Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Рециркуляция ресурсов красного грунта для синтеза цеолитового композиционного материала типа Fe2O3/FAU для удаления тяжелых металлов

2.6K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/64044

⸱

2 июня 2022 г.

 ,  ,  ,  , 
1State Environmental Protection Key Laboratory of Integrated Surface Water-Groundwater Pollution Control, Guangdong Provincial Key Laboratory of Soil and Groundwater Pollution Control, School of Environmental Science and Engineering, Shenzhen Key Laboratory of Interfacial Science and Engineering, Southern University of Science and Technology

В этой статье

Краткое содержание

В этой статье представлен новый и удобный способ синтеза цеолитового композиционного материала типа Fe2O3/faujasite (FAU) из красного грунта. Детально настроены параметры синтеза. Полученный композиционный материал может быть использован для эффективного восстановления загрязненных тяжелыми металлами вод, что указывает на его потенциальное применение в экологической инженерии.

Аннотация

Загрязненная тяжелыми металлами вода вызывает серьезную озабоченность у здоровья человека и окружающей среды. Методы восстановления воды in situ , обеспечиваемые высокоэффективными адсорбционными материалами, имеют большое значение в этих условиях. Среди всех материалов, используемых в рекультивации воды, наноматериалы на основе железа и пористые материалы представляют большой интерес, извлекая выгоду из их богатой окислительно-восстановительной реакционной способности и адсорбционной функции. Здесь мы разработали упрощенный протокол для непосредственного преобразования широко распространенной красной почвы на юге Китая для изготовления цеолитового композитного материала типа Fe2O3 / faujasite (FAU).

Детальная процедура синтеза и параметры синтеза, такие как температура реакции, время реакции и соотношение Si/Al в сырье, были тщательно настроены. Ас-синтезированные композиционные материалы демонстрируют хорошую адсорбционную способность для типичных ионов тяжелых металлов (лоидов). При добавлении 0,001 г/млfe2O3/FAU-типа цеолитного композиционного материала к различным водным растворам, загрязненным тяжелыми металлами (лоидами)(концентрация одного типа тяжелых металлов(лоидов): 1000 мг/л [ppm]), адсорбционная способность составляла 172, 45, 170, 40, 429, 693, 94 и 133 мг/г для Cu (II), Cr (III), Cr (VI), Как (III), Cd (II), Pb (II), Zn (II) и Ni (II), соответственно, которые могут быть дополнительно расширены для восстановления загрязненных тяжелыми металлами вод и почв.

Введение

Тяжелые металлы (лоиды) в результате антропогенной и природной деятельности повсеместно распространены в воздухе, воде и почвенной среде1. Они обладают высокой подвижностью и токсичностью, что создает потенциальную опасность для здоровья людей при прямом контакте или при транспортировке по пищевойцепи 2. Вода жизненно важна для жизни людей, поскольку она является сырьем для каждой семьи. Восстановление здоровья воды имеет решающее значение. Поэтому большое значение имеет снижение подвижности и биодоступности токсичных тяжелых металлов (лоидов) в воде. Для поддержания хорошего здоровья в воде водоосжигающие материалы, такие как биоуголь, материалы на основе железа и цеолит, играют важную роль в обездвиживании или удалении тяжелых металлов (лоидов) из водных сред 3,4,5.

Цеолиты представляют собой высококристаллические материалы с уникальными порами и каналами в их кристаллической структуре. Они состоят из тетраэдров TO4 (T является центральным атомом, обычно Si, Al или P), соединенных общими атомами O. Отрицательный поверхностный заряд и обменные ионы в порах делают его популярным адсорбентом для захвата ионов, который широко используется в загрязненной тяжелыми металлами воде и восстановлении почвы. Извлекая выгоду из своих структур, механизмы восстановления, участвующие в удалении загрязняющих веществ цеолитами, в основном включают химическую связь6, поверхностное электростатическое взаимодействие7 и ионный обмен8.

