Entfernung von Arsen mit einem kationischen Polymergel imprägniert mit Eisenhydroxid
28. Juni 2019
In dieser Arbeit haben wir ein Adsorbensausbau aus dem kationischen N,N-Dimethylamino Propylacrylamid methylchlorid quaternary (DMAPAAQ) Polymergel und Eisenhydroxid zur Adsorbierung von Arsen aus grundwasser hergestellt. Das Gel wurde mit einer neuartigen Methode hergestellt, die den maximalen Gehalt an Eisenpartikeln in seiner Struktur gewährleisten soll.
Die Hauptvorteile dieses Verfahrens sind, dass das Gel selektiv Arsen aus dem Grundwasser in höheren Arsenkonzentrationen adsorbiert als die anderen Techniken und das Gel regeneriert werden kann. Die Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da die Herstellung des Gels und die Absorptionsexperimente visualisiert werden müssen, um die Experimente zu replizieren. Arsen findet sich im Grundwasser von mehr als 20 Ländern.
Die Implikation dieser Technik kann auf die Herausforderung der Entfernung von Arsen aus kontaminiertem Wasser erweitert werden. Diese Methode kann auch auf die Behandlung von mit Arsen kontaminierten industriellen Abwässern angewendet werden. Wenn Sie diese Technik zum ersten Mal ausprobieren, befolgen Sie die Vorsichtsmaßnahmen streng zu jeder Zeit.
Die Bildung des Gelblocks kann eine Herausforderung sein, wenn die Lösungen nicht richtig und proportional gemischt werden. Trocknen Sie zwei 20-Milliliter-Messkolben und zwei 20-Milliliter-Becher mit magnetischen Rührstäben. Übertragen Sie 4,13 Gramm DMAPAAQ, 0,31 Gramm N, N'prime Methylenbisacrylamid, 0,5 Gramm Natriumsulfit und 3,36 Gramm Natriumhydroxid auf ein 20-Milliliter-Becherglas.
Lösen Sie die Lösung vollständig in destilliertem Wasser als Lösungsmittel auf und rühren Sie sie 30 Minuten lang mit dem magnetischen Rührstab. Übertragen Sie die Mischung aus dem Becher auf einen 20-Milliliter-Messkolben und fügen Sie destilliertes Wasser hinzu, um eine 20-Milliliter-Lösung zu erzeugen. Beschriften Sie die Lösung als Monomerlösung.
In ähnlicher Weise nehmen Sie 0,54 Gramm Ammoniumperoxodisulfat und 7,57 Gramm Eisenchlorid in einem weiteren 20 Milliliter Becher. Lösen Sie die Lösung vollständig in destilliertem Wasser auf und rühren Sie sie 30 Minuten lang mit einem magnetischen Rührstab. Übertragen Sie die Mischung aus dem Becher auf einen weiteren 20-Milliliter-Messkolben.
Und destilliertes Wasser hinzufügen, um eine 20-Milliliter-Lösung zu komponieren. Beschriften Sie die Lösung als Initiatorlösung. Nach der Vorbereitung des im Textprotokoll dargestellten Versuchsaufbaus übertragen Sie die Lösungen in die jeweiligen 20 Milliliter Trenntrichter.
Reinigen Sie die Lösungen 30 Minuten lang mit Stickstoffgas. Mischen Sie die Lösungen miteinander und rühren Sie sie in einem 50 Milliliter Reagenzglas mit einem elektrischen Rührer. Dann legen Sie die Mischung in einen Kühler bei 10 Grad Celsius für vier Stunden gehalten.
Nehmen Sie den Gelblock aus dem Reagenzglas und legen Sie ihn auf ein flaches Schneidebrett. Holen Sie den Gelblock in eine kubische Form von fünf Millimetern Länge. Die Gelscheiben mit entionisiertem Wasser 24 Stunden lang einweichen, um die Verunreinigungen zu entfernen.
