Summary
في هذا العمل، قمنا بإعداد ممتز يتكون من N الموجبة، N-dimethylamino بروبيلاكريلاميد ميثيل كلوريد رباعي (DMAPAAQ) هلام البوليمر وهيدروكسيد الحديد لامتصاص الزرنيخ من المياه الجوفية. تم إعداد الجل من خلال طريقة جديدة مصممة لضمان أقصى محتوى لجزيئات الحديد في هيكلها.
Abstract
في هذا العمل، قمنا بإعداد ممتز يتكون من هلام البوليمر الموجبة التي تحتوي على هيدروكسيد الحديد في هيكلها مصممة لامتصاص الزرنيخ من المياه الجوفية. وكان هلام اخترنا N،N-ثنائي ميثيل أمينو بروبيريلاكريلاميد كلوريد الميثيل رباعي (DMAPAAQ) هلام. وكان الهدف من طريقة إعداد لدينا لضمان الحد الأقصى لمحتوى هيدروكسيد الحديد في هيكل هلام. هذا النهج التصميم تمكين الامتزاز في وقت واحد من قبل كل من هيكل البوليمر من هلام وعنصر هيدروكسيد الحديد، وبالتالي، وتعزيز قدرة الامتزاز من المواد. لفحص أداء الجل، قمنا بقياس حركية التفاعل، وقمنا بتحليلات حساسية درجة الحموضة والانتقائية، وراقبنا أداء الامتزاز بالزرنيخ، وأجرينا تجارب تجديد. قررنا أن الجل يخضع لعملية تشيميزوربتيون ويصل إلى التوازن في 10 ساعة. وعلاوة على ذلك، فإن الزرنيخ الهلامي الامتزاز بشكل فعال عند مستويات درجة الحموضة المحايدة وبشكل انتقائي في بيئات أيون معقدة، محققاً أقصى حجم الامتزاز قدره 1.63 مليون متر/غرام. ويمكن تجديد هلام مع كفاءة 87.6٪ ويمكن استخدام هاكل لdesorption بدلا من هيدروكسيد الصوديوم الضارة. إذا ما أُخذت معاً، فإن طريقة التصميم المستندة إلى الجل هي نهج فعال لبناء ممتزات الزرنيخ عالية الأداء.
Introduction
تلوث المياه هو مصدر قلق بيئي كبير، وتحفيز الباحثين على تطوير أساليب لإزالة الملوثات مثل الزرنيخ من النفايات1. من بين جميع الطرق المبلغ عنها، وعمليات الامتزاز هينهج منخفض التكلفة نسبيا لإزالة المعادن الثقيلة 2،3،4،5،6،7. تعتبر مساحيق أوكسي هيدروكسيد الحديد واحدة من أكثر المواد الممتزة كفاءة لاستخراج الزرنيخ من الحلول المائية8،9. ومع ذلك، فإن هذه المواد تعاني من عدد من العيوب، بما في ذلك أوقات التشبع المبكر والسلائف الاصطناعية السامة. بالإضافة إلى ذلك، هناك تأثير سلبي شديد في نوعية المياه عندما يتم استخدام هذه الممتزات لفترة طويلة من الزمن10. ثم هناك حاجة إلى عملية فصل إضافية، مثل الترسيب أو الترشيح، لتنقية المياهالملوثة، مما يزيد من تكلفة الإنتاج أكثر 8،11.
