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Article de méthode

Enlèvement de l'arsenic à l'aide d'un gel de polymère cationique imprégné d'hydroxyde de fer

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DOI :

10.3791/59728

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28 juin 2019

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1Department of Chemical Engineering, Hiroshima University

Dans cet article

Résumé

Dans ce travail, nous avons préparé un adsorbent composé de l'adsorbent cationic N,N-dimethylamino propylacrylamide méthyl chlorure quaternary (DMAPAAQ) gel polymère et hydroxyde de fer pour adsorbing arsenic des eaux souterraines. Le gel a été préparé par une nouvelle méthode conçue pour assurer la teneur maximale en particules de fer dans sa structure.

Résumé

Dans le présent travail, nous avons préparé un adsorbent composé d'un gel de polymère cationique contenant de l'hydroxyde de fer dans sa structure conçue pour adsorbelidous de l'arsenic des eaux souterraines. Le gel que nous avons choisi était le gel N,N-dimethylamino propylacrylamide méthylide quaternary (DMAPAAQ). L'objectif de notre méthode de préparation était d'assurer la teneur maximale en hydroxyde de fer dans la structure du gel. Cette approche de conception a permis l'adsorption simultanée par la structure de polymère du gel et le composant d'hydroxyde de fer, augmentant ainsi la capacité d'adsorption du matériel. Pour examiner la performance du gel, nous avons mesuré la cinétique de réaction, effectué des analyses de sensibilité au pH et de sélectivité, surveillé les performances d'adsorption de l'arsenic et mené des expériences de régénération. Nous avons déterminé que le gel subit un processus de chimioption et atteint l'équilibre à 10 h. En outre, le gel adsorbed arsenic effectivement à des niveaux de pH neutres et sélectivement dans des environnements ioniques complexes, atteignant un volume d'adsorption maximum de 1,63 mM/g. Le gel pourrait être régénéré avec 87,6% d'efficacité et NaCl pourrait être utilisé pour la désorption au lieu de NaOH nocif. Pris ensemble, la méthode de conception à base de gel présentée est une approche efficace pour la construction d'adsorbents à l'arsenic haute performance.

Introduction

La pollution de l'eau est une grande préoccupation environnementale, motivant les chercheurs à mettre au point des méthodes pour éliminer les contaminants tels que l'arsenic dans le gaspillage1. Parmi toutes les méthodes signalées, les processus d'adsorption sont une approche relativement peu coûteuse pour l'enlèvement des métaux lourds2,3,4,5,6,7. Les poudres d'oxyhydroxyde de fer sont considérées comme l'un des adsorbents les plus efficaces pour extraire l'arsenic des solutions aqueuses8,9. Pourtant, ces matériaux souffrent d'un certain nombre d'inconvénients, y compris les temps de saturation précoce et les précurseurs synthétiques toxiques. En outre, il ya un effet négatif grave dans la qualité de l'eau lorsque ces adsorbents sont utilisés pendant une longue période de temps10. Un processus de séparation supplémentaire, comme la sédimentation ou la filtration, est alors nécessaire pour purifier l'eau contaminée, ce qui augmente le coût de la production8,11.

Récemment, des chercheurs ont mis au point des gels polymères tels que des hydrogels cationiques, des microgels et des cryogels qui ont démontré des propriétés d'adsorption efficaces. Par exemple, un taux d'élimination de l'arsenic de 96 % a été atteint par le cryogel cationique, poly(3-acrylamidopropyl) de chlorure d'ammonium de triméthyle [p(APTMACl)]12. En outre, au pH 9, environ 99,7% d'efficacité de suppression a été atteint par cet hydrogel cationic13. Au pH 4, 98,72 mg/g de capacité maximale d'adsorption d'arsenic a été atteint par le microgel, basé sur le tris(2-aminoéthyle) amine (TAEA) et l'éther de glyceroldiglycidyl (GDE), p(TAEA-co-GDE)14. Bien que ces gels aient démontré de bonnes performances d'adsorption, ils n'ont pas réussi à éliminer efficacement l'arsenic de l'eau à des niveaux neutres de pH, et leurs sélectivités dans tous les environnements étudiés n'ont pas été rapportées15. Une capacité maximale d'adsorption de 227 mg/g de fauché a été mesurée lorsque Fe(III)-Sn(IV) a été utilisé à une température de 313 K et un pH de 716. Alternativement, fe-Zr binaire de sable recouvert d'oxyde (IZBOCS) a également été utilisé pour éliminer l'arsenic et a atteint une capacité maximale d'adsorption de 84,75 mg/g à 318 K et un pH de 717. D'autres adsorbents rapportés souffrent de faibles performances d'adsorption, d'un manque de récyclabilité, d'une faible stabilité, de coûts d'exploitation et d'entretien élevés, et de l'utilisation de produits chimiques dangereux dans le processus de synthèse4.

