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Artigo de método

Remoção de arsênico usando um gel de polímero catiônico impregnado com hidróxido de ferro

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DOI:

10.3791/59728

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28 de junho de 2019

 ,  ,  , 
1Department of Chemical Engineering, Hiroshima University

Neste artigo

Resumo

Neste trabalho, nós preparamos um adsorvente composto de n catiônico , n-dimethylamino propilacrilamida cloreto de metilo quaternário (DMAPAAQ) gel de polímero e hidróxido de ferro para adsorver arsênico das águas subterrâneas. O gel foi preparado através de um novo método projetado para garantir o máximo teor de partículas de ferro em sua estrutura.

Resumo

Neste trabalho, preparamos um adsorvente composto por um gel de polímero catiônico contendo hidróxido de ferro em sua estrutura projetada para adsorvar o arsênico das águas subterrâneas. O gel que selecionamos foi o n, n-dimethylamino propylacrylamide cloreto de metilo quaternário (DMAPAAQ) gel. O objetivo do nosso método de preparação foi garantir o teor máximo de hidróxido de ferro na estrutura do gel. Esta aproximação do projeto permitiu a adsorção simultânea pela estrutura do polímero do gel e do componente do hidróxido de ferro, assim, realçando a capacidade da adsorção do material. Para examinar o desempenho do gel, medimos a cinética de reação, realizamos análises de sensibilidade e seletividade de pH, monitoramos o desempenho da adsorção de arsênico e realizamos experimentos de regeneração. Determinamos que o gel sofre um processo de Quimissorção e atinge o equilíbrio em 10 h. Além disso, o gel adsorvido arsênico eficazmente em níveis neutros do pH e seletivamente em ambientes complexos do íon, conseguindo um volume máximo da adsorção de 1,63 milímetros/g. O gel poderia ser regenerado com 87,6% de eficiência e NaCl poderia ser usado para dessorção em vez de NaOH prejudicial. Tomados em conjunto, o método de design baseado em gel apresentado é uma abordagem eficaz para a construção de adsorventes de arsênico de alto desempenho.

Introdução

A poluição da água é uma grande preocupação ambiental, motivando os pesquisadores a desenvolver métodos para a remoção de contaminantes como arsênico de wastewaster1. Entre todos os métodos relatados, os processos de adsorção são uma abordagem de custo relativamente baixo para a remoção de metais pesados2,3,4,5,6,7. Os pós de oxihidróxido de ferro são considerados um dos adsorventes mais eficientes para extração de arsênico a partir de soluções aquosas8,9. Ainda assim, esses materiais sofrem de uma série de inconvenientes, incluindo tempos de saturação precoce e precursores sintéticos tóxicos. Adicionalmente, há um efeito adverso severo na qualidade de água quando estes adsorventes são usados por um longo período de tempo10. Um processo de separação adicional, como sedimentação ou filtração, é então necessário para purificar a água contaminada, o que aumenta o custo da produção mais8,11.

Recentemente, pesquisadores desenvolveram géis de polímero, como hidrogéis catiônicos, microgéis e criogels que demonstraram Propriedades de adsorção eficientes. Por exemplo, uma taxa de remoção de arsênico de 96% foi alcançada pelo cryogel catiônico, cloreto de poli (3-acrilamidopropilo) trimetil amônio [p (APTMACl)]12. Adicionalmente, em pH 9, aproximadamente 99,7% de eficiência de remoção foi alcançada por este hidrogel catiônico13. A pH 4, 98,72 mg/g de capacidade máxima de adsorção de arsênico foi alcançada pelo Microgel, com base na tris (2-aminoetil) amina (TAEA) e no éter gliceroldiglicílico (GDE), p (TAEA-co-GDE)14. Embora estes géis demonstraram bons desempenhos da adsorção, não conseguiram remover eficazmente o arsênico da água em níveis neutros do pH, e suas selectividades em todos os ambientes estudados não foram relatadas15. Uma capacidade máxima de adsorção de 227 mg/g de foi medida quando FE (III)-SN (IV) misturado binário óxido-revestido de areia foi usado a uma temperatura de 313 K e um pH de 716. Alternativamente, a areia óxido-revestida binária do FE-ZR (IZBOCS) foi usada igualmente para remover o arsênico e alcançou uma capacidade de adsorção máxima de 84,75 MGS/g em 318 K e em um pH de 717. Outros adsorventes relatados sofrem de baixos desempenhos de adsorção, falta de reciclabilidade, baixa estabilidade, altos custos operacionais e de manutenção, e o uso de produtos químicos perigosos no processo de síntese4.

