Summary
تقدم هذه المقالة طريقا جديدا ومناسبا لتوليف مادة مركب الزيوليت من نوع Fe2O3 / faujasite (FAU) من التربة الحمراء. تم ضبط معلمات التوليف التفصيلية بدقة. يمكن استخدام المواد المركبة التي تم الحصول عليها لمعالجة المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة بكفاءة ، مما يشير إلى تطبيقاتها المحتملة في الهندسة البيئية.
Abstract
تشكل المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة مصدر قلق كبير لصحة الإنسان والبيئة الإيكولوجية. وتكتسي تقنيات معالجة المياه في الموقع التي تتيحها مواد الامتزاز العالية الكفاءة أهمية كبيرة في هذه الظروف. من بين جميع المواد المستخدمة في معالجة المياه ، تعد المواد النانوية القائمة على الحديد والمواد المسامية ذات أهمية كبيرة ، حيث تستفيد من تفاعلها الغني بالأكسدة والاختزال ووظيفة الامتزاز. هنا ، قمنا بتطوير بروتوكول سهل لتحويل التربة الحمراء المنتشرة على نطاق واسع في جنوب الصين مباشرة لتصنيع مادة الزيوليت الزيتوليت من نوع Fe2O3 / faujasite (FAU).
تم ضبط إجراء التوليف التفصيلي ومعلمات التوليف ، مثل درجة حرارة التفاعل ووقت التفاعل ونسبة Si / Al في المواد الخام بعناية. تظهر المواد المركبة كما تم تصنيعها قدرة امتزاز جيدة لأيونات المعادن الثقيلة (loid) النموذجية. مع 0.001 جم / مل Fe2O3 / FAU - مادة مركبة من نوع الزيوليت المضافة إلى محاليل مائية مختلفة ملوثة بالمعادن الثقيلة (loid) (نوع واحد من تركيز المعادن الثقيلة (loid): 1000 mg / L [ppm]) ، تبين أن قدرة الامتزاز هي 172 و 45 و 170 و 40 و 429 و 693 و 94 و 133 mg / g لل Cu (II) و Cr (III) و Cr (VI) ، كما إزالة (III) و Cd (II) و Pb (II) و Zn (II) و Ni (II) ، على التوالي ، والتي يمكن توسيعها بشكل أكبر من أجل معالجة المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة والتربة.
Introduction
المعادن الثقيلة (loid) من الأنشطة البشرية والطبيعية موجودة في كل مكان في الهواء والماء وبيئة التربة1. فهي ذات قدرة عالية على الحركة والسمية، مما يشكل خطرا صحيا محتملا على البشر عن طريق الاتصال المباشر أو عن طريق نقل السلسلة الغذائية2. الماء أمر حيوي لحياة البشر لأنه المادة الخام لكل أسرة. استعادة صحة المياه أمر بالغ الأهمية. لذلك ، من الأهمية بمكان تقليل التنقل والتوافر البيولوجي للمعادن الثقيلة السامة (loid) في الماء. للحفاظ على صحة جيدة في الماء ، تلعب مواد معالجة المياه ، مثل biochar والمواد القائمة على الحديد والزيوليت ، دورا أساسيا في شل أو إزالة المعادن الثقيلة (loid) من البيئات المائية3،4،5.
الزيوليت هي مواد بلورية للغاية مع مسام وقنوات فريدة من نوعها في هياكلها الكريستالية. وهي تتكون من TO4 رباعي السطوح (T هي الذرة المركزية ، وعادة ما تكون Si أو Al، أو P) متصلة بذرات O مشتركة. الشحنة السطحية السالبة والأيونات القابلة للتبادل في المسام تجعلها ممتزة شائعة لالتقاط الأيونات ، والتي تم استخدامها على نطاق واسع في معالجة المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة والتربة. وبالاستفادة من هياكلها، تشمل آليات المعالجة المشاركة في إزالة الملوثات بواسطة الزيوليت بشكل رئيسي الترابط الكيميائي6 والتفاعل الكهروستاتيكي السطحي7 والتبادل الأيوني8.
