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Engineering

Eine effiziente Methode zur selektiven Entsalzung von radioaktivem Jod Anionen mit Gold-Nanopartikel eingebettet Membranfilter

Published: July 13, 2018 doi: 10.3791/58105
* These authors contributed equally

Summary

Eine effiziente Methode für die schnelle und IONENSELEKTIVE Entsalzung von radioaktivem Jod in mehreren wässrigen Lösungen wird durch Verwendung von gold-Nanopartikeln immobilisiert Cellulose-Acetat-Membranfilter beschrieben.

Abstract

Hier zeigen wir ein Detail-Protokoll für die Herstellung von Nanomaterialien eingebettet Kompositmembranen und seine Anwendung auf eine effiziente und IONENSELEKTIVE Entfernung der radioaktiven Iodines. Durch die Verwendung von Citrat-stabilisierten gold-Nanopartikel (mittlerer Durchmesser: 13 nm) und Cellulose-Acetat Membranen, Gold-Nanopartikel eingebettet Celluloseacetat Membranen (Au-CAM) haben leicht hergestellt. Die Nano-Adsorbentien Au-CAM waren sehr stabil in Anwesenheit von hohen Konzentration von anorganischen Salzen und organischen Molekülen. Die Iodid-Ionen in wässrigen Lösungen konnte schnell durch diese technische Membran erfasst werden. Durch eine Filtration mit Au-CAM mit Filtereinheit, exzellente Entfernung Effizienz (> 99 %) sowie als IONENSELEKTIVE Entsalzung Ergebnis in kurzer Zeit erreicht wurde. Darüber hinaus versehen Au-CAM gute Wiederverwendbarkeit ohne signifikante Abnahme ihrer Leistungen. Diese Ergebnisse vorgeschlagen, dass die heutige Technologie mit veränderter Hybrid-Membran ein vielversprechender Prozess zur großflächigen Dekontamination von radioaktivem Jod aus flüssigen Abfällen werden.

Introduction

Seit mehreren Jahrzehnten ist riesige Menge radioaktiver flüssiger Abfälle von medizinischen Instituten, Forschungseinrichtungen und Kernreaktoren erzeugt worden. Diese Schadstoffe wurden oft eine spürbare Gefahr für Umwelt und menschliche Gesundheit1,2,3. Radioaktives Jod ist vor allem, als eines der gefährlichsten Elemente aus Atomkraftwerk Unfälle anerkannt. Z. B. ökologischer Bericht über die Fukushima und Tschernobyl Kernreaktor gezeigt, dass die Menge des radioaktiven Iodines einschließlich 131veröffentlicht ich (t1/2 = 8,02 Tage) und 129ich (t1/2 = 15,7 Millionen Jahren) für die Umwelt war größer als die anderen Radionuklide4,5. Die Exposition von diesen Radioisotope führte insbesondere hohe Aufnahme und Anreicherung im menschlichen Schilddrüse6. Darüber hinaus können freigesetzten radioaktiven Iodines starken Verschmutzung des Bodens, Meerwasser und Grundwasser aufgrund ihrer hohen Löslichkeit in Wasser verursachen. Daher haben viele Sanierung Prozesse mit verschiedenen anorganischen und organischen Adsorbentien untersucht worden, um radioaktive Iodines wässrige Abfälle7,8,9,10 zu erfassen , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20. Obwohl umfangreiche Anstrengungen für die Entwicklung von fortschrittlichen Adsorbens Systemen gewidmet worden, die Einrichtung einer Dekontamination Methode zeigt zufriedenstellende Leistungen unter kontinuierliche in-Flow-Zustand war sehr begrenzt. Vor kurzem berichteten wir eine neuartige Entsalzungsprozess zeigt gute Entfernung Effizienz, Ion-Selektivität, Nachhaltigkeit und Wiederverwendbarkeit mit Hybrid Nano-Komposit-Materialien aus gold-Nanopartikel (AuNPs)21,22 , 23. darunter, gold-Nanopartikel eingebettet-Cellulose-Acetat Membranen (Au-CAM) erleichtert hocheffiziente Entsalzung von Iodid-Ionen unter einem kontinuierlichen Fluss-System im Vergleich zu den bestehenden Adsorbens Materialien. Darüber hinaus konnte die ganze Prozedur in kurzer Zeit fertig gestellt werden, was ein weiterer Vorteil für die Behandlung von nuklearen Abfällen aus Post-Einsatz in medizinischen und industriellen Anwendungen generiert wurde. Das übergeordnete Ziel dieses Manuskriptes ist eine Schritt für Schritt-Protokoll für die Vorbereitung der Au-CAM24zur Verfügung zu stellen. Wir zeigen auch eine schnelle und bequeme Filtration für IONENSELEKTIVE Aufnahme von radioaktivem Jod mit veränderten Kompositmembranen. Das ausführliche Protokoll in diesem Bericht wird eine nützliche Anwendung von Nanomaterialien im Forschungsbereich environmental Science anbieten.