في الآونة الأخيرة، طور الباحثون هلام البوليمر مثل هيدروجيلات الموجبة، microgels، وcryogels التي أظهرت خصائص الامتزاز فعالة. على سبيل المثال، تم تحقيق معدل إزالة الزرنيخ بنسبة 96٪ عن طريق cryogel الموجبة، بولي (3-أكريلاميدو بروبيل) كلوريد الأمونيوم ثلاثي الميثيل [ع (APTMACl)]12. بالإضافة إلى ذلك، في الحموضة 9، تم تحقيق ما يقرب من 99.7٪ كفاءة إزالة من قبل هذا هيدروجيل الموجبة13. في درجة الحموضة 4، 98.72 تم تحقيق 98.72 ملغ / غرام من القدرة القصوى لاستبتزاز الزرنيخ من قبل microgel، استنادا ً إلى تريس (2-أمينوإيثيل) أمين (TAEA) وغليرولديغليسيدل الأثير (GDE)، ع (TAEA-co-GDE)14. على الرغم من أن هذه المواد الهلامية أظهرت أداء الامتزاز جيدة، فإنها فشلت في إزالة الزرنيخ بشكل فعال من الماء عند مستويات درجة الحموضة المحايدة، ولم يتم الإبلاغ عن اختيارها في جميع البيئات المدروسة15. تم قياس قدرة الامتزاز القصوى البالغة 227 ملغم/غرام من عندما استخدمت في (III)-Sn(IV) وهى مادة صفراً ثنائية مختلطة مغلفة بأكسيد عند درجة حرارة 313 ك ودرجة الحموضة قدرها 716. بدلا من ذلك، في-Zr ثنائي أكسيد المغلفة بالخشب (IZBOCS) كما استخدمت لإزالة الزرنيخ وحققت قدرة الامتزاز القصوى من 84.75 ملغ / غرام في 318 K ودرجة الحموضة من 717. وتعاني المواد الممتزة الأخرى المبلغ عنها من انخفاض أداء الامتزاز، وعدم إمكانية إعادة التدوير، وانخفاضالاستقرار، وارتفاع تكاليف التشغيل والصيانة، واستخدام المواد الكيميائية الخطرة في عملية التوليف 4.
وقد سعينا إلى معالجة القيود المذكورة أعلاه من خلال تطوير مادة ذات أداء محسن لامتصاق الزرنيخ، وانتقائية عالية في البيئات المعقدة، والقدرة على إعادة التدوير، والنشاط الفعال على مستويات درجة الحموضة المحايدة. لذلك، قمنا بتطوير مركب هلام الموجبة من N،N-ثنائيميثيل أمينو بروبيريلاكريلاميد ميثيل كلوريد رباعي (DMAPAAQ) هلام والحديد (الثالث) هيدروكسيد (FeOOH) جزيئات كممتز لإزالة الزرنيخ. اخترنا الجمع بين FeOOH مع هلام لدينا لأن FeOOH يزيد من الامتزاز من كلا الشكلين من الزرنيخ18. في هذه الدراسة، تم تصميم مركب هلام لدينا لتكون غير مسامية وكان مشربة مع FeOOH أثناء التحضير. في القسم التالي، يتم مناقشة تفاصيل طريقة إعداد الجل، بما في ذلك استراتيجيتنا لتحقيق أقصى قدر من محتوى FeOOH.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تحذير: الزرنيخ سام للغاية. يرجى استخدام القفازات، والملابس طويلة الأكمام، ونظارات تجريبية في جميع الأوقات خلال التجربة لمنع أي اتصال محلول الزرنيخ مع الجلد والعينين. إذا كان الزرنيخ على اتصال مع أي جزء من الجسم، وغسله على الفور مع الصابون. بالإضافة إلى ذلك، يرجى تنظيف المناطق المحيطة التجريبية بانتظام بحيث لا تتصل أنت والآخرين بالزرنيخ، حتى عندما لا يتم إجراء التجربة. قد تظهر أعراض التعرض للزرنيخ بعد فترة طويلة من الزمن. قبل تنظيف المعدات، اشطفها أولابالماء النظيف وتتخلص من المياه بشكل منفصل في حاوية نفايات تجريبية مخصصة للزرنيخ. ثم، وتنظيف المعدات جيدا مع المنظفات. لمنع تلوث البيئة بالزرنيخ، اتخاذ الاحتياطات اللازمة أثناء التخلص من عينات الزرنيخ. التخلص منها بشكل منفصل في حاويات النفايات التجريبية المخصصة للزرنيخ. بعد إجراء تجربة الامتزاز أو الامتصاص، تحتوي المواد الهلامية على كمية عالية من الزرنيخ. لذلك، التخلص من المواد الهلامية بشكل منفصل إلى سلة نفايات تجريبية معينة للهلام الذي يحتوي على الزرنيخ فقط.
1. توليف مركب جل DMAPAAQ + FeOOH
- تجفيف اثنين من قوارير قياس 20 مل واثنين من الأكواب 20 مل مجهزة قضبان ضجة المغناطيسي.
