Dwufunkcyjny filtr elektroaktywny w kierunku jednoczesnego utleniania i sekwestracji Sb(III)
5 grudnia 2019
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).
Usuwanie pojawiających się zanieczyszczeń antymonu z wód powierzchniowych jest bardzo pożądane. Najliczniejszymi gatunkami antymonu są antymon trzeci i antymon piąty, a antymon trzeci jest 10 razy bardziej toksyczny niż antymon piąty. Dwuetapowa strategia wytrącania utleniania jest powszechnie stosowana do usuwania antymonu trzeciego, czyli najpierw utleniania antymonu trzy do antymonu piątego, a następnie wytrącania chemicznego.
Ale możemy to osiągnąć w ciągu jednej jednostki. Ponieważ antymon ma podobne właściwości fizykochemiczne z innymi pierwiastkami z tej samej grupy azotowej, takimi jak arsen czy fosfor, uważam, że tę metodę można również rozszerzyć na te związki. Pamiętaj, aby uważnie przeczytać kartę charakterystyki wszystkich chemikaliów.
Postępuj zgodnie z protokołem i obowiązującymi instrukcjami i naucz się odróżniać antymon trzeci od piątego. Drobne zmiany w protokole mogą spowodować znaczące zmiany w wydajności systemu. Na przykład zbyt duża ilość tytanianu może spowolnić szybkość przewodności i kinetykę usuwania antymonu z filtra.
Aby przygotować nanodruty tytanianowe, najpierw rozpuść 56 gramów wodorotlenku potasu w 100 mililitrach zdejonizowanej wody pod energicznym mieszaniem. Następnie dodaj 3 gramy proszku dwutlenku tytanu do roztworu. Wejście roztworu do reaktora wyłożonego teflonem.
Trzymaj roztwór w temperaturze 200 stopni Celsjusza przez 24 godziny. Przed przemyciem powstałego białego osadu należy go nasycić 0,1 mola na litr kwasu hydraulicznego i wody dejonizowanej, aż do uzyskania neutralnego zamożnego pH. Produkt suszyć w próżni w temperaturze 60 stopni Celsjusza przez noc.
Następnie przenieś produkt do pieca rurowego i podgrzewaj materiał do 600 stopni Celsjusza przez 2 godziny z prędkością narastania 1 stopnia Celsjusza na minutę. W celu przygotowania filtra CNT tytanianu, dodaj 20 miligramów CNT do 40 mililitrów N-metylopirolidonu i sonduj sonikację mieszaniny przez 40 minut, aby uzyskać jednorodny roztwór. Następnie dodaj 200 miligramów nano drutów tytanianu do 20 mililitrów pirolidonu metylu i sonduj sonikację mieszaniny przez 20 minut.
Pod koniec sonikacji należy zmieszać roztwór dyspersji tytanianu z roztworem dyspersyjnym CNT i przefiltrować powstałą mieszaninę na membranę PTFE. Następnie przepłucz filtr raz 100 mililitrami etanolu, a drugi raz 200 mililitrami wody dejonizowanej. W przypadku elektrochemicznej filtracji antymonowej najpierw dodaj 2,2 miligrama trójwodzianu antymonylu potasu do 1 000 mililitrów wody dejonizowanej, a następnie dodaj 100 mililitrów powstałego roztworu antymonu o stężeniu 800 mikrogramów na litr do 150-mililitrowej zlewki.
Dostosuj roztwór do pH 7 i umieść przygotowaną anodę filtracyjną CNT z tytanianu w zmodyfikowanej elektrochemicznie obudowie filtracyjnej z poliwęglanu. Umieść sam filtr CNT w obudowie jako katodę i połącz anodę i katodę za pomocą perforowanego tytanowego pierścienia. Użyj izolacyjnej gumy silikonowej, aby oddzielić i uszczelnić obudowę, a następnie przepuść roztwór antymonu przez system filtracji z odpowiednim natężeniem przepływu, używając zasilacza prądu stałego, aby przyłożyć odpowiednie napięcie podczas filtracji.
