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Ionic Liquid Cross-Linked High-Absorbent Polymer Hydrogels: Kinetics of Swelling and Dye Adsorption

自愈水凝胶 化学 吸附 阳离子聚合 甲基丙烯酸酯 过硫酸铵 高分子化学 聚合 自由基聚合 单体 化学工程 肿胀 的 聚合物 有机化学 工程类
作者
P. Banerjee,Priyanka Dinda,Mahuya Kar,Mariusz Uchman,Tarun K. Mandal
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:39 (28): 9757-9772 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.3c00808
摘要

The use of polymer gels for the removal of toxic chemicals from wastewater is an important area in terms of both academic and industrial research. This work presents a simple approach to the fabrication of chemically cross-linked cationic hydrogel adsorbents using designed ionic liquid-based cross-linkers and their successful use in the removal of organic dyes. Two different ionic liquid cross-linkers, [VIm-4VBC][Cl] (ILA)/[DMAEMA-4VBC][Cl] (ILB), are synthesized by the simple nucleophilic substitution reaction of 4-vinylbenzyl chloride (4VBC) separately with 1-vinylimidazole (VIm) and 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA). Cross-linked poly(acrylamide) (CPAam) and poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (CPHEMA) hydrogels are then prepared from the corresponding monomers and as-synthesized cross-linkers (ILA and ILB) by free radical polymerization in the presence of a redox initiator combining ammonium persulfate (APS) and N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (TEMED). The dried CPAam and CPHEMA xerogels exhibit macroporous morphology and high thermal stability. The hydrogel samples exhibit high swelling behavior, and the diffusion of water molecules into the hydrogels follows pseudo-Fickian kinetics. The cationic cross-linking sites in the hydrogel networks allow preferable binding with anionic dyes, and these dye uptake capacities are determined using different model anionic dyes via UV-vis spectroscopy. The dye adsorption onto these hydrogels follows a pseudo-second-order kinetic model. The adsorption mechanism is also analyzed by employing intraparticle diffusion and Boyd kinetic models. The relationship between the maximum equilibrium adsorption capacity (qm) of the hydrogels for eosin B (EB) dye and the equilibrium EB concentration can be better described by Langmuir and Freundlich isotherm models, and the estimated qm using the Langmuir isotherm can reach more than 100 mg g-1. The cross-linked hydrogels can be easily regenerated and have a recycling efficiency of >80% for up to three consecutive dye adsorption-desorption cycles, which is promising for their use in wastewater treatment.
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