Procurou-se abordar as limitações acima, desenvolvendo um material com melhor desempenho de adsorção de arsênico, alta seletividade em ambientes complexos, capacidade de reciclagem e atividade eficiente em níveis de pH neutros. Conseqüentemente, nós desenvolvemos um composto catiônico do gel de n,de n-dimethylamino propilacrilamida o gel quaternário do cloreto de metil (dmapaaq) e do hidróxido do ferro (III) (feooh) partículas como um adsorvente para a remoção do arsênico. Nós escolhemos para combinar FeOOH com o nosso gel porque FeOOH aumenta a adsorção de ambas as formas de arsênico18. Neste estudo, nosso composto de gel foi projetado para ser não-poroso e foi impregnado com FeOOH durante a preparação. Na próxima seção, os detalhes do método de preparação de gel, incluindo a nossa estratégia para maximizar o conteúdo de FeOOH é discutido ainda mais.

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Protocolo

Cuidado: o arsênico é extremamente tóxico. Por favor, use luvas, roupas de manga comprida e óculos experimentais em todos os momentos durante o experimento para evitar qualquer contato de solução de arsênico com a pele e os olhos. Se arsênico entra em contato com qualquer parte do seu corpo, lave-o imediatamente com sabão. Além disso, limpe o ambiente experimental regularmente para que você e outros não entram em contato com arsênico, mesmo quando o experimento não está sendo realizado. Os sintomas da exposição ao arsênico podem aparecer após um longo período de tempo. Antes de limpar o equipamento, lave-o primeiro com água limpa e elimine a água separadamente num contentor de resíduos experimental designado para arsênico. Em seguida, limpe bem o equipamento com detergente. Para evitar a contaminação do arsênico do ambiente, tome precauções ao descartar amostras de arsênico. Descarte-os separadamente em recipientes de resíduos experimentais designados para arsênico. Após a realização do experimento de adsorção ou dessorção, os géis contêm uma quantidade elevada de arsênico. Portanto, elimine os géis separadamente para um caixote de lixo experimental designado para apenas géis contendo arsênico.

1. síntese do composto de gel DMAPAAQ + FeOOH

  1. Seque os frascos de medição de 2 20 mL e os copos 2 20 mL equipados com as barras magnéticas do stir.
  2. Transferência 2, 7 g de DMAPAAQ (75%), 0,15 g de n, n '-metileno bisacrilamida (mbaa), 0,25 g de sulfito de sódio e 1,68 g de NaOH a 1 20 ml taça.
  3. Dissolver a solução totalmente em água destilada como "solvente" e agitando-a por 30 min com uma barra de agitação magnética.
  4. Transfira a mistura da taça para 1 20 mL de frasco de medição e adicione água destilada para gerar uma solução de 20 mL. Rotule a solução como a "solução de monómero".
  5. Da mesma forma, tomar 0,27 g de peroxodisulfato de amônio (APS) e 3,78 g de FeCl3 em outro copo de 20 ml.
  6. Dissolva a solução completamente em água destilada e agitando-a por 30 min com uma barra de agitação magnética.
  7. Transfira a mistura do béquer para outro balão de medição de 20 mL e adicione água destilada para compor uma solução de 20 mL. Rotule a solução como a "solução do iniciador".
  8. Prepare a configuração experimental como mostrado na Figura 1.
  9. Transfira as soluções para os respectivos funis de separação de 20 mL.
  10. Limpe as soluções com gás N2 por 10 min.
  11. Misture as soluções juntas, mexa-as em um tubo de teste de 50 mL com um agitador elétrico e, em seguida, coloque a mistura em um resfriador mantido a 10 ° c por 40 min.
  12. Tirar o bloco de gel do tubo de ensaio e colocá-lo em uma placa de corte plana.
  13. Corte o bloco de gel em uma forma cubica, 5 mm de comprimento.
  14. Mergulhe as fatias de gel com água de-ionizada para 24 h para remover as impurezas.
  15. Depois de 12 h, substitua a água e mergulhe as fatias de gel novamente.
  16. Espalhe as fatias de gel sobre uma placa de Petri e seque-as à temperatura ambiente durante 24 h.
  17. Coloque o prato de Petri com as fatias de gel no forno a 50 ° c durante 24 h.