Pod koniec filtracji użyć spektrometru fluorescencji atomowej, aby określić całkowite stężenie antymonu i antymonu trzy zgodnie ze standardowymi protokołami. Elektroaktywny aparat filtracyjny to elektrochemicznie modyfikowana obudowa filtracyjna z poliwęglanu. Obrazy filtra CNT z tytanianowego mikroskopu elektronowego ze skaningowym mikroskopem elektronowym sugerują chropowatą powierzchnię.
Charakterystyka transmisyjnej mikroskopii elektronowej sugeruje, że CNT są splątane z nanodrutami tytanianu po przetworzeniu, co wskazuje na udaną syntezę materiału hybrydowego tytanian-CNT. Aby wykazać skuteczność systemu filtracji elektrochemicznej, można określić zmianę całkowitego stanu antymonu i stanu walencyjnego antymonu w funkcji czasu. Na przykład w tej reprezentatywnej analizie stężenie antymonu five gwałtownie wzrosło w ciągu pierwszych 30 minut.
Podczas gdy pełną konwersję antymonu trzy zaobserwowano w ciągu 1 godziny ciągłej filtracji w trybie recyrkulacji, co wskazuje, że utlenianie antymonu było głównym procesem reakcji w początkowej fazie, umożliwiając skuteczne wchłonięcie antymonu pięć przez załadowane nanodruty tytanianu. Co więcej, zarówno kinetyka, jak i pojemność sorpcji antymonu zwiększały się wraz z przyłożonym napięciem ze względu na wzmocnione oddziaływania elektrostatyczne i transport w pobliżu powierzchni przez elektromigrację. Protokół ten ma na celu zapewnienie obiecującej strategii poprzez integrację skomplikowanych zadań, nauki o membranach i elektrochemii w celu odkażania antymonu trzech i innych podobnych składników w wodzie.
Można zademonstrować użycie wyprodukowanego filtra jako systemu filtracji katodowej przy funkcji lub redukcji i absorpcji. Umożliwia dekontaminację innych jonów metali ciężkich, takich jak chrom sześć. W kolejnym kroku planujemy zbadać wpływ naturalnych materiałów organicznych na wydajność usuwania trój-antymonu, a także poświęcić się opracowaniu funkcji laboratoryjnych w celu uzyskania lepszej kinetyki.
Niektóre chemikalia są toksyczne, lub drażniące. Należy pamiętać, aby zawsze nosić odpowiednie środki ochrony osobistej podczas ich użytkowania.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół projektowania dwufunkcyjnego filtra elektroaktywnego z wykorzystaniem nanorurek węglowych i nanodrutów tytanianu. Głównym celem jest ich zastosowanie w utlenianiu i sekwestracji antymonu, w szczególności Sb(III), z wód powierzchniowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nauki o środowisku
- Inżynieria materiałowa
- Nanotechnologia
Wstęp
- Antymon jest toksycznym zanieczyszczeniem występującym w wodach powierzchniowych.
- Antymon(III) jest znacznie bardziej toksyczny niż antymon(V).
- Obecne metody usuwania antymonu obejmują wiele etapów.
- Istnieje potrzeba opracowania bardziej efektywnych technik usuwania.
Cel badania
- Opracowanie jednowartościowej metody usuwania antymonu z wody.
- Zbadanie potencjału nanorurek węglowych i nanodrutów tytanianowych w zastosowaniach środowiskowych.
- Zbadanie utleniania antymonu(III) do antymonu(V) w tym samym układzie.
Zastosowane metody
- Projekt dwufunkcyjnego filtra elektroaktywnego.
- Wykorzystanie nanorurek węglowych i nanodrutów tytanianowych.
- Zastosowanie dwuetapowej strategii wytrącania przez utlenianie.
- Badanie skuteczności usuwania antymonu z wód powierzchniowych.
Główne wyniki
- Opracowany filtr skutecznie utlenia i sekwestruje antymon.
