Verwijdering van arseen met behulp van een kationische polymeer gel geïmpregneerd met ijzer hydroxide

Samenvatting

In dit werk bereidden we een adsorbens voor, samengesteld uit de kationische n, n-dimethylamino propylacrylamide methylchloride quaternaire (dmapaaq) polymeer gel en ijzer hydroxide voor het adsorberen van arseen uit het grondwater. De gel werd bereid via een nieuwe methode, ontworpen om het maximale gehalte aan ijzer deeltjes in zijn structuur te waarborgen.

Samenvatting

In dit werk bereidden we een adsorbens voor, samengesteld uit een kationische polymeer gel die ijzer hydroxide bevat in zijn structuur, ontworpen om arseen uit het grondwater te adsorptie. De gel die we selecteerden was de gel van n, n-dimethylamino propylacrylamide methylchloride quaternaire (dmapaaq). Het doel van onze bereidingswijze was om het maximale gehalte aan ijzer hydroxide in de structuur van de gel te verzekeren. Deze ontwerpbenadering stelde simultane adsorptie in zowel de polymeerstructuur van de gel als de component ijzer hydroxide, waardoor de adsorptiecapaciteit van het materiaal werd versterkt. Om de prestaties van de gel te onderzoeken, hebben we de reactiekinetiek gemeten, pH-gevoeligheid en selectiviteits analyses uitgevoerd, de adsorptie prestaties van arseen gecontroleerd en regeneratie experimenten uitgevoerd. We bepaalden dat de gel ondergaat een sterke proces en bereikt evenwicht op 10 h. Bovendien heeft de gel arsenicum effectief geadsorreven op neutrale pH-niveaus en selectief in complexe ionen omgevingen, waarbij een maximaal adsorptie volume van 1,63 mM/g wordt bereikt. De gel kan worden geregenereerd met 87,6% efficiëntie en NaCl kan worden gebruikt voor desorptie in plaats van schadelijke NaOH. Samen is de gepresenteerde op gel gebaseerde ontwerpmethode een effectieve aanpak voor het bouwen van high-performance arseen adsorbents.

Inleiding

Water vervuiling is een grote zorg voor het milieu, motiverend onderzoekers om methoden te ontwikkelen voor het verwijderen van verontreinigingen zoals arsenicum uit wastewaster¹. Onder alle gerapporteerde methoden zijn adsorptie processen een relatief lage kosten benadering voor het verwijderen van zware metalen^2,3,4,5,6,7. Ijzer--oxyhydroxide-poeders worden beschouwd als een van de meest efficiënte adsorbenten voor het extraheren van arsenicum uit waterige oplossingen^8,9. Nog steeds, deze materialen lijden aan een aantal nadelen, met inbegrip van vroege verzadiging tijden en giftige synthetische precursoren. Bovendien is er een ernstig nadelig effect in de waterkwaliteit wanneer deze adsorbenten gedurende een lange periode van tijd¹⁰worden gebruikt. Een extra scheidingsproces, zoals sedimentatie of filtratie, is dan nodig om het verontreinigde water te zuiveren, wat de kosten van de productie verder^8,11verhoogt.

Onlangs hebben onderzoekers polymeer gels ontwikkeld zoals cationische hydrogels, micro gels en cryogels die efficiënte adsorptie-eigenschappen hebben aangetoond. Een arseen verwijderingspercentage van 96% werd bijvoorbeeld bereikt door de kationische cryogel, poly (3-acrylamidopropyl) trimethyl ammoniumchloride [p (APTMACl)]¹². Bovendien werd bij pH 9 ongeveer 99,7% verwijderingsefficiëntie bereikt door deze kationische hydrogel¹³. Bij pH 4 werd 98,72 mg/g van de maximale arseen adsorptiecapaciteit bereikt door de microgel, gebaseerd op tris (2-aminoethyl) amine (TAEA) en glyceroldiglycidyl ether (GDE), p (TAEA-co-GDE)¹⁴. Hoewel deze gels goede adsorptie prestaties vertoonden, slaagden ze er niet in effectief arseen uit water te verwijderen bij neutrale pH-niveaus, en hun selectiviteiten in alle bestudeerde omgevingen werden niet gemeld¹⁵. Een maximale adsorptiecapaciteit van 227 mg/g werd gemeten wanneer Fe (III)-SN (IV) gemengd binair oxide gecoat zand werd gebruikt bij een temperatuur van 313 K en een pH van 7¹⁶. Als alternatief is Fe-Zr binary oxide-Coated Sand (IZBOCS) ook gebruikt om arsenicum te verwijderen en een maximale adsorptiecapaciteit te behalen van 84,75 mg/g bij 318 K en een pH van 7¹⁷. Andere gerapporteerde adsorbenten lijden aan lage adsorptie prestaties, een gebrek aan recycleerbaarheid, lage stabiliteit, hoge operationele en onderhoudskosten en het gebruik van gevaarlijke chemische stoffen in het syntheseproces⁴.