Nous avons cherché à remédier aux limites ci-dessus en développant un matériau avec une meilleure performance d'adsorption de l'arsenic, une grande sélectivité dans des environnements complexes, la capacité de recyclage et une activité efficace à des niveaux de pH neutres. Par conséquent, nous avons développé un composite de gel cationique de N,N-dimethylamino propylacrylamide méthylle chlorure quaternary (DMAPAAQ) gel et fer(III) hydroxyde (FeOOH) particules comme adsorbent pour l'élimination de l'arsenic. Nous avons choisi de combiner FeOOH avec notre gel parce que FeOOH augmente l'adsorption des deux formes d'arsenic18. Dans cette étude, notre composite de gel a été conçu pour être non-poreux et a été imprégné avec FeOOH pendant la préparation. Dans la section suivante, les détails de la méthode de préparation du gel, y compris notre stratégie pour maximiser le contenu de FeOOH est discuté plus loin.

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Protocole

CAUTION: L'arsenic est extrêmement toxique. S'il vous plaît utiliser des gants, des vêtements à manches longues, et des lunettes expérimentales en tout temps pendant l'expérience pour empêcher tout contact de solution d'arsenic avec la peau et les yeux. Si l'arsenic entre en contact avec n'importe quelle partie de votre corps, lavez-le immédiatement avec du savon. En outre, s'il vous plaît nettoyer l'environnement expérimental régulièrement afin que vous et d'autres ne pas entrer en contact avec l'arsenic, même lorsque l'expérience n'est pas effectuée. Les symptômes de l'exposition à l'arsenic peuvent apparaître après une longue période de temps. Avant de nettoyer l'équipement, rincez-le d'abord à l'eau propre et jetez l'eau séparément dans un contenant expérimental de déchets désigné pour l'arsenic. Ensuite, bien nettoyer l'équipement avec du détergent. Pour prévenir la contamination de l'environnement par l'arsenic, prenez des précautions lors de l'élimination des échantillons d'arsenic. Les jeter séparément dans des contenants de déchets expérimentaux destinés à l'arsenic. Après l'expérience d'adsorption ou de desorption, les gels contiennent une grande quantité d'arsenic. Par conséquent, jetez les gels séparément dans une poubelle expérimentale désignée pour les gels contenant de l'arsenic seulement.