- نقل 2.07 غرام من DMAPAAQ (75٪)، 0.15 غرام من N، N'- ميثيلين بيساكريلاميد (MBAA)، 0.25 غرام من كبريتيت الصوديوم و 1.68 غرام من هيدروكسيد الصوديوم إلى كوب واحد 20 مل.
- إذابة الحل بالكامل في الماء المقطر كما 'المذيبات' وتحريكه لمدة 30 دقيقة مع شريط ضجة المغناطيسي.
- نقل الخليط من الكأس إلى قارورة قياس 20 مل واحدة وإضافة الماء المقطر لتوليد محلول 20 مل. تسمية الحل بأنه "حل مونومر".
- وبالمثل، تأخذ 0.27 غرام من بيروكسوديسلفات الأمونيوم (APS) و 3.78 غرام من FeCl3 في كوب آخر 20 مل.
- يذوب الحل تماما في الماء المقطر وتحريكه لمدة 30 دقيقة مع شريط ضجة المغناطيسي.
- نقل الخليط من الكأس إلى آخر 20 مل قياس قارورة وإضافة الماء المقطر ليؤلف حل 20 مل. تسمية الحل باسم "الحل البادئ".
- إعداد الإعداد التجريبي كما هو موضح في الشكل 1.
- نقل الحلول إلى المسارات الفاصلة 20 مل.
- تطهير الحلول مع الغاز N2 لمدة 10 دقيقة.
- خلط الحلول معا، وتحريكها في أنبوب اختبار 50 مل مع النمام الكهربائية، ومن ثم وضع الخليط في المبرد الحفاظ على 10 درجة مئوية لمدة 40 دقيقة.
- إخراج كتلة هلام من أنبوب الاختبار ووضعها على لوحة قطع مسطحة.
- قطع كتلة هلام في شكل مكعب، 5 ملم في الطول.
- نقع شرائح هلام مع الماء منزوع المأيون لمدة 24 ساعة لإزالة الشوائب.
- بعد 12 ساعة، استبدال الماء ونقع شرائح هلام مرة أخرى.
- تُوزّع شرائح الجل على طبق بيتري وتُجفف في درجة حرارة الغرفة لمدّة 24 ساعة.
- ضع طبق بيتري مع شرائح الجل في الفرن على حرارة 50 درجة مئوية لمدة 24 ساعة.
2. تحليلات حساسية الحموضة
- تجفيف تسعة حاويات بلاستيكية 40 مل.
- قياس 9 20 ملغ قطع هلام المجففووضع كل واحد منهم في حاوية بلاستيكية منفصلة 40 مل.
- إضافة 20 مل من 4 مل ثنائي الصوديوم الهيدروجين سباتاهيدرات (Na2HAsO4·7H2O) الحل لكل حاوية.
- للتحكم في مستويات الحموضة، أضف 20 مل من محلول هيدروكسيد الصوديوم أو محلول HCL بتركيزات مختلفة (0.1، 0.01، 0.001، 0.0001 M) في الحاويات المعنية للحفاظ على مستويات الحموضة من 2 و 6 و 8 و 10 و 12 و 13 وتسميتها.
- الحفاظ على الحاويات في النمام في 20 درجة مئوية و 120 دورة في الدقيقة لمدة 24 ساعة.
- جمع عينة 5 مل من كل حاوية ووضع كل عينة في أنبوب من البلاستيك باستخدام micropipette.
- قياس درجة الحموضة التوازن لجميع العينات.
- قياس التركيز المتبقي للزرنيخ في الحل باستخدام الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC). استخدم عمودتحليلي (4 × 200 مم) وعمود حراسة (4 × 50 مم) ومثبط 4 مم مع الشروط التالية:
معدل التدفق: 1.5 مل / دقيقة؛
كمية العينة عن طريق الحقن: 10 مل؛
درجة حرارة العمود: 30 °C;
حل Eluent: 2.7 m Na2CO3 و 0.3 m NaHCO3;
ضغط المضخة: 2000 رطل لكل بوصة مربعة؛
الكشف عن الموصلية الكهربائية: طريقة المثبط.
