本稿では、赤色土からFe2O3/ファウジャサイト(FAU)型ゼオライト複合材料を合成するための斬新で便利なルートを紹介します。詳細な合成パラメータは微調整されています。得られた複合材料は、重金属汚染水処理の効率化に利用でき、環境工学への応用が期待されています。
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この記事について
サマリー
要約
重金属で汚染された水は、人間の健康と生態環境にとって大きな懸念事項です。このような状況では、高効率の吸着材料によって可能になる原位置の水浄化技術が非常に重要です。水質浄化に使用されるすべての材料の中で、鉄ベースのナノ材料と多孔質材料は、それらの豊富な酸化還元反応性と吸着機能の恩恵を受けて、非常に興味深いものです。ここでは、中国南部に広く普及している赤い土壌を直接変換して、Fe2O3 /フォージャサイト(FAU)型ゼオライト複合材料を製造するための簡単なプロトコルを開発しました。
反応温度、反応時間、原料中のSi/Al比などの詳細な合成手順と合成パラメータは慎重に調整されています。合成された複合材料は、典型的な重金属(ロイド)イオンに対して良好な吸着能力を示します。0.001 g/mL Fe2O3/FAU型ゼオライト複合材料を異なる重金属(ロイド)汚染水溶液(単一タイプの重金属(ロイド)濃度:1,000 mg/L [ppm])に添加すると、Cu(II)、Cr(III)、Cr(VI)の吸着能力は172、45、170、40、429、693、94、および133 mg/gであることが示されました。 As(III)、Cd(II)、Pb(II)、Zn(II)、Ni(II)の除去は、それぞれ重金属汚染水および土壌浄化のためにさらに拡大することができる。
概要
人為的および自然活動からの重金属(ロイド)は、空気、水、土壌環境に遍在しています1。それらは高い移動性と毒性があり、直接接触または食物連鎖輸送を介して人間に潜在的な健康リスクをもたらします2。水はすべての家族の原料であるため、人間の生活に不可欠です。水の健康を回復することは非常に重要です。したがって、水中の有毒な重金属(ロイド)の移動性とバイオアベイラビリティを低下させることが非常に重要です。水中の健康を維持するために、バイオ炭、鉄ベースの材料、ゼオライトなどの水浄化材料は、水性環境からの重金属(ロイド)の固定化または除去に重要な役割を果たします3,4,5。
ゼオライトは、結晶構造に独特の細孔とチャネルを持つ高結晶材料です。それらは、共有O原子によって接続されたTO4 四面体(Tは中心原子、通常はSi、Al、またはP)で構成されています。細孔内の負の表面電荷と交換可能なイオンにより、重金属で汚染された水や土壌の浄化に広く使用されているイオン捕捉用の一般的な吸着剤となっています。それらの構造の恩恵を受けて、ゼオライトによる汚染物質除去に関与する修復メカニズムには、主に化学結合<....
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プロトコル
1.原材料の収集と処理
- 赤土収集
- 赤い土を集めます。植物と残留有機物を含む土壌の最上層30 cmを取り除きます。
注:この実験では、中国広東省深センにある南方科技大学(SUSTech)のキャンパスで赤い土を集めました(113°59' E、22°36' N)。
- 赤い土を集めます。植物と残留有機物を含む土壌の最上層30 cmを取り除きます。
- 赤土処理
- 集めた赤土を室温で風乾し、30メッシュのふるいでろ過します。大きな石や葉のほとんどを取り除きます。誘導結合プラズマ質量分析(ICP-MS)16を使用して赤土中の重金属(ロイド)濃度(表1)を測定し、不要な汚染が発生していないことを確認します。
注意: 原材料には大きな非シリコンまたはアルミニウム含有物がほとんど含まれないため、小さな穴のあるふるいをお勧めします。ここでは、この実験で原料を処理するには30メッシュのふるいで十分です。
- 集めた赤土を室温で風乾し、30メッシュのふるいでろ過します。大きな石や葉のほとんどを取り除きます。誘導結合プラズマ質量分析(ICP-MS)16を使用して赤土中の重金属(ロイド)濃度(表1)を測定し、不要な汚染が発生していないことを確認します。
2.Fe2O3/FAU型ゼオライト合成
- アルカリ混合粉末の調製
- 5 gの前処理された赤い土、1 gのSiO2、および7.63 gのNaOHを量り、それらを天然の瑪瑙乳鉢に加えます。それらを2〜3分間粉....
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結果
図1は、「土壌浄化のための土壌」戦略6に基づくゼオライトの全体的な合成経路を示す。単純な有機物フリールートで、赤い土壌はFeまたはAl源を添加することなくFe2O3 / FAU型ゼオライト複合材料に変換できます。合成されたままのゼオライト複合材料は、重金属汚染水浄化に優れた除去能力を示し、土壌浄化に使用できます。
図2は、赤土のXRF分析の結果を示しています。赤土の主な組成は、SiO 2、Al 2 O 3、およびFe2O3です。
図3は、FAU型ゼオライト骨格とFe2O3の結晶構造を示す。FAU型ゼオライトは.......