يحتوي الزيوليت من نوع Faujasite (FAU) على مسام كبيرة نسبيا ، بقطر أقصى للمسام يبلغ 11.24 Å. يظهر كفاءة عالية وتطبيقات واسعة لإزالة الملوثات 9,10. في السنوات الأخيرة ، كرست أبحاث مكثفة لتطوير روتين أخضر ومنخفض التكلفة لتخليق الزيوليت ، مثل استخدام النفايات الصلبة الصناعية11 كمواد خام لتوفير مصادر السيليكون والألومنيوم ، أو اعتماد وصفات موجهة خالية من العوامل12. تشمل النفايات الصلبة الصناعية البديلة المبلغ عنها والتي يمكن أن تكون مصادر السيليكون والألومنيوم الفحم 13 ، والرماد المتطاير 11 ، والمناخل الجزيئيةللنفايات 14 ، ونفايات التعدين والمعادن 15 ، والتربة المهجورة هندسيا 8 ، والتربة الزراعية6 ، إلخ.
وهنا، اعتمدت التربة الحمراء، وهي مادة وفيرة وغنية بالسيليكون والألومنيوم يسهل الحصول عليها، كمادة خام، وتم تطوير نهج كيمياء خضراء سهلة لتخليق المواد الزيتوليت المركبة من نوع Fe2O3/FAU (الشكل 1). تم ضبط معلمات التوليف التفصيلية بدقة. وتظهر المادة المركبة قدرة عالية على التجميد لمعالجة المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة. يجب أن تكون هذه الدراسة مفيدة للباحثين ذوي الصلة المهتمين بهذا المجال لاستخدام التربة كمادة خام لتوليف المواد البيئية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. جمع المواد الخام ومعالجتها
- جمع التربة الحمراء
- جمع التربة الحمراء. قم بإزالة الطبقة العليا التي يبلغ طولها 30 سم من التربة التي تحتوي على النباتات والمواد العضوية المتبقية.
ملاحظة: في هذه التجربة ، تم جمع التربة الحمراء في حرم الجامعة الجنوبية للعلوم والتكنولوجيا (SUSTech) ، شنتشن ، قوانغدونغ ، الصين (113 ° 59 ' شرقا ، 22 ° 36 ' شمالا).
- جمع التربة الحمراء. قم بإزالة الطبقة العليا التي يبلغ طولها 30 سم من التربة التي تحتوي على النباتات والمواد العضوية المتبقية.
- معالجة التربة الحمراء
- جفف التربة الحمراء المجمعة في الهواء في درجة حرارة الغرفة وقم بتصفيتها من خلال غربال 30 شبكة. إزالة معظم الحجارة والأوراق الكبيرة. قم بقياس تركيز المعادن الثقيلة (loid) (الجدول 1) في التربة الحمراء باستخدام مطياف كتلة البلازما المقترن بالحث (ICP-MS)16 للتأكد من عدم وجود تلوث غير مرغوب فيه.
ملاحظة: يوصى باستخدام غربال به ثقوب صغيرة نظرا لأن القليل من الأشياء الكبيرة غير المصنوعة من السيليكون أو الألومنيوم ستكون في المواد الخام. هنا ، يكفي غربال 30 شبكيا لمعالجة المواد الخام في هذه التجربة.
- جفف التربة الحمراء المجمعة في الهواء في درجة حرارة الغرفة وقم بتصفيتها من خلال غربال 30 شبكة. إزالة معظم الحجارة والأوراق الكبيرة. قم بقياس تركيز المعادن الثقيلة (loid) (الجدول 1) في التربة الحمراء باستخدام مطياف كتلة البلازما المقترن بالحث (ICP-MS)16 للتأكد من عدم وجود تلوث غير مرغوب فيه.
2. Fe2O3 / FAU - نوع تخليق الزيوليت
- تحضير مسحوق خليط القلويات
- يزن 5 غرام من التربة الحمراء المعالجة مسبقا ، و 1 غرام من SiO2 ، و 7.63 غرام من NaOH ، وإضافتها إلى هاون العقيق الطبيعي. طحنها لمدة 2-3 دقائق في مسحوق ناعم. تأكد من أن الرطوبة النسبية في المختبر هي 65٪ -72٪.
ملاحظة: كن حذرا من وقت الطحن لأن NaOH استرطابي للغاية. يمكنه بسهولة امتصاص الماء من الغلاف الجوي للهواء. مسحوق قلوي متوسط الرطوبة أمر بالغ الأهمية للخطوة التالية من التجربة. يرتبط وقت الطحن بالرطوبة في المختبر.
- يزن 5 غرام من التربة الحمراء المعالجة مسبقا ، و 1 غرام من SiO2 ، و 7.63 غرام من NaOH ، وإضافتها إلى هاون العقيق الطبيعي. طحنها لمدة 2-3 دقائق في مسحوق ناعم. تأكد من أن الرطوبة النسبية في المختبر هي 65٪ -72٪.