Цеолит типа Faujasite (FAU) имеет относительно большие поры, с максимальным диаметром пор 11,24 Å. Он демонстрирует высокую эффективность и широкое применение для удаления загрязняющих веществ 9,10. В последние годы обширные исследования были посвящены разработке экологически чистых и недорогих процедур синтеза цеолита, таких как использование промышленных твердых отходов11 в качестве сырья для обеспечения источников кремния и алюминия или принятие рецептов без направляющих агентов12. Представленные альтернативные промышленные твердые отходы, которые могут быть источниками кремния и алюминия, включаютугольный ганг 13, летучую золу11, отходы молекулярных сит14, горно-металлургические отходы15, заброшенную инженерно-техническую почву8 и сельскохозяйственную почву6 и т.д.

При этом в качестве сырья был принят красный грунт, обильный и легко получаемый материал, богатый кремнием и алюминием, и для синтеза цеолитного композиционного материала типа Fe2O3/FAU был разработан поверхностный подход к зеленой химии (рисунок 1). Детально настроены параметры синтеза. Ас-синтезированный материал демонстрирует высокую иммобилизующую способность для восстановления загрязненных тяжелыми металлами вод. Настоящее исследование должно быть поучительным для смежных исследователей, которые заинтересованы в этой области, чтобы использовать почву в качестве сырья для синтеза экоматериалов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Сбор и обработка сырья

  1. Сбор красного грунта
    1. Соберите красную почву. Удалите верхний слой почвы размером 30 см, содержащий растения и остаточные органические вещества.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте красный грунт был собран в кампусе Южного университета науки и техники (SUSTech), Шэньчжэнь, провинция Гуандун, Китай (113°59' E, 22°36' N).
  2. Обработка красного грунта
    1. Высушите собранный красный грунт при комнатной температуре и процедите его через 30-сетчатое сито. Удалите большую часть крупных камней и листьев. Измерьте концентрацию тяжелых металлов (лоидов) (таблица 1) в красной почве с помощью масс-спектрометрии плазменной масс-спектрометрии с индуктивной связью (МСП-МС)16 , чтобы убедиться в отсутствии нежелательного загрязнения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется сито с небольшими отверстиями, так как в сырье будет мало крупных некремниевых или алюминийсодержащих объектов. Здесь 30-сетчатого сита достаточно для обработки сырья в этом эксперименте.