We probeerden de bovenstaande beperkingen aan te pakken door een materiaal te ontwikkelen met verbeterde arseen adsorptie prestaties, hoge selectiviteit in complexe omgevingen, recyclingcapaciteit en efficiënte activiteit op neutrale pH-niveaus. Daarom ontwikkelden we een kationische gel samenstelling van n, n-dimethylamino propylacrylamide methylchloride quaternaire (dmapaaq) gel en ijzer (III) hydroxide (feooh) deeltjes als adsorbens voor arseen verwijdering. We kozen ervoor om FeOOH te combineren met onze gel omdat FeOOH de adsorptie van beide vormen van arsenicum¹⁸verhoogt. In deze studie werd onze gel composiet ontworpen om niet-poreus te zijn en was geïmpregneerd met FeOOH tijdens de bereiding. In de volgende sectie worden de details van de gel-voorbereidings methode, inclusief onze strategie voor het maximaliseren van de inhoud van FeOOH, verder besproken.

Protocol

Let op: arsenicum is uiterst giftig. Gebruik tijdens het experiment te allen tijde handschoenen, lange mouw kleding en experimentele brillen om elk contact van arseen oplossing met de huid en de ogen te voorkomen. Als arsenicum in aanraking komt met een deel van uw lichaam, was het dan onmiddellijk met zeep. Daarnaast moet u de experimentele omgeving regelmatig opruimen, zodat u en anderen niet in contact komen met arsenicum, zelfs niet wanneer het experiment niet wordt uitgevoerd. De symptomen van arseen blootstelling kunnen verschijnen na een lange periode van tijd. Voordat u de apparatuur reinigt, moet u deze eerst met schoon water spoelen en het water afzonderlijk afvoeren in een experimentele afvalbak die is aangewezen voor arsenicum. Reinig de apparatuur vervolgens goed met een reinigingsmiddel. Om arseen verontreiniging van het milieu te voorkomen, voorzorgsmaatregelen te nemen bij het afvoeren van arseen monsters. Gooi ze afzonderlijk weg in de voor arsenicum aangewezen experimentele afvalcontainers. Nadat het adsorptie-of desorptie-experiment is uitgevoerd, bevatten de gels een hoge hoeveelheid arseen. Gooi de gels daarom afzonderlijk weg naar een aangewezen experimentele afvalbak voor uitsluitend arseen bevattende gels.

1. synthese van de DMAPAAQ + FeOOH gel composiet

1. Droge 2 20 mL maatkolven en 2 20 mL bekers uitgerust met magnetische roer stangen.
2. Overdracht 2,07 g van DMAPAAQ (75%), 0,15 g van n, n '-methyleen bisacrylamide (mbaa), 0,25 g natriumsulfiet en 1,68 g NaOH tot 1 20 ml bekerglas.
3. Los de oplossing volledig op in gedistilleerd water als ' oplosmiddel ' en roer deze gedurende 30 minuten met een magnetische roer stang.
4. Breng het mengsel van het bekerglas over naar een maatkolf van 1 20 mL en Voeg gedistilleerd water toe om een 20 mL oplossing te genereren. Label de oplossing als de "monomeer oplossing".
5. Neem op dezelfde manier 0,27 g ammonium peroxodisulfaat (APS) en 3,78 g FeCl₃ in een ander bekerglas van 20 ml.
6. Los de oplossing volledig op in gedistilleerd water en roer deze gedurende 30 minuten met een magnetische roer stang.
7. Breng het mengsel van het bekerglas over in een andere maatkolf van 20 mL en Voeg gedistilleerd water toe om een oplossing van 20 mL samen te stellen. Label de oplossing als de "initiator oplossing".
8. Bereid de experimentele opstelling voor zoals weergegeven in Figuur 1.
9. Breng de oplossingen over in de respectievelijke 20 mL scheidings trechters.
10. Spoel de oplossingen met N₂ gas gedurende 10 min.
11. Meng de oplossingen samen, roer ze in een reageerbuis van 50 mL met een elektrische roerder en plaats het mengsel vervolgens in een koelmachine die gedurende 40 min op 10 °C wordt gehouden.
12. Haal het gelblok uit de reageerbuis en plaats het op een vlakke snijplank.
13. Snijd het gelblok in een kubieke vorm, 5 mm lang.
14. Week de gelschijfjes met gedeïoniseerd water gedurende 24 uur om de onzuiverheden te verwijderen.
15. Na 12 uur het water vervangen en de gelschijfjes weer weken.
16. Verdeel de gelschijfjes op een Petri schaaltje en droog ze op kamertemperatuur gedurende 24 uur.
17. Plaats de Petri schaal met de gelschijfjes in de oven bij 50 °C gedurende 24 uur.