- الانصهار/التنشيط القلوي
- انقل الخليط القلوي إلى بطانة مفاعل تفلون سعة 100 مل بدون غطاء خارجي من الفولاذ المقاوم للصدأ. سخني في فرن 200 درجة مئوية لمدة 1 ساعة.
ملاحظة: الغرض من هذه الخطوة هو الاستفادة من القاعدة القوية NaOH لتنشيط رابطة Si-O ورابطة Al-O17 بحيث يتم إعادة تجميع ذرات Al, Si, و O لتشكيل زيوليت الألومينوسيليكات المطلوب.
- انقل الخليط القلوي إلى بطانة مفاعل تفلون سعة 100 مل بدون غطاء خارجي من الفولاذ المقاوم للصدأ. سخني في فرن 200 درجة مئوية لمدة 1 ساعة.
- تحضير سلائف الزيوليت
- أضف 60 مل من الماء منزوع الأيونات إلى بطانة مفاعل تفلون التي تحتوي على خليط القلويات المنشط. أضف قضيب تحريك بالحجم المناسب وحرك الخليط عند 600 دورة في الدقيقة على التحريك المغناطيسي لمدة 3 ساعات عند 25 درجة مئوية. انتظر حتى يتم تشكيل هلام متجانس كسلائف الزيوليت18.
- بلوره
- انقل الجل المتجانس إلى أوتوكلاف من الفولاذ المقاوم للصدأ سعة 100 مل وقم بتسخين الجل في فرن 100 درجة مئوية لمدة 12 ساعة. انتظر حتى يبرد الفرن إلى درجة حرارة الغرفة باتباع برنامج التبريد الافتراضي لفتح باب الفرن وإخراج الأوتوكلاف.
ملاحظة: يولد الأوتوكلاف ضغطا عاليا تحت درجات حرارة عالية لتعزيز عملية التبلور. انتظر دائما حتى تصل إلى درجة حرارة الغرفة لمنع حدوث انفجار ناتج عن الضغط العالي.
- انقل الجل المتجانس إلى أوتوكلاف من الفولاذ المقاوم للصدأ سعة 100 مل وقم بتسخين الجل في فرن 100 درجة مئوية لمدة 12 ساعة. انتظر حتى يبرد الفرن إلى درجة حرارة الغرفة باتباع برنامج التبريد الافتراضي لفتح باب الفرن وإخراج الأوتوكلاف.
- اغسل الزيوليت الذي تم الحصول عليه بالماء منزوع الأيونات عدة مرات حتى يقترب الرقم الهيدروجيني للمحلول من 7. استخدم جهاز طرد مركزي لفصل المادة الصلبة والسائلة، وجمع المادة الصلبة في الجزء السفلي من أنبوب جهاز الطرد المركزي سعة 50 مل. أخيرا ، جفف المنتج الذي تم الحصول عليه لمدة 8 ساعات في فرن 80 درجة مئوية وطحنه إلى مسحوق ناعم للتوصيف اللاحق.
- توصيف
- الحصول على نتيجة مطياف الأشعة السينية الفلورية (XRF) للتربة الحمراء (الشكل 2). يتم استخدامه لقياس تركيز العناصر غير العضوية في التربة بدقة19.
- احصل على ملف المعلومات البلورية (CIF) الخاص ب Fe2O3 من قاعدة بيانات البنية البلورية غير العضوية (ICSD). احصل على ملف CIF الخاص بالزيوليت من نوع FAU من قاعدة بيانات هياكل الزيولايت.
ملاحظة: يمكن استخدام كل من Mercury و Materials Studio (MS) كأدوات تصور للبنية البلورية. في هذا العمل، تم استخدام الزئبق لتصور هيكل Fe2O 3، واستخدم MS للزيوليت من نوع FAU (الشكل 3). - الحصول على نمط حيود الأشعة السينية المسحوقة (PXRD) لتأكيد مرحلة المادة المركبة من الزيوليت من نوع Fe2O3/FAU (الشكل 4)20. قارنه مع نمط PXRD المحاكي ل Fe2O3 والزيوليت من نوع FAU باستخدام برنامج JADE 6.5.
ملاحظة: يمكن لبرنامج ميركوري الذي طوره مركز كامبريدج للبيانات البلورية (CCDC) حساب نمط PXRD استنادا إلى ملف CIF للمواد القياسية التي تم الحصول عليها من ICSD - أكبر قاعدة بيانات في العالم للهياكل البلورية غير العضوية المحددة تماما. - الحصول على صورة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) (الشكل 5) لتأكيد المورفولوجيا20.