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Protocol

1. Synthese von Citrat-stabilisierten Gold-Nanopartikeln

  1. Waschen Sie eine zwei-Hals Rundboden Flasche (250 mL) und eine magnetische Stir Bar mit Königswasser, eine Mischung aus konzentrierter Salzsäure und konzentrierter Salpetersäure im Verhältnis 3:1-Volume.
    Achtung: Königswasser Lösung ist äußerst korrosiv und kann Explosion oder Haut brennt, wenn nicht mit äußerster Vorsicht gehandhabt.
  2. Spülen Sie das Glas gründlich mit entionisiertem Wasser, wässrigen Restsäure zu entfernen.
  3. Die zwei-Hals Rundboden Flasche (250 mL) 120 mL Chloroauric Säure-Lösung (HAuCl4, 1 mM) hinzu und Erhitzen Sie es zum Rückfluss unter ständigem Rühren.
  4. 12 mL Natriumcitrat tribasic (35 mM) Lösung schnell in den beiden Hals Rundboden Kolben hinzufügen und die resultierende Mischung für weitere 20 Minuten für die vollständige Reduktion der gold Salz reflux.
  5. Ermöglichen Sie die kolloidale Suspension von Nanopartikeln (tiefrot) abkühlen lassen auf Raumtemperatur.
  6. Messen die Konzentration von gold-Nanopartikeln (AuNPs) mit UV-Vis-Spektroskopie bei einer Wellenlänge von 520 nm (vom Aussterben bedroht-Koeffizient von 2,8 x 108) mit einem Quarz-Küvetten (1 cm Länge).
  7. Tropfen Sie einen einzigen AuNPs Suspension auf einem Carbon-beschichtetem Kupfer Raster (400 Mesh) und bei Zimmertemperatur trocknen. Messen Sie die Größe des AuNPs mit Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM).
  8. Halten Sie die kolloidales gold-Nanopartikel Suspension bei 4 ° C.