1. Synthèse du composite de gel DMAPAAQ-FeOOH

  1. Sécher deux flacons de mesure de 20 ml et deux béchers de 20 ml équipés de barres magnétiques.
  2. Transfert 2,07 g de DMAPAAQ (75 %), 0,15 g de N,N'-méthylène bisacrylamide (MBAA), 0,25 g de sulfite de sodium et 1,68 g de NaOH à un bécher de 20 ml.
  3. Dissoudre la solution entièrement dans de l'eau distillée comme «solvant» et en la remuant pendant 30 min avec une barre magnétique.
  4. Transférer le mélange du bécher dans un flacon de mesure de 20 ml et ajouter de l'eau distillée pour générer une solution de 20 ml. Étiquetez la solution comme la « solution monomère ».
  5. De même, prendre 0,27 g d'ammonium peroxodisulfate (APS) et 3,78 g de FeCl3 dans un autre bécher de 20 ml.
  6. Dissoudre complètement la solution dans de l'eau distillée et la remuer pendant 30 min à l''insee avec une barre magnétique.
  7. Transférer le mélange du bécher dans un autre flacon de mesure de 20 ml et ajouter de l'eau distillée pour composer une solution de 20 ml. Étiquetez la solution comme la « solution initiatrice ».
  8. Préparer la configuration expérimentale comme indiqué dans la figure 1.
  9. Transférer les solutions dans les entonnoirs de séparation respectifs de 20 mL.
  10. Purger les solutions avec du gaz N2 pendant 10 min.
  11. Mélanger les solutions ensemble, les mélanger dans un tube à essai de 50 ml avec un agitateur électrique, puis placer le mélange dans un refroidisseur maintenu à 10 oC pendant 40 min.
  12. Sortez le bloc de gel du tube à essai et placez-le sur une planche à découper plate.
  13. Couper le bloc de gel en forme cubique, de 5 mm de longueur.
  14. Faire tremper les tranches de gel avec de l'eau désionisée pendant 24 h pour éliminer les impuretés.
  15. Après 12 h, remplacer l'eau et faire tremper à nouveau les tranches de gel.
  16. Étendre les tranches de gel sur un plat Petri et les sécher à température ambiante pendant 24 h.
  17. Placer le plat Petri avec les tranches de gel dans le four à 50 oC pendant 24 h.

2. Analyses de sensibilité au pH

  1. Sécher neuf contenants en plastique de 40 ml.
  2. Mesurez neuf morceaux de gel séché de 20 mg et mettez chacun d'eux dans un récipient en plastique séparé de 40 ml.
  3. Ajouter 20 ml d'une solution de 4 mM d'heptahydrate hydrogénétique disodium (Na2HAsO4x 7H2O) dans chaque récipient.
  4. Pour contrôler les niveaux de pH, ajouter 20 mL de solution NaOH ou de solution HCL avec des concentrations différentes (0,1, 0,01, 0,001, 0,0001 M) dans les contenants respectifs pour maintenir des niveaux de pH de 2, 6, 8, 10, 12, 13 et les étiqueter.
  5. Conserver les contenants dans l'agitateur à 20 oC et 120 tr/min pendant 24 h.
  6. Recueillir un échantillon de 5 ml dans chaque récipient et placer chaque échantillon dans un tube en plastique à l'aide d'une micropipette.
  7. Mesurer le pH d'équilibre pour tous les échantillons.
  8. Mesurer la concentration restante d'arsenic dans la solution à l'aide d'une chromatographie liquide de haute performance (HPLC). Utilisez une colonne analytique (4 x 200 mm), une colonne de garde (4 x 50 mm) et un suppresseur de 4 mm dans les conditions suivantes :
    Débit: 1,5 ml/min;
    Quantité d'échantillon injecté : 10 ml;
    Température de la colonne : 30 oC;
    Solution Eluent : 2,7 mM Na2CO3 et 0,3 mM NaHCO3;
    Pression de la pompe: 2000 psi;
    Détection de conductivité électrique : Méthode suppresseur.
    REMARQUE : Nous nous sommes procuré 1 ml de l'échantillon dans une seringue à usage unique de 1 ml. La seringue a été couplée à un filtre à membrane de seringue (taille de la pore : 0,22 mm, diamètre : 13 mm) pour discrèter les fragments microscopiques du gel de l'échantillon. Environ 0,7 ml d'échantillon a été inculqué dans la colonne. L'eau distillée a été infusée avant le début de l'injection des échantillons sous forme d'échantillon vierge. Des pics indiquant l'existence d'arsenic dans l'échantillon ont été détectés à 13 min.
    CAUTION: Après l'injection de l'échantillon, s'il vous plaît laisser la seringue dans la tête d'aspiration de HPLC pendant près de 2 min avec environ 0,2-0,3 ml d'échantillon restant en elle. Parce que la poussière et l'air pourraient pénétrer dans la colonne et modifier son adptité, ce qui peut entraîner des résultats erronés.