- الحصول على المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) لرسم خرائط التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) (الشكل 6) لتحديد التركيب الكيميائي6.
ملاحظة: بالمقارنة مع تعيين SEM-EDS ، يمكن لتعيين TEM-EDS اكتشاف كميات منخفضة من تكوين العناصر.
3. تجربة الامتزاز الدفعي
- تحضير 50 مل من 1000 جزء في المليون من المحاليل المائية Cu (II) و Cr (III) و Cr (VI) و As (III) و Cd (II) و Pb (II) و Zn (II) و Ni (II). لاحظ الرقم الهيدروجيني لكل محلول.
- أضف 50 ملغ من الزيوليت إلى كل محلول من المعادن الثقيلة (loid). اضبط درجة الحموضة لمحلول الخليط بدقة باستخدام 0.1 M HCl أو 0.1 M NaOH. يحرك الخليط عند 600 دورة في الدقيقة لمدة 48 ساعة عند 25 درجة مئوية.
ملاحظة: كل أيون من المعادن الثقيلة (loid) له نطاق حموضة مستقر بدون هطول الأمطار هيدروكسيد المعدن. اضبط الرقم الهيدروجيني للمحلول النهائي المختلط على نطاق الأس الهيدروجيني بحيث يمكن أن يعزى الانخفاض في تركيز المعادن الثقيلة (loid) إلى أداء الزيوليت. - اضبط الرقم الهيدروجيني للمحاليل المختلطة النهائية لل Cu (II) و Cr (III) و Cr (VI) و As (III) و Cd (II) و Pb (II) و Zn (II) و Ni (II) إلى 4.2 و 3.9 و 6.4 و 7.8 و 5.8 و 5.2 و 5.7 و 6.4 على التوالي.
- تصفية المحاليل المختلطة من خلال أغشية 0.22 ميكرومتر. قم بتخفيفها 1000x عن طريق إضافة محلول HNO3 بنسبة 2٪. قم بقياس تركيزات المعادن الثقيلة المتبقية (اللويد) (الشكل 6) باستخدام مطياف كتلة البلازما المقترن بالحث (ICP-MS)16 ، مع نطاق اختبار يتراوح من 0.001 جزء في المليون إلى 1 جزء في المليون. انظر الجدول 2 للاطلاع على بارامترات تشغيل برنامج المقارنات الدولية - MS.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
يوضح الشكل 1 مسار التوليف العام للزيوليت استنادا إلى استراتيجية "التربة لمعالجة التربة"6. مع طريق بسيط خال من العضوية ، يمكن تحويل التربة الحمراء إلى مادة مركبة من نوع Fe2O3 / FAU دون إضافة أي مصدر Fe أو Al . تظهر مادة الزيوليت المركبة المركبة قدرة إزالة ممتازة لمعالجة المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة ويمكن استخدامها لمعالجة التربة.
يعرض الشكل 2 نتيجة تحليل XRF للتربة الحمراء. التكوين الرئيسي للتربة الحمراء هو SiO 2 و Al 2 O 3 و Fe2O3.
ويبين الشكل 3 البنية البلورية لإطار الزيوليت من نوع FAU و Fe2O3. ينتمي الزيوليت من نوع FAU إلى النظام البلوري المكعب ، ومجموعة الفضاء هي Fd-3m ، ومعلمة خلية الوحدة هي = 24.3450 Å. يتكون إطار الزيوليت FAU من حلقات ثلاثية الأبعاد مكونة من 12 عضوا. تم الحصول على المعلومات المتعلقة بالبنية البلورية من الرابطة الدولية للزيوليت (IZA)21 ، والتي توفر قاعدة بيانات شاملة لجميع هياكل الزيولايت.
ويعرض الشكل 4 النمط التجريبي ل PXRD للمادة المركبة من نوع Fe 2 O 3/FAU المركبة من نوع Fe 2 O 3/FAU وأنماط محاكاة من الزيوليت من نوع FAU وFe2O 3. يظهر التطابق الكبير لهذه العينة مع المواد القياسية المحاكية نجاح التوليف. تظهر صورة SEM في الشكل 5. تظهر المادة الزيتوليت من نوع Fe2O3 / FAU مورفولوجيا تشبه الإبرة بنقاء عال.
ويبين الشكل 6 نتيجة رسم الخرائط الطيفية للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS). يتم توزيع عناصر تكوين الزيوليت النموذجية - Si و Al و Na و O - بالتساوي على المادة ، ويتم توزيع Fe بشكل منفصل في المادة المركبة. وهذا يؤكد أيضا التوليف الناجح للمواد الزيتوليت من نوع Fe2O3/FAU.