2. análises de sensibilidade ao pH

  1. Secar 9 40 mL recipientes plásticos.
  2. Meça 9 20 mg de gel seco e coloque cada um deles em um recipiente de plástico 40 mL separado.
  3. Adicionar 20 mL de um hidrogenarsenato dissódico de 4 mM heptahidrato (na2Haso4· 7h2O) solução para cada recipiente.
  4. Para controlar os níveis de pH, adicione 20 mL de solução de NaOH ou solução de HCL com diferentes concentrações (0,1, 0, 1, 0, 1, 0, 1 M) nos respectivos recipientes para manter os níveis de pH de 2, 6, 8, 10, 12, 13 e rotulá-los.
  5. Mantenha os recipientes no agitador a 20 ° c e 120 rpm por 24 h.
  6. Colete uma amostra de 5 mL de cada recipiente e coloque cada amostra em um tubo de plástico usando uma micropipeta.
  7. Medir o pH de equilíbrio para todas as amostras.
  8. Meça a concentração restante de arsênico na solução usando uma cromatografia líquida do elevado desempenho (HPLC). Use uma coluna analítica (4 x 200 mm), uma coluna de proteção (4 x 50 mm) e um supressor de 4 mm com as seguintes condições:
    Vazão: 1,5 mL/min;
    Quantidade de amostra injetada: 10 mL;
    Temperatura da coluna: 30 ° c;
    Solução eluent: 2,7 mM nd2co3 e 0,3 mm NaHCO3;
    Pressão da bomba: 2000 psi;
    Detecção de condutividade elétrica: método supressor.
    Nota: nós adquirimos 1 mL da amostra em uma seringa de uso único de 1 mL. A seringa foi acoplada com um filtro da membrana da seringa (tamanho do pore: 0,22 milímetros, diâmetro: 13 milímetros) para discretas os fragmentos microscópicos do gel da amostra. Cerca de 0,7 mL de amostra foi instilado na coluna. A água destilada foi infundida antes do início de injetar as amostras como amostra em branco. Picos que indicam a existência de arsênico na amostra foi detectado em 13 min.
    PRECAUÇÃO: após injetar a amostra, por favor deixe a seringa na cabeça de sucção da HPLC durante quase 2 min com cerca de 0,2-0,3 mL de amostra restante. Porque a poeira eo ar poderia penetrar na coluna e alterar a sua adeptness, o que possivelmente resultará em resultado errôneo.

3. experimento de adsorção de arsênico

  1. Secar 5 40 mL recipientes plásticos.
  2. Meça e coloque 20 mg de gel seco em cada recipiente de plástico de 40 mL.
  3. Adicionar 40 mL de hidrogenarsenato dissódico heptahidrato (na2Haso4· 7h2O) solução para cada recipiente nas seguintes concentrações: 0,1, 0,2, 0,5, 1,2 mm.
  4. Mantenha os recipientes no agitador a 20 ° c e 120 rpm por 24 h.
  5. Colete uma amostra de 5 mL de cada recipiente e coloque em um tubo de plástico usando uma micropipeta.
  6. Siga a etapa 2,8 para avaliar os níveis de arsênico de equilíbrio nas soluções usando HPLC.

4. análises de seletividade do gel de DMAPAAQ + FeOOH

  1. Secar 5 40 mL recipientes plásticos.
  2. Coloque 20 mg de gel seco em cada um dos recipientes de plástico de 5 40 mL.
  3. Adicionar 20 mL de um hidrogenarsenato dissódico de 0,4 mM heptahidrato (na2Haso4· 7h2O) solução para cada recipiente.
  4. Adicionar 20 mL em concentrações de 0,5, 1, 2, 5, 10 mM na2so4 para os cinco recipientes.
  5. Mantenha os recipientes no agitador a 20 ° c e 120 rpm por 24 h.
  6. Colete uma amostra de 5 mL de cada recipiente e coloque em tubos plásticos separados usando micropipetas.
  7. Siga a etapa 2,8 para quantificar a concentração restante de arsênico na solução usando HPLC.

5. análise da taxa de equilíbrio

  1. Secar 7 40 mL recipientes plásticos.
  2. Coloque 20 mg de gel seco em cada um dos recipientes de plástico de 40 mL.
  3. Adicionar 40 mL de um hidrogenarsenato dissódico de 0,2 mM heptahidrato (na2Haso4· 7h2o) solução para cada um dos recipientes.
  4. Mantenha os recipientes no agitador a 20 ° c a 120 rpm durante o período de tempo designado.
  5. Colete amostras de 5 mL em tubos plásticos usando micropipetas após 0,5, 1, 3, 7, 11, 24 e 48 h.
  6. Siga a etapa 2,8 para determinar o nível de arsênico de equilíbrio em cada solução usando HPLC.