Am nächsten Tag die Gelscheiben auf eine Petrischale verteilen und bei Raumtemperatur 24 Stunden trocknen. Die Petrischale mit den Gelscheiben 24 Stunden bei 50 Grad Celsius in den Ofen stellen. Trocknen Sie fünf 40-Milliliter-Kunststoffbehälter.
Dann messen und legen Sie 20 Milligramm getrocknetes Gel in jedem 40 Milliliter Kunststoffbehälter. Fügen Sie 40 Milliliter Dinatriumhydrogen Arsenat Heptahydratlösung zu jedem Behälter in einer anderen Konzentration. Bewahren Sie die Behälter 24 Stunden lang bei 20 Grad Celsius und 120 Umdrehungen pro Minute im Rührwerk auf.
Sammeln Sie eine Fünf-Milliliter-Probe aus jedem Behälter und legen Sie sie mit einer Mikropipette in ein Kunststoffrohr. Messen Sie den Gleichgewichtsarsengehalt in den Lösungen mit Hilfe von Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC). Verwenden Sie eine vier mal 200 Millimeter lange analytische Säule, eine Vier mal 50 Millimeter-Schutzsäule und einen Vier-Millimeter-Unterdrücker.
Für die Adsorptionsanalyse 20 Milligramm getrocknetes Gel in einen getrockneten 40-Milliliter-Kunststoffbehälter geben. Dann fügen Sie 40 Milliliter einer 0,2 Millimolar Dinatrium-Wasserstoff-Arsenat-Heptahydrat-Lösung in den Behälter. Halten Sie den Behälter 24 Stunden im Rührer bei 20 Grad Celsius und 120 Umdrehungen pro Minute auf.
Dann sammeln Sie eine Fünf-Milliliter-Probe in einem Kunststoffrohr mit einer Mikropipette. Bewerten Sie den Gleichgewichtsarsengehalt in der Lösung wie bisher mit HPLC. Um das Gel zu reinigen, erhalten Sie zuerst ein Netzsieb.
Sammeln Sie vorsichtig die zerbrechlichen Gelstücke, nacheinander, damit sie nicht brechen, und legen Sie sie in das Maschensieb. Waschen Sie das Gel mindestens fünfmal mit entionisiertem Wasser, so dass alle verbleibenden Arsen auf der Oberfläche des Gels weggewaschen werden. Für Desorptionsanalysen die zerbrechlichen Gelstücke sorgfältig in einen getrockneten 40-Milliliter-Kunststoffbehälter geben.
40 Milliliter einer 0,5-molaren Natriumchloridlösung in den Behälter geben. Halten Sie den Behälter 24 Stunden im Rührer bei 20 Grad Celsius und 120 Umdrehungen pro Minute auf. Sammeln Sie eine Fünf-Milliliter-Probe in einem Kunststoffrohr mit einer Mikropipette, und bewerten Sie den Gleichgewichtsarsenspiegel in der Lösung mit HPLC wie zuvor.
Wiederholen Sie den Vorgang für acht komplette Zyklen, wobei jeder Zyklus zwei Runden der Absorptions- und Desorptionsanalysen, getrennt durch Gelreinigungsschritte, einschließen. Die Arsenabsorptionsmenge des kationischen Polymergels, das Eisenhydroxid enthält, wurde in unterschiedlichen Arsenkonzentrationen aufgeplottet. Die Ergebnisse zeigen, dass die maximale Arsenadsorptionskapazität des Gels 1,36 Millimole pro Gramm betrug.
Die Daten passen zum Langmuir-Isothermmodell. Die selektive Adsorption von Arsen wurde mit koexistierendem Sulfatanion untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass DMAPAAQ plus Eisenoxid aufgrund der Eisenoxidkomponenten in der Gelstruktur selektiv Arsen adsorbierte, selbst wenn Sulfatanion in der Lösung von Gel vorhanden war.