2. Vorbereitung des Hybrid-Membran (Au-CAM)

  1. Vorbereitung der gold-Nanopartikel eingebettet Membranfilter mit einer Spritze-Einheit
    1. Waschen eine Cellulose-Acetat-Membrane (Porengröße: 0,45 μm, Durchmesser: 25 mm) unterstützt durch eine Filtereinheit mit entionisiertem Wasser (10 mL) dreimal.
    2. 10 mL Citrat-stabilisierten AuNPs zurückziehen (10 nM) mit einer sterilen Spritze (20 mL) und fügen Sie ihn langsam in ein vorgewaschen Cellulose-Acetat-Membranfilter (Abbildung 1).
    3. Waschen Sie die Filtereinheit mit 10 mL entionisiertem Wasser dreimal nicht immobilisiert AuNPs entfernen.
      Hinweis: AuNPs auf der Cellulose-Acetat-Membran immobilisiert sind sehr stabil und somit Au-CAM unter Umgebungsbedingungen für mehrere Wochen ohne den Verlust ihrer chemischen Eigenschaften oder Stabilität gespeichert werden kann.
  2. Vorbereitung der gold-Nanopartikel-Membranfilter durch die Vakuumpumpe
    1. Legen die Cellulose-Acetat-Membrane (Porengröße: 0,45 μm, Durchmesser: 47 mm) zwischen einem Glasträger Filter Halter fritted (Durchmesser: 40 mm) und einem abgestuften Trichter (300 mL).
    2. Schließen Sie eine kombinierte Einheit der fritted Glasauflage und Schloss Trichter eine Recover-Flasche (500 mL) und einer Vakuumpumpe.
    3. Fügen Sie 10 mL Citrat-stabilisierten AuNPs (10 nM) in der abgestuften Trichter und wenden Sie dann Vakuum, bis alle AuNPs durch die Cellulose-Acetat-Membran übergeben werden (ca. 20 s).
    4. Wiederholen Sie den Vorgang (Schritt 2.2.3) auf der anderen Seite der Membran, AuNPs auf beiden Seiten der Membran zu immobilisieren.
    5. Analysieren Sie die Oberfläche des Au-CAM mit Scan Elektronenmikroskop (REM) unter den Hochleistungs-Bedingungen mit der zunehmenden Spannungen bis zu 15 kV (Abbildung 2d).
      Hinweis: Um die Stabilität von Nanopartikeln auf Au-CAM in einem hohen Salz Zustand zu überprüfen, wurde die zusammengesetzte Membran in 1,0 M NaCl-Lösung für 2 h eingetaucht und dann visuelle Inspektion wurde durchgeführt, um die Stabilität des Au-CAM zu bestätigen.

(3) Adsorption von radioaktivem Jod mit Au-CAM in einem Batchsystem

  1. Das radioaktive Jod zu verdünnen ([125ich] NaI, 2.2 MBq) in 3 mL reines Wasser, 1,0 M NaCl oder 10 nM NaI und fügen jede Lösung in eine Petrischale (50 mm Durchmesser × 15 mm Höhe).
    Achtung: Die oxidierte radioaktive Jod kann flüchtig sein und muss mit ausreichend Blei Schilde behandelt werden und führen Fläschchen. Alle radiochemische Schritte sollten in einem gut belüfteten Holzkohle gefiltert Abzug durchgeführt werden, und die experimentelle Verfahren durch Radioaktivität Detektoren überwacht werden müssen.
  2. Stellen Sie die Au-CAM, die bereit ist, mit einem Vakuum Filter in radioaktives Jod Lösungen und schütteln Sie sie vorsichtig bei Raumtemperatur.
  3. 10 μL der radioaktiven Jod-Lösung aus der Petrischale zurückziehen zur gegeben Zeitpunkte (0, 5, 10, 30, 60, 120 min.) und messen die Radioaktivität der aliquoten mit automatischen γ-Zähler.
  4. Spülen Sie die Au-CAM mit gereinigtem Wasser nach 120 min und dann Messen Sie die Menge an Radioaktivität erfasst auf der Membran mit automatischen γ-Zähler (Abbildung 3).