يوضح الشكل 7 قدرة الامتزاز للمواد الزيتوليت من نوع Fe2O3/FAU لثمانية حلول نموذجية للمعادن الثقيلة (loid). على وجه الخصوص ، فإنه يظهر قدرة عالية بشكل رائع على الامتزاز الأيوني Pb (II) و Cd (II). تم ضبط الرقم الهيدروجيني لمحلول أيون المعدن بعناية ، لذلك لم يلاحظ هطول الأمطار في المحاليل.
الشكل 1: طريقة تحضير مادة الزيوليت المركبة من نوع Fe2O3/FAU وتطبيقها المحتمل. تم تصنيع مادة الزيوليت المركبة من نوع Fe2O3 / FAU بواسطة الطريقة الحرارية المائية النموذجية للتنشيط القلوي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: تحليل XRF للتربة الحمراء. الاختصار: XRF = فلورة الأشعة السينية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: البنية البلورية لإطار الزيوليت من نوع FAU والبنية البلورية Fe2O3. (أ) الهيكل المكاني، ولا سيما بنية المسام لإطار الزيوليت من نوع FAU؛ (ب) البنية البلورية Fe2O3 على طول المحور c. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: نمط XRD للمادة الزيتوليت المركبة من نوع Fe2O3/FAU. اختصار: XRD = حيود الأشعة السينية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: صورة SEM للمادة المركبة من نوع Fe2O3/FAU. تميز مورفولوجيا السطح ب SEM. شريط المقياس = 2 ميكرومتر. اختصار: SEM = المجهر الإلكتروني الماسح. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: صورة رسم خرائط TEM-EDS للمادة الزيتوليت المركبة من نوع Fe2O3/FAU. يتميز توزيع العناصر بتعيين TEM-EDS. شريط المقياس = 1 ميكرومتر. اختصار: TEM-EDS = المجهر الإلكتروني الناقل للأشعة السينية المشتتة للطاقة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: قدرات الامتزاز للمواد المركبة من نوع الزيوليت Fe2O3/FAU لثمانية حلول نموذجية للمعادن الثقيلة (loid). تم فحص قدرة الامتزاز لهذه المادة في محاليل المياه المختلفة للمعادن الثقيلة (loid). وقد اختبرت بعض الدراسات المماثلة 5,9 قابلية تطبيق هذا النوع من المواد في بيئات التربة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| تركيزات المعادن الثقيلة (loid) المتاحة بيولوجيا في التربة الحمراء | |
| المعادن الثقيلة (loid) s | التركيز (ملغم / لتر) |
| بي بي | 19.30 |
| مكعب | 1.56 |
| سي دي | 0.16 |
| الزنك | 11.73 |
الجدول 1: تركيز المعادن الثقيلة (loid) في التربة الحمراء.
| معلمات التشغيل ICP-MS | |
| البارامتر | قيمة |
| قوة أمامية | 1500 واط |
| تدفق غاز البلازما | 14.0 لتر الحد الأدنى-1 |
| تدفق الغاز الناقل | 0.78 لتر الحد الأدنى-1 |
| تدفق غاز التخفيف | 1.06 لتر دقيقة-1 |
| إجمالي تدفق الغاز الناقل | 1.84 لتر الحد الأدنى-1 |
| هو تدفق الغاز | 4.8 مل الحد الأدنى-1 |
| تحيز قطر للبترول | -98 فولت |
| تحيز أكتوبر | -100 فولت |
| مدخل الزنزانة | -130 فولت |
| خروج الخلية | -150 فولت |
| تحويل | -80 فولت |
| تحيز اللوحة | -150 فولت |
| نوع البخاخات | الضباب الصغير |
| معدل امتصاص العينة | 1.0 مل الحد الأدنى-1 |
| نظائر m/z التي يتم رصدها في انتواع النحاس | 63 Cu, 65 Cu |
| m/z نظائر المعايير الداخلية | 115 ه في, 175 لو |
| إجمالي وقت الاستحواذ | 8 ثانية لكل عينة |
الجدول 2: بارامترات تشغيل برنامج المقارنات الدولية - MS. اختصار: ICP-MS = مطياف كتلة البلازما المقترن بالحث
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
الزيوليت هو عادة مادة الألومينوسيليكات. من الناحية النظرية ، يمكن اختيار المواد الغنية بالسيليكات والألومينات كمواد خام لتخليق الزيوليت. يجب أن تكون نسبة Si / Al للمواد الخام مماثلة لتلك الخاصة بالنوع المحدد من الزيوليت لتقليل استخدام مصادر السيليكون / الألومنيوم الإضافية6،8،16. نسبة Si / Al من الزيوليت من نوع FAU هي 1.2 ، ونسبة Si / Al للتربة الحمراء هي 1.3. لذلك ، فإن التربة الحمراء هي مصدر Si و Al مثالي لتخليق الزيوليت من نوع FAU. ومع ذلك ، في هذه الطريقة ، لم يتم نقل جميع SiO2 في التربة الحمراء بنجاح إلى الزيوليت. وفي بروتوكولنا ، هناك حاجة إلى SiO2 إضافي لتخليق الزيوليت. علاوة على ذلك ، نظرا لأن التربة الحمراء تحتوي على 7.65٪ من وزن Fe2O3 ، لم تكن هناك حاجة لإضافة مصدر Fe إضافي في إعداد المواد المركبة.