2. Синтез цеолита Fe2O3/FAU-типа

  1. Приготовление порошка щелочной смеси
    1. Взвесьте 5 г предварительно обработанной красной почвы, 1 г SiO2 и 7,63 г NaOH и добавьте их в натуральный агатовый раствор. Измельчите их в течение 2-3 мин в мелкий порошок. Убедитесь, что относительная влажность воздуха в лаборатории составляет 65%-72%.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Будьте осторожны со временем измельчения, так как NaOH очень гигроскопичен. Он может легко поглощать воду из воздушной атмосферы. Средневлажный щелочной порошок имеет решающее значение для следующего этапа эксперимента. Время измельчения связано с влажностью в лаборатории.
  2. Щелочное слияние/активация
    1. Переложите щелочную смесь в тефлоновую оболочку реактора объемом 100 мл без наружного покрытия из нержавеющей стали. Нагревайте его в духовке при температуре 200 °C в течение 1 ч.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Целью данного этапа является использование сильного основания NaOH для активации связи Si-O и связи Al-O17 таким образом, чтобы атомы Al, Si и O вновь собрались с образованием желаемого алюмосиликатного цеолита.
  3. Получение предшественника цеолита
    1. Добавьте 60 мл деионизированной воды в тефлоновую оболочку реактора, содержащую активированную щелочную смесь. Добавьте перемешивающий батончик соответствующего размера и перемешайте смесь со скоростью 600 об/мин на магнитной мешалке в течение 3 ч при 25 °C. Подождите, пока однородный гель образуется в качестве предшественника цеолита18.
  4. Кристаллизация
    1. Переложите однородный гель в автоклав из нержавеющей стали объемом 100 мл и нагрейте гель в духовке при температуре 100 °C в течение 12 ч. Подождите, пока духовка остынет до комнатной температуры в соответствии с программой охлаждения по умолчанию, чтобы открыть дверцу духовки и вынуть автоклав.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Автоклав создает высокое давление при высоких температурах, чтобы ускорить процесс кристаллизации. Всегда ждите, пока он достигнет комнатной температуры, чтобы предотвратить взрыв, вызванный высоким давлением.
  5. Полученный цеолит промыть деионизированной водой несколько раз до тех пор, пока рН раствора не приблизится к 7. Используйте центрифугу для разделения твердого и жидкого вещества и соберите твердое вещество на дне 50-литровой центрифужной трубки. Наконец, высушите полученный продукт в течение 8 ч в печи с температурой 80 °C и измельчите его в мелкий порошок для последующей характеристики.
  6. Характеристика
    1. Получите результат рентгеновского флуоресцентного (XRF) спектрометра для красного грунта (рисунок 2). Он используется для точного измерения концентрации неорганических элементов в почве19.
    2. Получите кристаллический информационный файл (CIF) Fe2O3 из базы данных неорганической кристаллической структуры (ICSD). Получите CIF-файл цеолита типа FAU из базы данных цеолитных структур.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Mercury and Materials Studio (MS) могут использоваться в качестве инструментов визуализации кристаллической структуры. В этой работе Меркурий использовался для визуализации структуры Fe2O3 , а MS использовался для цеолита типа FAU (рисунок 3).
    3. Получить диаграмму порошковой рентгеновской дифракции (PXRD) для подтверждения фазы синтезированного цеолитного композиционного материала типа Fe2O3/FAU (рисунок 4)20. Сравните его с смоделированным PXRD-паттерном Fe2O3 и цеолита типа FAU с помощью программного обеспечения JADE 6.5.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение Mercury, разработанное Кембриджским центром кристаллографических данных (CCDC), может рассчитать паттерн PXRD на основе файла CIF стандартных материалов, полученных из ICSD - крупнейшей в мире базы данных для полностью идентифицированных неорганических кристаллических структур.
    4. Получите изображение сканирующей электронной микроскопии (SEM) (рисунок 5) для подтверждения морфологии20.
    5. Приобретение просвечивающего электронного микроскопа (ТЭМ) энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭЦП) картирования (рис. 6) для определения химического состава6.
      ПРИМЕЧАНИЕ: По сравнению с картированием SEM-EDS, картирование TEM-EDS может обнаруживать низкие количества элементного состава.

3. Эксперимент с периодической адсорбцией

  1. Приготовьте 50 мл водных растворов 1000 ppm Cu (II), Cr (III), Cr (VI), As (III), Cd (II), Pb (II), Zn (II) и Ni (II). Обратите внимание на рН каждого раствора.
  2. Добавьте 50 мг цеолита к каждому раствору тяжелого металла (лоида). Тонко отрегулируйте рН раствора смеси с 0,1 М HCl или 0,1 М NaOH. Перемешивайте смесь при 600 об/мин в течение 48 ч при 25 °C.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый ион тяжелого металла (лоида) имеет стабильный диапазон рН без осаждения гидроксида металла. Отрегулируйте рН конечного смешанного раствора в диапазоне рН таким образом, чтобы снижение концентрации тяжелых металлов (лоидов) можно было отнести к производительности цеолита.
  3. Отрегулируйте pH конечных смешанных растворов Cu (II), Cr (III), Cr (VI), As (III), Cd (II), Pb (II), Zn (II) и Ni (II) до 4,2, 3,9, 6,4, 7,8, 5,8, 5,2, 5,7 и 6,4 соответственно.
  4. Фильтруйте смешанные растворы через мембраны размером 0,22 мкм. Разбавьте их в 1000 раз, добавив 2% раствор HNO3 . Измерьте остаточные концентрации тяжелых металлов (лоидов) (рисунок 6) с помощью масс-спектрометрии индуктивно связанной плазмы (ICP-MS)16 с испытательным диапазоном от 0,001 ppm до 1 ppm. Рабочие параметры МСП-МС см. в таблице 2 .