4. die Entsalzung von radioaktivem Jod unter kontinuierliche In-Flow-Zustand

  1. Entfernung von radioaktivem Jod Anionen (125ich) mit einem Au-CAM-Filter
    1. Das radioaktive Jod (3,7 MBq) in 50 mL reines Wasser, PBS 1 X, 1,0 M NaCl, 0,1 M NaOH, 0,1 M HCl, 10 mM CsCl, 10 mM SrCl2, synthetischer Urin oder Meerwasser auflösen.
    2. 50 mL der jeweiligen Lösung mit einer sterilen Spritze (50 mL) zurückzuziehen und die Au-CAM-Filter-Einheit bei einer Durchflussmenge von ca. 1,5 mL/s über eine Spritzenpumpe (Abbildung 1) durchlaufen.
    3. 5 mL das Filtrat in ein Kunststoff-Fläschchen für die Quantifizierung der Radioaktivität in der Lösung zu übertragen.
    4. Messen Sie die Menge der verbleibenden Radioaktivität in das Filtrat Lösung mit automatischen γ-Zähler (Abbildung 4).
  2. Test der Wiederverwendbarkeit der Au-CAM filter
    1. Das radioaktive Jod in einem synthetischen Urin oder Meerwasser (3,7 MBq/50 mL) auflösen.
    2. Zurückzuziehen Sie 50 mL der Lösung mit einer sterilen Spritze (50 mL) und fügen Sie es in der Au-CAM-Filter-Einheit bei einer Durchflussmenge von ca. 1,5 mL/s über eine Spritzenpumpe.
    3. Wiederholen Sie den Vorgang der Filterung (Schritt 4.2.2) für sieben Mal mit einer Au-CAM-Filter-Einheit.
    4. 5 mL das Filtrat in ein Kunststoff-Fläschchen für die Quantifizierung der Radioaktivität in der Lösung zu übertragen.
    5. Messen Sie die Menge an Radioaktivität in sieben Filtrat Lösungen mithilfe von automatischen γ-Zähler.

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Representative Results

Wir haben einfache Methoden für die Herstellung von Au-CAM mit Citrat-stabilisierten AuNPs und Cellulose-Acetat Membran (Abbildung 1(eine) gezeigt. Die Oberfläche des Au-CAM wurde von SEM beobachtet, die zeigten, dass die Nanomaterialien stabil auf Cellulose-Nanofasern (Abbildung 2) aufgenommen wurden. Die Nanopartikel auf der Membran eingesperrt blieben stabil erhalten und wurden nicht aus der Membran durch kontinuierliche waschen mit wässrigen Lösungen wie 1,0 M NaCl veröffentlicht. Die Aufnahmekapazität von einer Au-CAM war ca. 12,2 μmol Iodid-Anion pro 1 g AuNPs24. Um die Entsalzung Leistung zu bewerten, die Au-CAM vorbereitet durch die Vakuum-assistierte Methode tauchten in wässrigen Lösungen mit 2.2 MBq von [125ich] NaI (Abbildung 1b). Nach 30 min Inkubation, die meisten von radioaktivem Jod (> 99 %) in reinem Wasser und 1,0 M NaCl wurde gefangen genommen von Au-CAM (Abbildung 3). Auf der anderen Seite die Adsorption von Radioaktivität wurde gehemmt vollständig in der Gegenwart nicht radioaktiv NaI, weil die Oberfläche des AuNPs von Zugang Betrag von Iodid-Anionen besetzt war (127ich).

Für weitere nützliche Anwendung der aktuellen Methode war Au-CAM Filter auf eine kontinuierliche Entsalzungsprozess angewendet. Die radioaktive Jod-Lösungen (3,7 MBq/50 mL) wurden durch eine Filtereinheit mit Au-CAM mit einer Durchflussrate von 1,5 mL/s (Abbildung 1c) übertragen. Die Menge der verbleibenden Radioaktivität in das Filtrat wurde mit einem γ-Zähler gemessen. Die Entfernung Wirkungsgrad (%) wurde durch die folgende Gleichung (1) definiert.

Entfernung Wirkungsgrad (%) = (C0 - C-e) /C0 X 100 (1)

Wo ist C0 die Konzentration von radioaktivem Jod vor Filtrationsschritt und Ce die Konzentration von radioaktivem Jod nach Filtrationsschritt.