يجب خلط NaOH و SiO2 والتربة الحمراء جيدا قبل خطوة التنشيط القلوي. قد يؤثر وجود حبيبات كبيرة في الخليط سلبا على كفاءة التنشيط. وقت التحريك هو معلمة يتم التحكم فيها بشكل فضفاض إلى حد ما في مسار التوليف. من الناحية النظرية ، يوفر وقت التحريك الأطول خلطا أفضل ولكنه أكثر استهلاكا للطاقة.
تم ضبط وقت التبلور ودرجة الحرارة بعناية في التجربة. قد يؤدي انحراف صغير في هذين المعلمتين التوليفيتين إلى تخليق أنواع مختلفة من الزيوليت19. تم اختبار المادة المركبة الزيوليت من نوع Fe2O3 / FAU من أجل تطبيقها في امتصاص أيونات المعادن في هذه الدراسة. يمكن تمديده لإزالة الأمونيوم أو المواد العضوية10,22.
تعد خرائط PXRD و SEM و TEM-EDS تقنيات شائعة الاستخدام لتوصيف المواد. غالبا ما يستخدم PXRD لتحديد المرحلة23. يشير موقع وشدة قمم الحيود إلى معلومات بنية غنية للعينة المكتشفة ، مثل التباعد بين المستويين والبلورة. تستخدم صورة SEM بشكل أساسي لإظهار المورفولوجيا24. وفي الوقت نفسه ، يمكن أيضا تأكيد الحجم والتوحيد. تم استخدام رسم خرائط TEM-EDS25 لتأكيد التركيب العنصري. يكشف تحليل الخرائط عن توزيع واضح للعناصر. ICP-MS هي تقنية حساسة للغاية للكشف عن التركيزات النزرة للمعادن الثقيلة (loid) s8. مفتاح دقة البيانات هو منحنى قياسي جيد البناء. بالنسبة للتحليل الكمي ، يمكن أن يؤدي اختيار معيار داخلي مناسب إلى التعويض بشكل فعال عن تأثيرات المصفوفة العامة وتصحيح انحراف الإشارة التحليلية ، وبالتالي تحسين دقة النتائج التحليلية.
تصف هذه الورقة تطوير بروتوكول سهل لتحويل التربة الحمراء المنتشرة على نطاق واسع في جنوب الصين مباشرة لتصنيع مادة الزيوليت الزيتوليت من نوع Fe2O3/FAU. وبهذه الطريقة، تم تحويل موارد التربة الوفيرة بنجاح إلى مادة مركبة عالية القيمة من الزيوليت في ظل ظروف درجة حرارة منخفضة نسبيا ووقت رد فعل قصير لإزالة المعادن الثقيلة (اللويد). ومع ذلك ، قد لا تكون الطريقة الحرارية المائية التقليدية المستخدمة فعالة وصديقة للبيئة بما فيه الكفاية مقارنة بالنهج الاصطناعية الأخرى للزيوليت ، مثل26 الخالية من المذيبات أو النهج بمساعدة الميكروويف27. وفي المستقبل، يمكن زيادة توسيعه من أجل المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة ومعالجة التربة لتحقيق استراتيجية "التربة من أجل معالجة التربة"6 في نهاية المطاف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإفصاح عنه.