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

На рисунке 1 показан общий путь синтеза цеолита на основе стратегии 6 "почва для восстановленияпочвы". С помощью простого маршрута, свободного от органических веществ, красная почва может быть преобразована в цеолитовый композиционный материал типа Fe2O3 / FAU без добавления какого-либо источника Fe или Al. Ас синтезированный цеолитовый композиционный материал демонстрирует отличную способность к удалению для восстановления загрязненных тяжелыми ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Цеолит, как правило, является алюмосиликатным материалом. Теоретически в качестве сырья для синтеза цеолита могут быть выбраны материалы, богатые силикатом и алюминатом. Соотношение Si/Al сырья должно быть аналогично соотношению si/Al выбранного типа цеолита, чтобы свести к минимуму использование дополнительных источников кремния/алюминия 6,8,16. Соотношение Si/Al цеолита типа FAU составляет 1,2, а соотношение Si/Al красной почв...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

У авторов нет конфликта интересов для раскрытия.

Благодарности

Эта работа была финансово поддержана Фондами естественных наук для выдающихся молодых ученых провинции Гуандун, Китай, No 2020B151502094; Национальный фонд естественных наук Китая, No 21777045 и 22106064; Фонд Шэньчжэньской комиссии по науке, технологиям и инновациям, Китай, JCYJ20200109141625078; Молодежный инновационный проект 2019 года университетов и колледжей провинции Гуандун, Китай, No2019KQNCX133 и специальный фонд научно-технической инновационной стратегии провинции Гуандун (PDJH2021C0033). Эта работа была спонсирована Шэньчжэньской ключевой лабораторией межфазной науки и инженерии материалов (No. ZDSYS20200421111401738), Ключевая лаборатория контроля загрязнения почв и подземных вод провинции Гуандун (2017B030301012) и Государственная ключевая лаборатория охраны окружающей среды интегрированного контроля загрязнения поверхностных вод и подземных вод. В частности, мы признаем техническую поддержку со стороны основных исследовательских центров SUSTech.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Chemicals
Нитрат кадмия тетрагидратShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDC102676AR, 99%. Сделайте 1,000 ppm  Стоковый раствор для испытания адсорбционных характеристик цеолита.
Нонагидрат нитрата хрома (III)Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDC116446AR, 99%. Сделайте 1,000 ppm  Стоковый раствор для испытания адсорбционных характеристик цеолита.
Пентагидрат сульфата медиShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDC112396AR, 99%. Сделайте 1,000 ppm  Стоковый раствор для испытания адсорбционных характеристик цеолита.
Нитрат свинцаShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDL112118AR, 99%. Приготовьте стоковый раствор с концентрацией 1 000 ppm для испытания адсорбционных характеристик цеолита.
Гексагидрат нитрата никеляShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDN108891AR, 98%. Сделайте 1,000 ppm  Стоковый раствор для испытания адсорбционных характеристик цеолита.
Азотная кислотаShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDN116238AR, 69,2%. Используется в качестве растворителя в тесте ИСП-МС.
Бихромат калияShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDP112163AR, 99,8%. Сделайте 1,000 ppm  Стоковый раствор для испытания адсорбционных характеристик цеолита.
Диоксид кремнияShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDS116482AR, 99%. Для синтеза цеолита.
Натрий (мета)арсенитSigma-aldrichS7400-100GAR, 90%. Приготовьте стоковый раствор с концентрацией 1 000 ppm для испытания адсорбционных характеристик цеолита.
Гидроксид натрияShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LtdS111502пеллеты. Для синтеза цеолита.
Гексагидрат нитрата цинкаShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDZ111703AR, 99%. Сделайте 1,000 ppm  Стоковый раствор для испытания адсорбционных характеристик цеолита.
Equipment
Dry OvenShanghai Yiheng Technology Instrument Co., LTD.DHG-9075AИспользуется для гидротермальной кристаллизации и сушки образцов
Аналитические весыSartorius Scientific Instruments Co.LTDBSA224S-CWИспользуются для взвешивания образцов
Центрифужные пробиркиNantong Supin Experimental Equipment Co., LTD
Высокоскоростная центрифугаHunan Xiang Yi Laboratory Instrument Development Co.,LTDH1850Используется для разделения твердых и жидкие образцы
Многоточечная магнитная мешалкаIKA Equipment Co., LTD.RT15используется для перемешивания образцов
OscillatorChangzhou Guohua Electric Appliances Co., Ltd.SHA-BДля равномерного смешивания образцов
Шприцевой фильтрTianjin Jinteng Experimental Equipment Co., LTD.0,22 м. Для фильтрации.
Softwares
JADE 6.5 (МДИ)
MercuryCambridge Crystallographic Data Centre (CCDC)
Materials StudioAccelrys Software Inc.
Websites
База данных цеолитовых структур: http://www.iza-structure.org/databases/
ICSD: https://icsd.products.fiz-karlsruhe.de/en
Air Данные о материалах