2. pH-gevoeligheidsanalyses

1. Droge 9 40 mL plastic containers.
2. Meet 9 20 mg gedroogde gelstukken en zet ze elk in een aparte 40 mL plastic container.
3. Voeg 20 mL van een 4 mM dinatriumhydrogenarsenaat heptahydraat (na₂haso₄· 7h₂O) oplossing toe aan elke container.
4. Om de pH-waarden te beheersen, Voeg 20 mL NaOH-oplossing of HCL-oplossing met verschillende concentraties (0,1, 0,01, 0,001, 0,0001 M) in de respectieve containers toe om de pH-niveaus van 2, 6, 8, 10, 12, 13 te behouden en ze te labelen.
5. Bewaar de containers in de roerder bij 20 °C en 120 rpm gedurende 24 uur.
6. Verzamel een monster van 5 mL uit elke container en plaats elk monster in een plastic buisje met behulp van een micro pipet.
7. Meet de evenwichts pH voor alle monsters.
8. Meet de resterende concentratie arseen in de oplossing met behulp van een hogedrukvloeistofchromatografie (HPLC). Gebruik een analytische kolom (4 x 200 mm), een Bescherm kolom (4 x 50 mm) en een 4 mm suppressor met de volgende voorwaarden:
   Debiet: 1,5 mL/min;
   Hoeveelheid geïnjecteerd monster: 10 mL;
   Kolom temperatuur: 30 °C;
   Eluent oplossing: 2,7 mM na₂co₃ en 0,3 mm NaHCO₃;
   Pomp druk: 2000 psi;
   Elektrische geleidbaarheids detectie: suppressor methode.
   Opmerking: we hebben 1 mL van het monster aangeschaft in een 1 mL injectiespuit voor eenmalig gebruik. De spuit was gekoppeld met een spuit membraanfilter (poriegrootte: 0,22 mm, diameter: 13 mm) tot discrete de microscopische fragmenten van de gel uit het monster. Ongeveer 0,7 mL monster werd in de kolom ingeprent. Gedistilleerd water werd toegediend vóór het begin van het injecteren van de monsters als blanco monster. Pieken die het bestaan van arseen in het monster aangeeft, werd gedetecteerd op 13 minuten.
   Let op: na het injecteren van het monster, laat de spuit in de zuig kop van HPLC voor bijna 2 min met ongeveer 0,2-0,3 mL van het monster overgebleven. Omdat het stof en de lucht kunnen doordringen in de kolom en veranderen de adeptness, die mogelijk zal resulteren in foutieve uitkomst.

3. het adsorptie-experiment met arsenicum

1. Droge 5 40 mL plastic containers.
2. Meet en plaats 20 mg gedroogde gel in elke plastic verpakking van 40 mL.
3. Voeg 40 mL dinatriumhydrogenarsenaatheptahydraat (na₂haso₄· 7h₂O) oplossing toe aan elke recipiënt in de volgende concentraties: 0,1, 0,2, 0,5, 1,2 mm.
4. Bewaar de containers in de roerder bij 20 °C en 120 rpm gedurende 24 uur.
5. Verzamel een 5 mL monster uit elke container en plaats in een plastic buis met behulp van een micro pipet.
6. Volg stap 2,8 om de evenwichts arseen spiegels in de oplossingen te beoordelen met behulp van HPLC.

4. selectiviteits analyses van de DMAPAAQ + FeOOH gel

1. Droge 5 40 mL plastic containers.
2. Plaats 20 mg gedroogde gel in elk van de 5 40 mL plastic containers.
3. Voeg aan elke container 20 mL a 0,4 mM dinatriumhydrogenaraat-heptahydraat (na₂haso₄· 7h₂O) oplossing toe.
4. Voeg 20 mL toe bij concentraties van 0,5, 1, 2, 5, 10 mM na₂, dus₄ op de vijf containers.
5. Bewaar de containers in de roerder bij 20 °C en 120 rpm gedurende 24 uur.
6. Verzamel een monster van 5 mL uit elke container en plaats in afzonderlijke kunststof buizen met behulp van micropipetten.
7. Volg stap 2,8 om de resterende concentratie arseen in de oplossing te kwantificeren met behulp van HPLC.