Wie in Abbildung 4dargestellt, die Konzentration von radioaktivem Jod wurde deutlich verringert und die ausgezeichnete Effizienz war durch eine Filtrationsschritt erlangt. Insbesondere wurde die Entsalzung Leistung des Au-CAM nicht durch hohe Konzentration anorganischer Salze wie Natrium, Cäsium, Strontium und verschiedene organische Stoffe unterdrückt. In allen Fällen war die Entfernung Effizienz der Au-CAM mehr als 99,5 %. Au-CAM zeigte hohe Entfernung Effizienz unter neutralen und grundlegende Voraussetzung (bis zu pH 13), jedoch fiel es auf ca. 90 % unter sauren Bedingungen (pH 1). Darüber hinaus könnte Au-CAM für sich wiederholende Entsalzung von radioaktivem Jod in synthetischer Urin und Meerwasser wiederverwendbar. Während der aufeinanderfolgenden Filtrationsprozess war mehr als 99 % der Radioaktivität in wässrigen Medien effizient mithilfe einer einzigen Au-CAM Filter Einheit24erfasst.

Figure 1
Abbildung 1 . Schematische Darstellung des Verfahrens in diesem Protokoll mit Au-CAM Entsalzung. (a) Herstellung von Au-CAM mithilfe einer Spritze Filtereinheit. (b) Adsorption von radioaktivem Jod in einem Batchsystem. (c) Filtration von radioaktivem Jod unter kontinuierliche in-Flow-Zustand. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2. Charakterisierung von Au-CAM. (a) ein fotografisches Bild der Cellulose-Acetat-Membran (Durchmesser 47 mm). (b) ein fotografisches Bild des Au-CAM (Durchmesser 47 mm). (c) SEM Bild von Cellulose-Acetat-Membran (40, 000 X). (d) SEM Bild des Au-CAM (40, 000 X). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3. Zeitabhängig Entfernung Effizienz von radioaktivem Jod mit Au-CAM in reinem Wasser, 1,0 M NaCl und 10 mM NaI. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4 . Filtration von radioaktivem Jod Anionen in mehreren wässrigen Lösungen mit Au-CAM. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

In den letzten Jahren wurden verschiedene Nanomaterialien und Membranen entwickelt, um gefährliche radioaktive Metalle und Schwermetalle im Wasser basierend auf ihre spezifische Funktionalität Adsorption Techniken25,26, zu entfernen 27 , 28 , 29 , 30 , 31 , 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37. in dieser Studie zeigten wir sehr nützliche Methode für schnelle und effiziente Trennung von radioaktiven Halogen-Arten. Mithilfe von Citrat-stabilisierten AuNPs und einer handelsüblichen Cellulose-Acetat-Membran, Au-CAM einfach zubereitet werden kann und der Fertigung Schritt ist sehr reproduzierbar. Wie Iodid-Anionen ist spontan adsorbierten auf der Oberfläche des AuNPs, kann Au-CAM auf die Sanierung des radioaktiven Iodines in verschiedenen wässrigen Medien angewendet werden. Unter den verschiedenen Radioisotope von Jod, ausgewählt wir 125I als ein Target-Element in dieser Studie weil es eine niedrige Strahlungsenergie im Vergleich zu anderen radioaktiven Iodines und Zerfall Halbwertszeit (59,5 Tage) emittiert ist lang genug, um zu entwickeln eine optimierten Prozess. Aber die Reaktivität von 125ich ist identisch mit anderen jodisotope, und somit wird diese Methode genutzt werden, um zu entfernen gefährlicher Radioelements wie 131ich und 129ich.

In Anwesenheit von hohen Konzentration von konkurrierenden Anionen wie Phosphat, Chlorid und Hydroxid zeigte die Nano-Hybrid-Membran (Au-CAM) ausgezeichnete Entsalzung Effizienz und gute Wiederverwendbarkeit. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass immobilisiert Nanopartikel auf einer Cellulose-Acetat-Membran ist unter hohen Salz Bedingungen und abwechslungsreiche pH-Wert stabil. Es scheint wie das AuNPs auf der Membran von Kohlenhydraten durch Sauerstoffatom mit funktionellen Gruppen einschließlich Hydroxyl und Carbonylgruppen38,39stabilisiert wurden. So kann die Hybrid-Membran für mehrere Wochen ohne Verlust von Leistung und chemische Stabilität gespeichert werden. Wie in Abbildung 4dargestellt, hat Au-CAM entfernen Effizienz in verschiedenen wässrigen Medien gezeigt. Die Einschränkung des vorliegenden Verfahrens ist, dass Au-CAM nicht sinnvoll in organischen Lösungsmittel-System einschließlich Alkohole und Dimethyl Sulfoxid wäre, da Cellulose-Acetat teilweise in diesen Medien aufgelöst ist und somit AuNPs von der Membrane freigegeben werden kann.