Die Wiederverwendbarkeit des Gels wurde acht Tage lang mit Arsenlösungen zur Adsorption und Natriumchlorid für Desorptionsprozesse untersucht. Aus der Regenerationseffizienz aus den Adsorptionsdaten am ersten und siebten Tag wurde eine Regenerationseffizienz von 87,6 % berechnet. Arsen ist extrem gefährlich.
Bitte verwenden Sie während des Experiments jederzeit Handschuhe, langärmelige Kleidung und eine experimentelle Brille, um jeglichen Kontakt von Arsenlösung mit Haut und Augen zu verhindern.
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Übersicht
Diese Studie stellt ein neuartiges Adsorptionsmittel bestehend aus einem kationischen Polymergel und Eisenhydroxid zur effektiven Entfernung von Arsen aus Grundwasser vor. Das Gel weist selektive Adsorptionsfähigkeiten auf, insbesondere bei höheren Arsenkonzentrationen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Umweltwissenschaften
- Wasserbehandlung
- Materialwissenschaft
Hintergrund
- Die Arsenkontamination ist ein globales Problem, das das Grundwasser in über 20 Ländern betrifft.
- Aktuelle Methoden zur Arsenentfernung sind möglicherweise bei höheren Konzentrationen nicht wirksam.
- Die Regenerierung von Adsorptionsmitteln ist entscheidend für nachhaltige Lösungen zur Wasseraufbereitung.
- Die Herstellung und Visualisierung des Gels sind wesentlich, um die Experimente reproduzieren zu können.
Zweck der Studie
- Entwicklung eines Gels, das selektiv Arsen aus kontaminiertem Grundwasser adsorbiert.
- Demonstration der Herstellungsmethode und Adsorptionsleistung des Gels.
- Bereitstellung einer möglichen Lösung zur Behandlung industrieller Abwässer.
Verwendete Methoden
- Herstellung eines kationischen Polymergels mit Eisenhydroxid.
- Adsorptionsexperimente zur Bewertung der Arsenentfernungseffizienz.
- Visualisierung des Herstellungsprozesses zur Reproduzierbarkeit.
- Beurteilung der Regenerationsfähigkeit des Gels.
Hauptergebnisse
- Das Gel adsorbiert Arsen bei höheren Konzentrationen effektiv im Vergleich zu bestehenden Methoden.
- Erfolgreiche Regenerierung des Gels für die mehrfache Verwendung wurde nachgewiesen.
- Die Herstellungsmethode ist unkompliziert und kann reproduziert werden.
- Mögliche Anwendungen erstrecken sich auf die Behandlung von mit Arsen kontaminierten industriellen Abwässern.
Schlussfolgerungen
- Dieses neuartige Gel stellt eine aussichtsreiche Lösung für die Entfernung von Arsen aus Grundwasser dar.
- Seine selektiven Adsorptions- und Regenerierungseigenschaften verbessern die praktische Anwendbarkeit.
- Zukünftige Forschungsarbeiten könnten sich auf die Optimierung des Gels für breitere Umweltanwendungen konzentrieren.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die Arsenkontamination von Grundwasser stellt eine anhaltende Herausforderung für die Umweltsanierung und die industrielle Wasseraufbereitung dar, insbesondere in Regionen mit begrenzter Infrastruktur. Die Entwicklung regenerierbarer Adsorptionsmittel mit hoher Selektivität und Kapazität unterstützt nachhaltige Lösungen zur Verringerung toxischer Expositionsrisiken. Dieser auf Gele basierende Ansatz bietet eine skalierbare Plattform zur Arsenentfernung, die mit den Grundsätzen der grünen Chemie und der zirkulären Ressourcennutzung in Wasserreinigungsverfahren vereinbar ist.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die mechanistische Untersuchung von Adsorptionswegen und Bindungsspezifität in komplexen ionischen Umgebungen.