5. analyse van de evenwichts frequentie

1. Droge 7 40 mL plastic containers.
2. Plaats 20 mg gedroogde gel in elk van de 40 mL plastic containers.
3. Voeg aan elk van de containers 40 mL van een 0,2 mM dinatriumhydrogenaraat-heptahydraat (na₂haso₄· 7h₂O) oplossing toe.
4. Bewaar de recipiënten in de roerder bij 20 °C bij 120 rpm gedurende de aangegeven tijd.
5. Verzamel 5 mL monsters in plastic buisjes met behulp van micropipetten na 0,5, 1, 3, 7, 11, 24 en 48 h.
6. Volg stap 2,8 om de evenwichts arseen niveau in elke oplossing te bepalen met behulp van HPLC.

6. regeneratie analyse

1. Adsorptie analyse
   1. Droog een plastic container van 40 mL.
   2. Neem 20 mg gedroogde gel en plaats deze in de plastic verpakking van 40 mL.
   3. Voeg 40 mL van een 0,2 mM dinatriumhydrogenarsenaat heptahydraat (na₂haso₄· 7h₂O) oplossing toe aan de container.
   4. Bewaar de container in de roerder bij 20 °C en 120 rpm gedurende 24 uur.
   5. Verzamel een 5 mL monster in een plastic buis met behulp van een micro pipet.
   6. Raadpleeg stap 2,8 voor het evalueren van het arseen-evenwichtsniveau in de oplossing met behulp van HPLC.
2. De gel reinigen
   1. Een zeef met gaas verkrijgen.
   2. Verzamel de gelstukken een voor een zorgvuldig, zodat ze niet breken en in de Maas zeef plaatsen.
   3. Was de gel meerdere malen (minimaal vijf keer) met behulp van gedeïoniseerd water, zodat alle overgebleven arseen op het oppervlak van de gel worden weggewassen.
      Let op: de gelstukken zijn fragiel. Behandel ze voorzichtig tijdens het wassen en overbrengen van de arseen oplossing naar de NaCl-oplossing.
3. Desorptie-analyses
   1. Droog een plastic container van 40 mL.
   2. Plaats de gelstukken van stap 6,2 in een plastic container van 40 mL.
   3. Voeg 40 mL van een 0,5 M NaCl-oplossing toe aan de container.
   4. Bewaar de container in de roerder bij 20 °C en 120 rpm gedurende 24 uur.
   5. Verzamel een 5 mL monster in een plastic buis met behulp van een micro pipet.
   6. Volg de stap 2,8 om het arseen evenwichtsniveau in de oplossing te evalueren met behulp van HPLC.
4. Herhaling van het proces
   1. Na het verzamelen van de gel uit stap 6,3, herhaalt u het proces in de volgende volgorde voor acht volledige cycli: 6,2 > 6,1 > 6,2 > 6,3 > 6,2 > 6,1 > 6,2 > 6,3.

Resultaten

Figuur 1 beschrijft de experimentele opstelling voor de bereiding van de DMAPAAQ + FeOOH gel. Tabel 1 illustreert de samenstellingen van de materialen die betrokken zijn bij de bereiding van de gel.

Figuur 2 toont de relatie van de contacttijd met de adsorptie van arseen door de DMAPAAQ + FeOOH gel. In de figuur werd de adsorptie van arseen onderzocht o...

Discussie

De belangrijkste vooruitgang van onze ontwikkelde methode is de unieke ontwerp strategie van de gel Composite. Het doel van onze gel bereidingsmethode was om de hoeveelheid ijzergehalte in de gel te maximaliseren. Tijdens de voorbereiding hebben we FeCl₃ en NaOH toegevoegd aan de "initiator oplossing" en de "monomeer oplossing" respectievelijk. Zodra de monomeer oplossing werd vermengd met de initiator oplossing, was er een reactie tussen FeCl₃ en NaOH, die FeOOH in de gel produceerde. Dit fenomeen ...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
N,N’-dimethylamino propylacrylamide, methyl chloride quaternary (DMAPAAQ) (75% in H2O)	KJ Chemicals Corporation, Japan	150707
N,N’-Methyleen bisacrylamide (MBAA)	Sigma-Aldrich, USA	1002040622
Natriumsulfiet (Na2SO3)	Nacalai Tesque, Inc., Japan	31922-25
Natriumsulfaat (Na2SO4)	Nacalai Tesque, Inc., Japan	31916-15
Di-natriumwaterstoffosfaat heptahydraat(Na2HAsO4.7H20)	Nacalai Tesque, Inc., Japan	10048-95-0
Ferric chloride(FeCl3)	Nacalai Tesque, Inc., Japan	19432-25
Natriumhydroxide(NaOH)	Kishida Chemicals Corporation, Japan	000-75165
Ammoniumperoxodisulfaat (APS)	Kanto Chemical Co. Inc., Japan	907W2052
Zoutzuur (HCl)	Kanto Chemical Co. Inc., Japan	18078-01
Natriumchloride (NaCl)	Nacalai Tesque, Inc., Japan	31320-05