- Wykazano efektywność w pojedynczej jednostce w porównaniu z metodami tradycyjnymi.
- Potencjalna możliwość zastosowania w odniesieniu do innych zanieczyszczeń o podobnych właściwościach.
- Wyniki wskazują na obiecujące podejście do rekultywacji środowiska.
Wnioski
- Dwufunkcyjny filtr elektroaktywny jest skuteczny w usuwaniu antymonu.
- Metoda ta może uprościć obecne wieloetapowe procesy.
- Dalsze badania mogą rozszerzyć to podejście na inne pierwiastki toksyczne.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Jednoczesne utlenianie i sekwestracja toksycznej Sb(III) w pojedynczej elektroaktywnej jednostce filtracyjnej rozwiązuje krytyczny problem wąskiego gardła w procesach usuwania zanieczyszczeń ze środowiska. Taka dwufunkcyjna konstrukcja filtra umożliwia usprawnioną weryfikację mechanizmów oraz zwiększenie pewności prognostycznej dla strategii remediacji metali ciężkich. Podejście to wspiera decyzje na poziomie portfelowym w zakresie rozwoju nowej generacji technologii filtracji w badaniach i rozwoju (R&D) w obszarze biofarmacji i ochrony środowiska.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia analizę mechanistyczną szlaków usuwania zanieczyszczeń aktywnych redoksowo.
- Wspiera walidację funkcjonalną celów filtracji opartych na nanomateriałach.
- Ułatwia uzyskanie pewności prognostycznej w strategiach sekwestracji metali ciężkich.
Przesiewy i opracowanie testów
- Zapewnia zwalidowany system pomiaru ilościowej konwersji Sb(III) do Sb(V).
- Umożliwia powtarzalną ocenę wydajności filtrów w kontrolowanych warunkach.
- Wspiera standaryzację elektrochemicznych analiz filtracyjnych w zakresie usuwania toksycznych jonów.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wykazuje ciągłość procesu od syntezy materiału do funkcjonalnego usuwania zanieczyszczeń.
- Jest zgodne z celami translacyjnymi w zakresie skalowalnych rozwiązań do dekontaminacji wody.
- Wspiera dostosowany do ryzyka rozwój platform remediacji opartych na nanomateriałach.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ta dwufunkcyjna metoda filtrowania integruje procesy od wczesnego etapu odkrywania reaktywności nanomateriałów, poprzez badanie skuteczności filtracji, aż po walidację translacyjną w procesach usuwania zanieczyszczeń.
- Biologia odkrywcza: Wyjaśnia mechanizmy redoks i adsorpcji dla Sb(III) oraz podobnych jonów.
- Przesiewanie: Zapewnia ilościowe, powtarzalne wyniki utleniania i sekwestracji Sb(III).
- Analityka: Wykorzystuje spektrometrię fluorescencyjną atomową do precyzyjnego oznaczania ilości zanieczyszczeń.
- Badania translacyjne: Łączy walidację w skali laboratoryjnej z możliwością skalowania do zastosowań środowiskowych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy platformę wielokrotnego użytku do badań nad remediacją metali ciężkich.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w procesie usuwania zanieczyszczeń.
- Wartość operacyjna: Poprawia standaryzację, powtarzalność i skalowalność protokołów filtracji.
- Wartość strategiczna: Dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac nad technologiami remediacji opartymi na nanomateriałach.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację rozwiązań w zakresie dekontaminacji środowiska w oparciu o analizę ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w syntezie nanomateriałów oraz filtracji elektrochemicznej.
- Wymaga dostępu do spektrometrii fluorescencyjnej atomów oraz mikroskopii elektronowej w celu przeprowadzenia analizy.
- Wymaga standaryzacji protokołów filtracji i pomiarów pomiędzy zespołami.
- Możliżna jest konieczność adaptacji metody dla różnych klas zanieczyszczeń lub matryc wodnych.
- Wydajność może być zależna od odchyleń od protokołu oraz składu materiałowego.
