Dwufunkcyjny filtr elektroaktywny w kierunku jednoczesnego utleniania i sekwestracji Sb(III)

Summary

Przedstawiono protokół racjonalnego projektowania dwufunkcyjnego filtra elektroaktywnego składającego się z nanorurek węglowych i nanodrutów tytanianu oraz przedstawiono ich zastosowania środowiskowe w kierunku utleniania i sekwestracji Sb(III).

Abstract

Zaprojektowaliśmy łatwą metodę syntezy dwufunkcyjnego filtra elektrochemicznego składającego się z dwóch materiałów 1-D: nanodrutów tytanianu i nanorurek węglowych. Hybrydowy filtr tytanianowo-węglowy został przygotowany przez sonikację sprzężoną ze ścieżką po filtracji. Ze względu na synergiczne efekty zwiększonej liczby odsłoniętych miejsc sorpcji, reaktywność elektrochemiczną, mały rozmiar porów sieci tytanian-CNT w połączeniu z konstrukcją przepływową, można łatwo osiągnąć jednoczesne utlenianie i sekwestrację Sb(III). Technologia spektrometru fluorescencji atomowej wykazała, że zastosowane pole elektryczne przyspiesza współczynnik konwersji Sb(III), a otrzymane Sb(V) były skutecznie adsorbowane przez nanodruty tytanianu ze względu na ich specyficzność Sb. Protokół ten zapewnia praktyczne rozwiązanie do usuwania wysoce toksycznych jonów Sb(III) i innych podobnych jonów metali ciężkich.

Introduction

Ostatnio dużym zainteresowaniem cieszyło się zanieczyszczenie środowiska spowodowane pojawiającym się antymonem (Sb)^1,2. Szeroko zakrojone badania wykazują, że związki Sb są wysoce toksyczne dla ludzi i mikroorganizmów, chociaż występują w niskich stężeniach w środowisku^3,4. Co gorsza, konwencjonalne metody fizykochemiczne lub biologiczne są zwykle nieskuteczne w usuwaniu tych pojawiających się zanieczyszczeń ze względu na ich niskie stężenia i wysoką toksyczność⁵. Najliczniejszymi gatunkami Sb są Sb(V) i Sb(III), z których ta ostatnia forma jest bardziej toksyczna.

Wśród obecnie dostępnych metod uzdatniania, adsorpcja jest uważana za obiecującą i wykonalną alternatywę ze względu na jej wysoką skuteczność, niski koszt i prostotę^6,7. Do tej pory opracowano kilka nanoskalowych sorbentów o przestrajalnej mikrostrukturze, dużej powierzchni właściwej i swoistości Sb, takich jak TiO₂⁸, MnO₂⁹, titanate¹⁰, zerovalent iron¹¹, tlenki żelaza i inne dwuskładnikowe tlenki metali^12,13. Częstym problemem w przypadku adsorbentów w skali nano jest problem po separacji ze względu na ich mały rozmiar cząstek. Jedną ze strategii rozwiązania tego problemu jest załadowanie tych nano-sorbentów na podpory w skali makro/mikro¹⁴. Kolejnym wyzwaniem ograniczającym szerokie zastosowanie technologii adsorpcji jest słaby transport masy spowodowany ograniczonym stężeniem docelowych związków/cząsteczek¹⁵. Problem ten można częściowo rozwiązać, przyjmując konstrukcję membrany, a konwencja może znacznie usprawnić transport masowy. Ostatnie wysiłki poświęcono na opracowanie zaawansowanych systemów uzdatniania, które łączą adsorpcję i utlenianie w jednym urządzeniu w celu skutecznego usuwania Sb(III). Tutaj pokazujemy, w jaki sposób elektroaktywny filtr tytanianowo-węglowy (titanate-CNT) został racjonalnie zaprojektowany i zastosowany do jednoczesnej adsorpcji i sekwestracji toksycznego Sb(III). Dostrajając wielkość obciążenia tytanianem, przyłożone napięcie i natężenie przepływu, pokazujemy, w jaki sposób można odpowiednio dostosować szybkość utleniania Sb(III) i wydajność sekwestracji. Chociaż produkcja i zastosowanie filtra elektroaktywnego jest pokazane w tym protokole, podobne projekty mogą mieć również zastosowanie do obróbki innych jonów metali ciężkich.

Drobne zmiany w procesie produkcji i odczynnikach mogą spowodować znaczące zmiany w morfologii i wydajności końcowego systemu. Na przykład wykazano, że czas hydrotermalny, temperatura i czystość chemiczna wpływają na mikrostruktury tych nanoskalowych adsorbentów. Natężenie przepływu roztworu adsorbatu określa również czas przebywania w systemie przepływowym, a także skuteczność usuwania związków docelowych. Dzięki jasnej identyfikacji tych kluczowych parametrów wpływających można zapewnić powtarzalny protokół syntezy i osiągnąć stabilną skuteczność usuwania Sb(III). Protokół ten ma na celu dostarczenie szczegółowych doświadczeń w zakresie wytwarzania dwufunkcyjnych filtrów hybrydowych, a także ich zastosowań w usuwaniu toksycznych jonów metali ciężkich w sposób przepływowy.

Protocol

UWAGA: Proszę uważnie przeczytać odpowiednie karty charakterystyki (SDS) wszystkich chemikaliów i nosić odpowiednie środki ochrony osobistej (PPE) przed użyciem. Niektóre chemikalia są toksyczne i drażniące. Zachowaj ostrożność podczas obchodzenia się z nanorurkami węglowymi, które mogą stwarzać dodatkowe zagrożenia w przypadku wdychania lub kontaktu ze skórą.