- Operativer Wert: Bietet ein reproduzierbares Modellsystem zur Bewertung von Ligand-Ziel-Wechselwirkungen unter physiologisch relevanten pH-Bedingungen.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt quantitative, auf dem Gleichgewicht basierende Messwerte, die für das Hochdurchsatz-Screening der Adsorptionsleistung geeignet sind.
- Operationaler Wert: Unterstützt die Standardisierung von Assays durch definierte Regenerationszyklen und konsistente Desorptionsprotokolle unter Verwendung unbedenklicher Elutionsmittel wie NaCl.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Zeigt die translationale Kontinuität von der Materialentwicklung bis zur funktionalen Validierung in simulierten Grundwasser-Matrizes auf.
- Operativer Wert: Ermöglicht risikoadjustierte Entscheidungen über die Weiterentwicklung, indem Langzeit-Wiederverwendbarkeit und Regenerationseffizienz über mehrere Zyklen hinweg nachgewiesen werden.
Pipeline- und Workflow-Integration
Diese Methode fügt sich in den Kontinuum von der Entdeckung bis zur Validierung ein, indem sie eine abstimmbare Adsorbensplattform bereitstellt, die schrittweise hinsichtlich Zielgerichtetheit und Kapazität optimiert werden kann und die Früherkennung von Kandidaten für die Umweltsanierung unterstützt.
- Entdeckungsbiochemie: Ermöglicht die Hypothesenprüfung bezüglich selektiver Ionenbindung und konkurrierender Adsorption in Mehrkomponentensystemen.
- Screening: Liefert reproduzierbare, quantitative Adsorptionsisothermen und kinetische Profile zur vergleichenden Materialbewertung.
- Analytik: Erzeugt Gleichgewichtskonzentrationsdaten und Regenerationskennzahlen, die Entscheidungen über Fortführung oder Abbruch in der Adsorbentenentwicklung unterstützen.
- Translationale Forschung: Verbindet die Labor-skalige Synthese mit der Anwendbarkeit im Pilotmaßstab durch nachgewiesene Leistung unter realitätsnahen Bedingungen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft einen modularen Gel-Syntheseansatz, der auf andere Zielstoffe der Schwermetallremediation über Arsen hinaus anpassbar ist.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Steigert das Vorhersagevertrauen hinsichtlich der Materialeffizienz durch die Bestätigung von Chemisorptionsmechanismen und die Profilierung der Selektivität.
- Operativer Wert: Gewährleistet Standardisierung und Skalierbarkeit durch einfache Synthese und milde Regenerationsbedingungen.
- Strategischer Wert: Verringert langfristige Betriebskosten und Abfallmengen, indem eine wiederholte Nutzung ohne Leistungseinbruch ermöglicht wird.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung von Adsorptionsmittelkandidaten basierend auf Regenerationseffizienz und Kapazitätsretention.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in der Polymerisation und Gelationskinetik unter Inertatmosphäre.
- Benötigt eine präzise stöchiometrische Kontrolle der Monomere, Vernetzer und Eisen-Salz-Komponenten.
- Setzt eine analytische Infrastruktur wie HPLC zur Quantifizierung und Validierung von Arsen voraus.
- Beinhaltet den Umgang mit gefährlichen Arsenatlösungen, die strikte Abschirmung und PSA-Protokolle erfordern.
- Die Leistung kann je nach Zusammensetzung des Grundwassers variieren, was eine standortspezifische Validierung vor der Anwendung notwendig macht.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:57
Synthesis of the DMAPAAQ+FeOOH Gel Composite
3:36
Arsenic Adsorption Experiment
4:38
Regeneration Analysis
6:34
Results: Analysis of the Cationic N,N-Dimethylamino Propylacrylamide Methyl Chloride Quaternary Polymer Gel containing Iron Hydroxide (DMAPAAQ+FeOOH)
7:40
Conclusion