3. Expérience d'adsorption d'arsenic

  1. Sécher cinq contenants en plastique de 40 ml.
  2. Mesurer et placer 20 mg de gel séché dans chaque contenant en plastique de 40 ml.
  3. Ajouter 40 mL d'heptahydrate hydrogénétique disodium (Na2HAsO4x 7H2O) solution à chaque récipient aux concentrations suivantes: 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2 mM.
  4. Conserver les contenants dans l'agitateur à 20 oC et 120 tr/min pendant 24 h.
  5. Recueillir un échantillon de 5 ml dans chaque récipient et le placer dans un tube en plastique à l'aide d'une micropipette.
  6. Suivez l'étape 2.8 pour évaluer les niveaux d'arsenic d'équilibre dans les solutions utilisant HPLC.

4. Analyses de sélectivité du gel DMAPAAQ-FeOOH

  1. Sécher cinq contenants en plastique de 40 ml.
  2. Placer 20 mg de gel séché dans chacun des cinq contenants en plastique de 40 ml.
  3. Ajouter 20 ml d'une solution de 0,4 mM d'heptahydrate hydrogénétique hydrogénétique (Na2HAsO4x 7H2O) dans chaque récipient.
  4. Ajouter 20 ml à des concentrations de 0,5, 1, 2, 5, 10 mM Na2SO4 aux cinq contenants.
  5. Conserver les contenants dans l'agitateur à 20 oC et 120 tr/min pendant 24 h.
  6. Recueillir un échantillon de 5 ml dans chaque récipient et les placer dans des tubes en plastique séparés à l'aide de micropipettes.
  7. Suivre l'étape 2.8 pour quantifier la concentration restante d'arsenic dans la solution à l'aide de HPLC.

5. Analyses des taux d'équilibre

  1. Sécher sept contenants en plastique de 40 ml.
  2. Placer 20 mg de gel séché dans chacun des contenants en plastique de 40 ml.
  3. Ajouter 40 ml d'une solution de 0,2 mM d'heptahydrate hydrogénétique disodium (Na2HAsO4x 7H2O) à chacun des contenants.
  4. Conserver les contenants dans l'agitateur à 20 oC à 120 tr/min pour la durée de leurs heures désignées.
  5. Recueillir des échantillons de 5 mL dans des tubes en plastique à l'aide de micropipettes après 0,5, 1, 3, 7, 11, 24 et 48 h.
  6. Suivez l'étape 2.8 pour déterminer le niveau d'équilibre de l'arsenic dans chaque solution à l'aide de HPLC.

6. Analyse de régénération

  1. Analyse d'adsorption
    1. Sécher un contenant en plastique de 40 ml.
    2. Prenez 20 mg de gel séché et placez-le dans le contenant en plastique de 40 ml.
    3. Ajouter 40 ml d'une solution de 0,2 mM d'heptahydrate hydrogénétique hydrogénétique (Na2HAsO4x 7H2O) dans le récipient.
    4. Conserver le récipient dans l'agitateur à 20 oC et 120 tr/min pendant 24 h.
    5. Recueillir un échantillon de 5 ml dans un tube en plastique à l'aide d'une micropipette.
    6. Reportez-vous à l'étape 2.8 pour évaluer le niveau d'arsenic d'équilibre dans la solution à l'aide de HPLC.
  2. Nettoyage du gel
    1. Obtenir un tamis en maille.
    2. Recueillir soigneusement les morceaux de gel un à la fois afin qu'ils ne se cassent pas et les placer dans le tamis maille.
    3. Laver le gel plusieurs fois (au moins cinq fois) à l'aide d'eau désionisée afin que tout arsenic restant à la surface du gel soit emporté.
      CAUTION: Les morceaux de gel sont fragiles. Manipulez-les avec soin tout en les lavant et en les transférant de la solution d'arsenic à la solution NaCl.
  3. Analyses de desorption
    1. Sécher un contenant en plastique de 40 ml.
    2. Mettre les morceaux de gel de l'étape 6.2 dans un récipient en plastique de 40 ml.
    3. Ajouter 40 ml d'une solution NaCl de 0,5 M dans le conteneur.
    4. Conserver le récipient dans l'agitateur à 20 oC et 120 tr/min pendant 24 h.
    5. Recueillir un échantillon de 5 ml dans un tube en plastique à l'aide d'une micropipette.
    6. Suivez l'étape 2.8 pour évaluer le niveau d'équilibre de l'arsenic dans la solution à l'aide de HPLC.
  4. Répétition du processus
    1. Après la collecte du gel de l'étape 6.3, répéter le processus dans la séquence suivante pour huit cycles complets: 6,2 'gt; 6.1 'gt; 6.2 'gt; 6.3 'gt; 6.2 'gt; 6.1 'gt; 6.2 'gt; 6.2 'gt; 6.3.