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ディスカッション
ゼオライトは通常、アルミノケイ酸塩材料です。理論的には、ケイ酸塩とアルミン酸塩が豊富な材料をゼオライト合成の原料として選択できます。原材料のSi / Al比は、追加のシリコン/アルミニウム源の使用を最小限に抑えるために、選択したタイプのゼオライトのそれと同様でなければなりません6,8,16。FAU型ゼオライトのSi/Al比は1.2、赤土のSi/Al比は1.3です。したがって、赤い土壌はFAU型ゼオライト合成のための完璧なSiおよびAl源です。しかしながら、この方法では、赤土中の全てのSiO2がゼオライトへの移行に成功したわけではない。そして、私たちのプロトコルでは、ゼオライト合成に追加のSiO2が必要です。また、赤土はFe2O3を7.65重量%含んでいるため、複合材料の調製時にFe源を追加する必要がなかった。
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開示事項
著者は開示する利益相反を持っていません。
謝辞
この研究は、中国広東省の著名な若手学者のための自然科学基金、No.2020B151502094によって財政的に支援されました。中国国家自然科学基金会、第21777045号および第22106064号。深セン科学技術イノベーション委員会の設立、中国、JCYJ20200109141625078;中国広東省大学およびカレッジの2019年ユースイノベーションプロジェクト、No.2019KQNCX133および広東省の科学技術イノベーション戦略のための特別基金(PDJH2021C0033)。この研究は、深セン界面科学工学研究所(No.ZDSYS20200421111401738)、広東省土壌および地下水汚染防止重点研究所(2017B030301012)、および統合地表水-地下水汚染防止の州環境保護主要研究所。特に、SUSTechコア研究施設からの技術支援を認めています。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Chemicals | |||
| 硝酸カドミウム四水和物 | 上海アラジンバイオケムテクノロジー株式会社 | C102676 | AR、99%。1,000ppmを作る ゼオライトの吸着性能試験のためのストックソリューション。 |
| 硝酸クロム(III)非水和物 | アラジンバイオケムテクノロジー株式会社 | C116446 | AR、99%。1,000ppmを作る ゼオライトの吸着性能試験のためのストックソリューション。 |
| 硫酸銅五水和物 | 上海アラジンバイオケムテクノロジー株式会社 | C112396 | AR、99%。1,000ppmを作る ゼオライトの吸着性能試験のためのストックソリューション。 |
| 硝酸鉛 | 上海アラジンバイオケムテクノロジー株式会社 | L112118 | AR、99%。ゼオライトの吸着性能試験のために1,000ppmの原液を作製します。 |
| 硝酸ニッケル六水和物 | 上海アラジンバイオケムテクノロジー株式会社 | N108891 | AR、98%。1,000ppmを作る ゼオライトの吸着性能試験のためのストックソリューション。 |
| 硝酸 | 上海アラジンバイオケムテクノロジー株式会社 | N116238 | AR、69.2%。ICP-MS試験の溶媒として使用されます。 |
| 重クロム酸カリウム | 上海アラジンBio-Chem Technology Co.、株式会社 | P112163 | AR、99.8%。1,000ppmを作る ゼオライトの吸着性能試験のためのストックソリューション。 |
| 二酸化ケイ素 | 上海アラジンバイオケムテクノロジー株式会社S116482 | AR、99%。ゼオライトの合成用。 | |
| 亜ヒ酸ナトリウム | Sigma-aldrich | S7400-100G | AR、90%。ゼオライトの吸着性能試験のために1,000ppmの原液を作製します。 |
| 水酸化ナトリウム | 上海アラジンバイオケムテクノロジー株式会社 | S111502 | ペレット。ゼオライトの合成用。 |
| 硝酸亜鉛六水和物 | 上海アラジンバイオケムテクノロジー株式会社 | Z111703 | AR、99%。1,000ppmを作る ゼオライトの吸着性能試験のためのストックソリューション。 |
| Equipment | |||
| Air乾燥オーブン | 上海Yihengの技術器械Co.、株式会社。 | DHG-9075A | サンプルの水熱結晶化と乾燥に使用 |
| 分析バランス | ザルトリウス科学機器 Co.LTD | BSA224S-CW | サンプルの計量に使用 |
| 遠心分離管 | 南通Supin実験装置有限公司 | ||
| 高速遠心分離機 | 湖南省 Xiang Yi 実験装置開発有限公司 | H1850 | 固体の分離に使用液体試料 |
| 用マルチポイントマグネチックスターラー | IKA Equipment Co.,LTD. | RT15 | 攪拌サンプルの |
| 発振器 | Changzhou Guohua Electric Appliances Co.,LTD. | SHA-B | 試料の均一混合用 |
| シリンジ駆動フィルター | 天津金天実験装置有限公司 | 0.22 μm. ろ過用。 | |
| Softwares | |||
| JADE 6.5 | 材料データ&(MDIの) | ||
| マーキュリー | ・ケンブリッジ結晶学データセンター(CCDC) | ||
| Materials Studio | Accelrys Software Inc. | ||
| Websites | |||
| ゼオライト構造のデータベース:http://www.iza-structure.org/databases/ | |||
| ICSD:https://icsd.products.fiz-karlsruhe.de/en |
参考文献
- 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.
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再版と許可
