mg·g^-1)	q_{e，计算值}/ (mg·g^-1)	k₁/min^-1	R²	q_{e，计算值}/ (mg·g^-1)	k₂×10³/ (g·mg^-1·min^-1)	R²
303	43.9	168.5	0.064	0.939	57.1	0.484	0.978
313	45.0	103.8	0.061	0.980	55.0	0.727	0.988
323	45.8	87.9	0.055	0.944	53.0	1.042	0.994

Table 3 Thermodynamic parameters at various temperature

T/K

ΔH/

(kJ·mol^-1)

ΔS/

(J·mol^-1·K^-1)

ΔG/

(kJ·mol^-1)

303

3.74

19.12

Fig.10 Effect of different cycles on adsorption capacity

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