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Résultats

La figure 1 décrit la configuration expérimentale pour la préparation du gel DMAPAAQ-FeOOH. Le tableau 1 illustre les compositions des matériaux impliqués dans la préparation du gel.

La figure 2 montre la relation entre le temps de contact et l'adsorption de l'arsenic par le gel DMAPAAQ-FeOOH. Dans la figure, la quantité d'adsorption de l'arsenic a été ...

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Discussion

La principale avancée de notre méthode développée est la stratégie de conception unique du composite de gel. Le but de notre méthode de préparation de gel était de maximiser la quantité de teneur en fer dans le gel. Au cours de la préparation, nous avons ajouté FeCl3 et NaOH à la « solution initiatrice » et à la « solution monomère », respectivement. Une fois que la solution monomère a été mélangée avec la solution initiatrice, il y avait une réaction entre FeCl3 et NaOH, produisant FeOOH à l'intéri...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Remerciements

Cette recherche a été appuyée par le numéro de subvention JSPS KAKENHI (26420764, JP17K06892). La contribution du Ministère de la Terre, de l'Infrastructure, des Transports et du Tourisme (MLIT), gouvernement du Japon dans le cadre du « Programme de subventions à la recherche et au développement en matière de technologie de la construction » à cette recherche est également reconnue.  Nous reconnaissons également la contribution de M. Kiyotaka Senmoto à cette recherche. Mme Adele Pitkeathly, conseillère principale en rédaction du Writing Center de l'Université d'Hiroshima, est également reconnue pour ses corrections et ses suggestions en anglais. Cette recherche a été sélectionnée pour la présentation orale de la 7e Conférence IWA-Aspire, 2017 et de la Conférence sur les technologies de l'eau et de l'environnement, 2018.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
N,N' -diméthylamino propylacrylamide, chlorure de méthyle quaternaire (DMAPAAQ) (75 % dans H2O)KJ Chemicals Corporation, Japon150707
N,N' -Methylene bisacrylamide (MBAA)Sigma-Aldrich, États-Unis1002040622
Sodium sulfite (Na2SO3)Nacalai Tesque, Inc., Japon31922-25
Sulfate de sodium (Na2SO4)Nacalai Tesque, Inc., Japon31916-15
Hydrogénarséniate disodique heptahydraté(Na2HAsO4.7H20)Nacalai Tesque, Inc., Japon10048-95-0
Chlorure ferrique(FeCl3)Nacalai Tesque, Inc., Japon19432-25
Hydroxyde de sodium(NaOH)Kishida Chemicals Corporation, Japon000-75165
Ammonium peroxodisulfate (APS)Kanto Chemical Co. Inc., Japon907W2052
Acide chlorhydrique (HCl)Kanto Chemical Co. Inc., Japon18078-01
Chlorure de sodium (NaCl)Nacalai Tesque, Inc., Japon31320-05

Références

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Réimpressions et autorisations

Mots-clés

Adsorption de l arsenicR g n ration du gelAnalyse par HPLCCin tique d adsorptionSensibilit au pHAdsorption s lectiveIsotherme de LangmuirEfficacit de la d sorption
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