Ссылки

  1. Qin, G., et al. Soil heavy metal pollution and food safety in China: Effects, sources and removing technology. Chemosphere. 267, 129205(2021).
  2. Xu, D. M., Fu, R. B., Liu, H. Q., Guo, X. P. Current knowledge from heavy metal pollution in Chinese smelter contaminated soils, health risk implications and associated remediation progress in recent decades: A critical review. Journal of Cleaner Production. 286, 124989(2021).
  3. Dong, X., Ma, L. Q., Li, Y. Characteristics and mechanisms of hexavalent chromium removal by biochar from sugar beet tailing. Journal of Hazardous Materials. 190 (1-3), 909-915 (2011).
  4. El-Mekkawi, D. M., Selim, M. M. Removal of Pb2+ from water by using Na-Y zeolites prepared from Egyptian kaolins collected from different sources. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2 (1), 723-730 (2014).
  5. Perego, C., Bagatin, R., Tagliabue, M., Vignola, R. Zeolites and related mesoporous materials for multi-talented environmental solutions. Microporous and Mesoporous Materials. 166, 37-49 (2013).
  6. Zheng, R., et al. Converting loess into zeolite for heavy metal polluted soil remediation based on "soil for soil-remediation" strategy. Journal of Hazardous Materials. 412, 125199(2021).
  7. Cheng, Y., et al. Feasible low-cost conversion of red mud into magnetically separated and recycled hybrid SrFe12O19@NaP1 zeolite as a novel wastewater adsorbent. Chemical Engineering Journal. 417, 128090(2021).
  8. Yang, D., et al. Remediation of Cu-polluted soil with analcime synthesized from engineering abandoned soils through green chemistry approaches. Journal of Hazardous Materials. 406, 124673(2021).
  9. Song, W., Li, G., Grassian, V. H., Larsen, S. C. Development of improved materials for environmental applications: Nanocrystalline NaY zeolites. Environmental Science & Technology. 39 (5), 1214-1220 (2005).
  10. Cheng, H., Reinhard, M. Sorption of trichloroethylene in hydrophobic micropores of dealuminated Y zeolites and natural minerals. Environmental Science & Technology. 40 (24), 7694-7701 (2006).
  11. Rayalu, S. S., Bansiwal, A. K., Meshram, S. U., Labhsetwar, N., Devotta, S. Fly ash based zeolite analogues: Versatile materials for energy and environment conservation. Catalysis Surveys from Asia. 10 (2), 74-88 (2006).
  12. Borel, M., et al. SDA-free hydrothermal synthesis of high-silica ultra-nanosized zeolite Y. Crystal Growth & Design. 17 (3), 1173-1179 (2017).
  13. Jin, Y., Li, L., Liu, Z., Zhu, S., Wang, D. Synthesis and characterization of low-cost zeolite NaA from coal gangue by hydrothermal method. Advanced Powder Technology. 32 (3), 791-801 (2021).
  14. Huiyu, S., Weiming, L., Zheng, Z. Current situation of comprehensive utilization of waste industrial molecular sieve and agricultural rice husk. Liaoning Chemical Industry. 49 (12), 1555(2020).