Acknowledgments
تم دعم هذا العمل ماليا من قبل صناديق العلوم الطبيعية للباحث الشاب المتميز في مقاطعة قوانغدونغ ، الصين ، رقم 2020B151502094 ؛ () المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين، رقم 21777045 و 22106064؛ مؤسسة لجنة شنتشن للعلوم والتكنولوجيا والابتكار ، الصين ، JCYJ20200109141625078 ؛ 2019 مشروع الابتكار الشبابي لجامعات وكليات قوانغدونغ ، الصين ، رقم 2019KQNCX133 وصندوق خاص لاستراتيجية الابتكار في العلوم والتكنولوجيا لمقاطعة قوانغدونغ (PDJH2021C0033). وقد رعى هذا العمل مختبر شنتشن الرئيسي للعلوم والهندسة البينية للمواد (No. ZDSYS20200421111401738) ، والمختبر الرئيسي لمقاطعة قوانغدونغ لمكافحة تلوث التربة والمياه الجوفية (2017B030301012) ، والمختبر الرئيسي لحماية البيئة في الولاية للتحكم المتكامل في تلوث المياه السطحية والمياه الجوفية. على وجه الخصوص ، نعترف بالدعم الفني المقدم من مرافق الأبحاث الأساسية في SUSTech.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chemicals | |||
| Cadmium nitrate tetrahydrate | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | C102676 | AR, 99%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Chromium(III) nitrate nonahydrate | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | C116446 | AR, 99%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Copper sulfate pentahydrate | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | C112396 | AR, 99%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Lead nitrate | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | L112118 | AR, 99%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Nickel nitrate hexahydrate | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | N108891 | AR, 98%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Nitric acid | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | N116238 | AR, 69.2%. Used as solvent in ICP-MS test. |
| Potassium dichromate | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | P112163 | AR, 99.8%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Silicon dioxide | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | S116482 | AR, 99%. For synthesis of zeolite. |
| Sodium (meta)arsenite | Sigma-aldrich | S7400-100G | AR, 90%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Sodium hydroxide | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | S111502 | Pellets. For the synthesis of zeolite. |
| Zinc nitrate hexahydrate | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | Z111703 | AR, 99%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Equipment | |||
| Air-dry oven | Shanghai Yiheng Technology Instrument Co.,LTD. | DHG-9075A | Used for hydrothermal crystallization and drying of sample |
| Analytical balance | Sartorius Scientific Instruments Co.LTD | BSA224S-CW | Used for weighing samples |
| Centrifuge tubes | Nantong Supin Experimental Equipment Co., LTD | ||
| High speed centrifuge | Hunan Xiang Yi Laboratory Instrument Development Co.,LTD | H1850 | Used for separation of solid and liquid samples |
| Multipoint magnetic stirrer | IKA Equipment Co.,LTD. | RT15 | Used for stirring samples |
| Oscillator | Changzhou Guohua Electric Appliances Co.,LTD. | SHA-B | For uniform mixing of samples |
| Syringe-driven filter | Tianjin Jinteng Experimental Equipment Co.,LTD. | 0.22 μm. For filtration. | |
| Softwares | |||
| JADE 6.5 | Materials Data& (MDI) | ||
| Mercury | Cambridge Crystallographic Data Centre (CCDC) | ||
| Materials Studio | Accelrys Software Inc. | ||
| Websites | |||
| Database of Zeolite Structures: http://www.iza-structure.org/databases/ | |||
| ICSD: https://icsd.products.fiz-karlsruhe.de/en |
References
- Qin, G., et al. Soil heavy metal pollution and food safety in China: Effects, sources and removing technology. Chemosphere. 267, 129205 (2021).
- Xu, D. M., Fu, R. B., Liu, H. Q., Guo, X. P. Current knowledge from heavy metal pollution in Chinese smelter contaminated soils, health risk implications and associated remediation progress in recent decades: A critical review. Journal of Cleaner Production. 286, 124989 (2021).
- Dong, X., Ma, L. Q., Li, Y. Characteristics and mechanisms of hexavalent chromium removal by biochar from sugar beet tailing. Journal of Hazardous Materials. 190 (1-3), 909-915 (2011).
- El-Mekkawi, D. M., Selim, M. M. Removal of Pb2+ from water by using Na-Y zeolites prepared from Egyptian kaolins collected from different sources. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2 (1), 723-730 (2014).
- Perego, C., Bagatin, R., Tagliabue, M., Vignola, R. Zeolites and related mesoporous materials for multi-talented environmental solutions. Microporous and Mesoporous Materials. 166, 37-49 (2013).
- Zheng, R., et al. Converting loess into zeolite for heavy metal polluted soil remediation based on "soil for soil-remediation" strategy. Journal of Hazardous Materials. 412, 125199 (2021).