6. análise de regeneração

  1. Análise de adsorção
    1. Seque um recipiente de plástico de 40 mL.
    2. Tome 20 mg de gel seco e coloque-o no recipiente de plástico de 40 mL.
    3. Adicionar 40 mL de um hidrogenarsenato dissódico de 0,2 mM heptahidrato (na2Haso4· 7h2O) solução para o recipiente.
    4. Mantenha o recipiente no agitador a 20 ° c e 120 rpm por 24 h.
    5. Colete uma amostra de 5 mL em um tubo plástico usando uma micropipeta.
    6. Consulte a etapa 2,8 para avaliar o nível de arsênico de equilíbrio na solução usando HPLC.
  2. Limpando o gel
    1. Obter uma peneira de malha.
    2. Cuidadosamente recolher as peças de gel um de cada vez para que eles não quebram e colocá-los na peneira de malha.
    3. Lave o gel várias vezes (mínimo cinco vezes) usando água de-ionizada para que qualquer arsênico remanescente na superfície do gel seja lavado.
      Cuidado: as peças de gel são frágeis. Manuseie-os com cuidado ao lavar e transferi-los da solução de arsênico para a solução NaCl.
  3. Análises de dessorção
    1. Seque um recipiente de plástico de 40 mL.
    2. Põr as partes do gel da etapa 6,2 em um recipiente do plástico de 40 mL.
    3. Adicione 40 mL de uma solução de NaCl de 0,5 M ao contentor.
    4. Mantenha o recipiente no agitador a 20 ° c e 120 rpm por 24 h.
    5. Colete uma amostra de 5 mL em um tubo plástico usando uma micropipeta.
    6. Siga a etapa 2,8 para avaliar o nível de arsênico de equilíbrio na solução usando HPLC.
  4. Repetição do processo
    1. Depois de recolher o gel da etapa 6,3, repita o processo na seguinte sequência para oito ciclos completos: 6,2 > 6,1 > 6,2 > 6,3 > 6,2 > 6,1 > 6,2 > 6,3.

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Resultados

A Figura 1 descreve a configuração experimental para a preparação do gel DMAPAAQ + feooh. A tabela 1 ilustra as composições dos materiais envolvidos na preparação do gel.

A Figura 2 mostra a relação do tempo de contato com a adsorção de arsênico pelo gel de DMAPAAQ + feooh. Na figura, a quantidade de adsorção de arsênico foi examinada em 0,5, 1, 3, 7, 1...

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Discussão

O avanço principal de nosso método desenvolvido é a estratégia de projeto original do composto do gel. O objetivo do nosso método de preparação de gel foi maximizar a quantidade de conteúdo de ferro no gel. Durante a preparação, adicionamos FeCl3 e NaOH à "solução de iniciador" e à "solução de monómero", respectivamente. Uma vez que a solução do monômero foi misturada com a solução do iniciador, havia uma reação entre FeCl3 e NaOH, produzindo feooh dentro do gel. Este fenômeno garantiu o teor máximo...

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Divulgações

Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

Esta pesquisa foi apoiada pelo JSPS KAKENHI Grant Number (26420764, JP17K06892). Também é reconhecida a contribuição do Ministério da terra, da insfraestrutura, dos transportes e do turismo (MLIT), do governo do Japão, o programa de subsídios para pesquisa e desenvolvimento de tecnologia de construção.  Também reconhecemos a contribuição do Sr. Kiyotaka Senmoto para esta pesquisa. Sra. Adele Pitkeathly, Senior Writing Advisor Fellow do centro de escrita da Universidade de Hiroshima também é reconhecida por correções e sugestões inglesas. Esta pesquisa foi selecionada para apresentação oral na 7ª conferência IWA-Aspire, 2017 e conferência de tecnologia de água e meio ambiente, 2018.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
N,N' -dimetilaminopropilacrilamida, cloreto de metilo quaternário (DMAPAAQ) (75% em H2O)KJ Chemicals Corporation, Japão150707
N,N» -metileno bissacrilamida (MBAA)Sigma-Aldrich, EUA1002040622
Sulfato de sódio (Na2SO3)Nacalai Tesque, Inc., Japão31922-25
Sulfato de sódio (Na2SO4)Nacalai Tesque, Inc., Japão31916-15
Heptahidratato de hidrogenarseniato dissódico (Na2HAsO4,7H20)Nacalai Tesque, Inc., Japão10048-95-0
Cloreto férrico(FeCl3)Nacalai Tesque, Inc., Japão19432-25
Hidróxido de sódio(NaOH)Kishida Chemicals Corporation, Japão000-75165
Amônio peroxodissulfato (APS)Kanto Chemical Co. Inc., Japão907W2052
Ácido clorídrico (HCl)Kanto Chemical Co. Inc., Japão18078-01
Cloreto de sódio (NaCl)Nacalai Tesque, Inc., Japão31320-05

Referências

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