  15. Azizi, D., et al. Microporous and macroporous materials state-of-the-art of the technologies in zeolitization of aluminosilicate bearing residues from mining and metallurgical industries: A comprehensive review. Microporous and Mesoporous Materials. 318, 111029(2021).
  16. Yang, D., et al. Transferring waste red mud into ferric oxide decorated ANA-type zeolite for multiple heavy metals polluted soil remediation. Journal of Hazardous Materials. 424, Pt A 127244(2022).
  17. Kirdeciler, S. K., Akata, B. One pot fusion route for the synthesis of zeolite 4A using kaolin). Advanced Powder Technology. 31 (10), 4336-4343 (2020).
  18. Rubtsova, M., et al. Nanoarchitectural approach for synthesis of highly crystalline zeolites with a low Si/Al ratio from natural clay nanotubes. Microporous and Mesoporous Materials. 330, 111622(2022).
  19. Setthaya, N., Chindaprasirt, P., Pimraksa, K. Preparation of zeolite nanocrystals via hydrothermal and solvothermal synthesis using of rice husk ash and metakaolin. Materials Science Forum. 872, 242-247 (2016).
  20. Belviso, C., et al. Red mud as aluminium source for the synthesis of magnetic zeolite. Microporous and Mesoporous Materials. 270, 24-29 (2018).
  21. Baerlocher, C. Database of zeolite structures. , Available from: www.iza-structure.org/databases (2017).
  22. Zhao, Y., et al. Removal of ammonium from wastewater by pure form low-silica zeolite Y synthesized from halloysite mineral. Separation Science and Technology. 45 (8), 1066-1075 (2010).
  23. Meng, Q., Chen, H., Lin, J., Lin, Z., Sun, J. Zeolite A synthesized from alkaline assisted pre-activated halloysite for efficient heavy metal removal in polluted river water and industrial wastewater. Journal of Environmental Sciences (China). 56, 254-262 (2017).
  24. Wang, X., et al. Synthesis of substrate-bound Au nanowires via an active surface growth mechanism. Journal of Visualized Experiments. (137), e57808(2018).
  25. Asundi, A. S., et al. Understanding structure-property relationships of MoO3-promoted Rh catalysts for syngas conversion to alcohols. Journal of the American Chemical Society. 141 (50), 19655-19668 (2019).
  26. Zhu, Q., et al. Solvent-free crystallization of ZSM-5 zeolite on SiC foam as a monolith catalyst for biofuel upgrading. Chinese Journal of Catalysis. 41 (7), 1118-1124 (2020).
  27. Ghrear, T. M. A., et al. low-pressure, low-temperature microwave synthesis of ABW cesium aluminosilicate zeolite nanocatalyst in organotemplate-free hydrogel system. Materials Research Bulletin. 122, 110691(2020).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Переработка красных почвцеолит FAUкомпозит на основе оксида железаочистка водыщелочная активацияиспользование почвенных ресурсованализ кристаллической структурыиндуктивно-связанная плазмасканирующая электронная микроскопия
Рециркуляция ресурсов красного грунта для синтеза цеолитового композиционного материала типа Fe2O3/FAU для удаления тяжелых металлов
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.