Es wurden mehrere Berichte beschreiben die Entsalzung von Radioisotopen in verunreinigtem Wasser mit verschiedenen Adsorbentien einschließlich veränderter Membranen40,41,42. Der kontinuierliche Prozess in der vorliegenden Studie ist besser als konventionell verwendeten Methoden hinsichtlich Entfernung, Ion-Selektivität und Wiederverwendbarkeit. Mit einer einzigen Au-CAM (Durchmesser: 25 mm), ca. 90 mL wässrige Abfälle können in 1 min gereinigt werden. Es wird erwartet, dass viele Au-CAM Filter leicht in kurzer Zeit produziert werden, weil große Synthese und Charakterisierung von Citrat-stabilisierten AuNPs etablierten waren. Zusammengenommen, wird Au-CAM eine vielversprechende Adsorbens System Wert zu untersuchen, die praktische Sanierung der industriellen und medizinischen radioaktives Jod verschwendet.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde unterstützt durch die Forschungsstipendium der National Research Foundation of Korea (gewähren Nummer: 2017M2A2A6A01070858).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Hydrochloric acid DUKSAN 1129
Nitric acid  JUNSEI 37335-1250
Chloroautic chloride trihydrate (HAuCl4·3H2O) Sigma Aldrich 254169
Sodium citrate tribasic dihydrate Sigma Aldrich 71402
[125I]NaI  Perkin-Elmer NEZ033A010MC
Sodium chloride Sigma Aldrich S9888
Sodium iodide Sigma Aldrich 383112
Sodium hydroxide Sigma Aldrich S5881
Lithium L-lactate Sigma Aldrich L2250 Synthetic urine
Citric acid Sigma Aldrich C1909 Synthetic urine
Sodium hydrogen carbonate JUNSEI 43305-1250 Synthetic urine
Urea Sigma Aldrich U1250 Synthetic urine
Calcium chloride JUNSEI 18230-0301 Synthetic urine
Magnesium sulfate SAMCHUN M0146 Synthetic urine
Potassium dihydrogen phosphate JUNSEI 84185A1250 Synthetic urine
Dipotassium hydrogen phosphate JUNSEI 84120-1250 Synthetic urine
Sodium sulfate JUNSEI 83260-1250 Synthetic urine
Ammonium chloride Sigma Aldrich A9434 Synthetic urine
Sea water Sigma Aldrich S9148
1x PBS Thermo SH30256.01
Cellulose acetate membranes (pore size: 0.20 μm, diameter: 25 mm) Advantec MFS 25CS045AS
Cellulose acetate membranes (pore size: 0.20 μm, diameter: 47 mm) Advantec MFS C045A047A
47 mm Glass Microanalysis Holders Advantec MFS KG47(311400)
Petri dish (50 mm diameter ´ 15 mm height) SPL 10050
Gamma counter Perkin-Elmer 2480 WIZARD2 Model number
UV-vis spectrophotometer Thermo GENESYS 10 Model number
Transmission electron microscopy Hitachi H-7650 Model number
Field Emission Scanning electron microscope FEI Verios 460L Model number

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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Shim, H. E., Mushtaq, S., Jeon, J.More

Shim, H. E., Mushtaq, S., Jeon, J. An Efficient Method for Selective Desalination of Radioactive Iodine Anions by Using Gold Nanoparticles-Embedded Membrane Filter. J. Vis. Exp. (137), e58105, doi:10.3791/58105 (2018).

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