1. Przygotowanie elektroaktywnego filtra tytanianowo-CNT

1. Przygotowanie nanodrutów tytanianowych¹⁶
   1. Rozpuścić 56 g wodorotlenku potasu (KOH) w 100 ml wody dejonizowanej przy energicznym mieszaniu.
   2. Dodać 3 g proszku dwutlenku tytanu (TiO₂) do rozpuszczonego roztworu KOH.
   3. Przenieść powyższy roztwór do reaktora wyłożonego teflonem i utrzymywać go w temperaturze 200 °C przez 24 godziny.
   4. Otrzymany biały osad przepłukać kwasem solnym (HCl) o stężeniu 0,1 mol/l i wodą dejonizowaną do uzyskania neutralnego pH ścieków. Produkt suszyć w próżni w temperaturze 60 °C przez noc.
   5. Przenieść produkty do pieca rurowego i podgrzewać go do temperatury 600 °C przez 2 godziny z prędkością narastania 1 °C/min.
2. Przygotowanie filtra tytanianowo-CNT¹⁷
   1. Dodaj 20 mg nanorurek węglowych (CNT) do 40 ml n-metylopirolidonu (NMP). Sonikacja sondą przez 40 minut w celu uzyskania jednorodnego roztworu.
   2. Oddzielnie dodaj 20 mg przygotowanych nanodrutów tytanianu do 20 ml NMP. Wykonuj sonicynację sondą przez 20 minut.
   3. Zmieszać roztwór dyspersji tytanianowej z roztworem dyspersyjnym CNT. Przefiltrować roztwór mieszaniny na membranę PTFE, która służy jako podpora dla filtra tytanianowo-CNT.
   4. Spłucz sekwencyjnie 100 ml etanolu i 200 ml wody dejonizowanej.
      UWAGA: Sam filtr CNT można przygotować podobną drogą bez dodatku nanodrutów tytanianowych.

2. Filtracja elektrochemiczna Sb(III)

1. Opis aparatury doświadczalnej¹⁸
   1. Przeprowadź eksperymenty sorpcyjne w zmodyfikowanej elektrochemicznie obudowie filtracyjnej z poliwęglanu (patrz Rysunek 1).
   2. Użyj zasilacza prądu stałego do sterowania elektrochemią.
   3. Zastosuj perforowany tytanowy pierścień jako złącze do filtrów anodowych lub katodowych.
   4. Użyj izolacyjnej gumy silikonowej jako separatora i uszczelnienia.
2. Eksperymenty filtracyjne
   1. Dodać 2,2 mg C_{, 8}H,_4K2O,₁₂Sb 2,3H2 O do 1000 mlwody dejonizowanej, aby przygotować roztwór Sb(III) o stężeniu 800 μg/l.
   2. Przenieść 100 ml roztworu Sb(III) do zlewki o pojemności 150 ml. Dostosuj pH roztworu do 7.
   3. Umieść tak przygotowaną anodę filtracyjną tytanianowo-CNT w obudowie filtracyjnej z poliwęglanu i umieść inny filtr z samą CNT jako katodę. Uszczelnij obudowę.
   4. Przepuścić przez system filtracji z roztworem Sb(III) przy danym przepływie. Zastosuj napięcie stałe podczas filtracji.
   5. Określ_całkowite stężenie Sb i Sb(III) za pomocą techniki spektrometru fluorescencji atomowej¹⁷.
      UWAGA: W tym procesie natężenie przepływu i przyłożone napięcie można dostroić odpowiednio za pomocą pompy perystaltycznej i zasilacza prądu stałego.

Results

Zastosowany aparat do filtracji elektroaktywnej to elektrochemicznie zmodyfikowana obudowa filtracyjna z poliwęglanu (Rysunek 1). Techniki skaningowego mikroskopu elektronowego z emisją polową (FESEM) i transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) są wykorzystywane do scharakteryzowania morfologii filtra tytanian-CNT (Rysunek 2). Aby zademonstrować skuteczność systemu filtracji elektrochemicznej, określa się zmianę stanu walencyjnego Sb_całkowitego i Sb w funkcji czasu (<...

Discussion

Kluczem do tej technologii jest wytworzenie elektroaktywnego, przewodzącego i porowatego filtra hybrydowego o wysokiej swoistości Sb. Aby to zrobić, należy zwrócić szczególną uwagę na proces wytwarzania. Ilość nanodrutów tytanianu musi być precyzyjnie kontrolowana ze względu na efekt "kompromisu" między przewodnością elektryczną filtra a powierzchnią.

Ponadto należy również zauważyć, że konieczne jest odpowiednie przyłożone napięcie. Gdy przyłożone napięcie jest zbyt wysokie (np. >3 V), inne r...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Spektrometr fluorescencji atomowej	Ruili Co., Ltd
Nanorurki węglowe (CNT)	TimesNano Co., Ltd
Zasilacz prądu stałego	Dahua Co., Ltd
Etanol, 96%	Sinopharm
Kwas solny, 36%	Sinopharm
winian	potasu L-antymonuSigma-Aldrich		Wysoce toksyczny
N-metylo-2-pirolidynon (NMP), 99,5%	Sinopharm		Wysoce toksyczny
wodorotlenek potasu, 85%	Sinopharm
pompa perystaltyczna	Ismatec Co., Ltd
Dwutlenek tytanu w proszku	Sinopharm