- Cheng, Y., et al. Feasible low-cost conversion of red mud into magnetically separated and recycled hybrid SrFe12O19@NaP1 zeolite as a novel wastewater adsorbent. Chemical Engineering Journal. 417, 128090 (2021).
- Yang, D., et al. Remediation of Cu-polluted soil with analcime synthesized from engineering abandoned soils through green chemistry approaches. Journal of Hazardous Materials. 406, 124673 (2021).
- Song, W., Li, G., Grassian, V. H., Larsen, S. C. Development of improved materials for environmental applications: Nanocrystalline NaY zeolites. Environmental Science & Technology. 39 (5), 1214-1220 (2005).
- Cheng, H., Reinhard, M. Sorption of trichloroethylene in hydrophobic micropores of dealuminated Y zeolites and natural minerals. Environmental Science & Technology. 40 (24), 7694-7701 (2006).
- Rayalu, S. S., Bansiwal, A. K., Meshram, S. U., Labhsetwar, N., Devotta, S. Fly ash based zeolite analogues: Versatile materials for energy and environment conservation. Catalysis Surveys from Asia. 10 (2), 74-88 (2006).
- Borel, M., et al. SDA-free hydrothermal synthesis of high-silica ultra-nanosized zeolite Y. Crystal Growth & Design. 17 (3), 1173-1179 (2017).
- Jin, Y., Li, L., Liu, Z., Zhu, S., Wang, D. Synthesis and characterization of low-cost zeolite NaA from coal gangue by hydrothermal method. Advanced Powder Technology. 32 (3), 791-801 (2021).
- Huiyu, S., Weiming, L., Zheng, Z. Current situation of comprehensive utilization of waste industrial molecular sieve and agricultural rice husk. Liaoning Chemical Industry. 49 (12), 1555 (2020).
- Azizi, D., et al. Microporous and macroporous materials state-of-the-art of the technologies in zeolitization of aluminosilicate bearing residues from mining and metallurgical industries: A comprehensive review. Microporous and Mesoporous Materials. 318, 111029 (2021).
- Yang, D., et al. Transferring waste red mud into ferric oxide decorated ANA-type zeolite for multiple heavy metals polluted soil remediation. Journal of Hazardous Materials. 424, Pt A 127244 (2022).
- Kirdeciler, S. K., Akata, B. One pot fusion route for the synthesis of zeolite 4A using kaolin). Advanced Powder Technology. 31 (10), 4336-4343 (2020).
- Rubtsova, M., et al. Nanoarchitectural approach for synthesis of highly crystalline zeolites with a low Si/Al ratio from natural clay nanotubes. Microporous and Mesoporous Materials. 330, 111622 (2022).
- Setthaya, N., Chindaprasirt, P., Pimraksa, K. Preparation of zeolite nanocrystals via hydrothermal and solvothermal synthesis using of rice husk ash and metakaolin. Materials Science Forum. 872, 242-247 (2016).
- Belviso, C., et al. Red mud as aluminium source for the synthesis of magnetic zeolite. Microporous and Mesoporous Materials. 270, 24-29 (2018).
- Baerlocher, C. Database of zeolite structures. , Available from: www.iza-structure.org/databases (2017).
- Zhao, Y., et al. Removal of ammonium from wastewater by pure form low-silica zeolite Y synthesized from halloysite mineral. Separation Science and Technology. 45 (8), 1066-1075 (2010).
- Meng, Q., Chen, H., Lin, J., Lin, Z., Sun, J. Zeolite A synthesized from alkaline assisted pre-activated halloysite for efficient heavy metal removal in polluted river water and industrial wastewater. Journal of Environmental Sciences (China). 56, 254-262 (2017).
- Wang, X., et al. Synthesis of substrate-bound Au nanowires via an active surface growth mechanism. Journal of Visualized Experiments. (137), e57808 (2018).
- Asundi, A. S., et al. Understanding structure-property relationships of MoO3-promoted Rh catalysts for syngas conversion to alcohols. Journal of the American Chemical Society. 141 (50), 19655-19668 (2019).
- Zhu, Q., et al. Solvent-free crystallization of ZSM-5 zeolite on SiC foam as a monolith catalyst for biofuel upgrading. Chinese Journal of Catalysis. 41 (7), 1118-1124 (2020).
- Ghrear, T. M. A., et al. low-pressure, low-temperature microwave synthesis of ABW cesium aluminosilicate zeolite nanocatalyst in organotemplate-free hydrogel system. Materials Research Bulletin. 122, 110691 (2020).