ملاحظة: قمنا بشراء 1 مل من العينة في حقنة واحدة الاستخدام 1 مل. واقترنت الحقنة بمرشح غشاء حقنة (حجم المسام: 0.22 مم، القطر: 13 مم) لتفصل الشظايا المجهرية للجل من العينة. تم غرس حوالي 0.7 مل من العينة في العمود. تم غرس الماء المقطر قبل بداية حقن العينات كعينة فارغة. تم اكتشاف القمم التي تدل على وجود الزرنيخ في العينة في 13 دقيقة.
تحذير: بعد حقن العينة، يرجى ترك الحقنة في رأس شفط HPLC لمدة 2 دقيقة تقريبا مع ما يقرب من 0.2-0.3 مل من العينة المتبقية في ذلك. لأن الغبار والهواء يمكن أن تخترق العمود وتغيير براعة لها، والتي من المحتمل أن تؤدي إلى نتيجة خاطئة.
3- تجربة امتصاص الزرنيخ
- تجفيف خمس حاويات بلاستيكية 40 مل.
- قياس ووضع 20 ملغ من هلام المجفف في كل حاوية بلاستيكية 40 مل.
- إضافة 40 مل من ثنائي الصوديوم الهيدروجين سباعي الهيدرات (Na2HAsO4·7H2O) الحل لكل حاوية في التركيزات التالية: 0.1، 0.2، 0.5، 1، 2 mM.
- الحفاظ على الحاويات في النمام في 20 درجة مئوية و 120 دورة في الدقيقة لمدة 24 ساعة.
- جمع عينة 5 مل من كل حاوية ووضعها في أنبوب من البلاستيك باستخدام micropipette.
- اتبع الخطوة 2.8 لتقييم مستويات الزرنيخ المتوازنة في الحلول باستخدام HPLC.
4. تحليلات الانتقائية من هلام DMAPAAQ + FeOOH
- تجفيف خمس حاويات بلاستيكية 40 مل.
- ضع 20 ملغ من الجل المجفف في كل من الحاويات البلاستيكية الخمسة 40 مل.
- إضافة 20 مل من 0.4 م م الصوديوم الهيدروجين سباعيهيدرات (Na2HAsO4·7H2O) الحل لكل حاوية.
- إضافة 20 مل بتركيزات 0.5، 1، 2، 5، 10 mM Na2SO4 إلى الحاويات الخمس.
- الحفاظ على الحاويات في النمام في 20 درجة مئوية و 120 دورة في الدقيقة لمدة 24 ساعة.
- جمع عينة 5 مل من كل حاوية ووضعها في أنابيب بلاستيكية منفصلة باستخدام micropipettes.
- اتبع الخطوة 2.8 لتحديد التركيز المتبقي للزرنيخ في الحل باستخدام HPLC.
5 - تحليلات معدل التوازن
- تجفيف سبعة حاويات بلاستيكية 40 مل.
- ضع 20 ملغ من الجل المجفف في كل من الحاويات البلاستيكية 40 مل.
- إضافة 40 مل من 0.2 م م ديالصوديوم هيدروجينالسناريس سباتاهيدرات (Na2HAsO4·7H2O) الحل لكل من الحاويات.
- الاحتفاظ بالحاويات في النمام عند 20 درجة مئوية عند 120 دورة في الدقيقة طوال الوقت المحدد.
- جمع 5 عينات مل في أنابيب بلاستيكية باستخدام micropipettes بعد 0.5، 1، 3، 7، 11، 24، و 48 ساعة.
- اتبع الخطوة 2.8 لتحديد مستوى الزرنيخ التوازن في كل حل باستخدام HPLC.
6- تحليل التجديد
-
تحليل الامتزاز
- تجفيف حاوية بلاستيكية 40 مل.
- تأخذ 20 ملغ من هلام المجفف ووضعها في حاوية بلاستيكية 40 مل.
- إضافة 40 مل من 0.2 م م الصوديوم الهيدروجين سباعيهيدرات (Na2HAsO4·7H2O) الحل للحاوية.
- الحفاظ على الحاوية في النمام في 20 درجة مئوية و 120 دورة في الدقيقة لمدة 24 ساعة.
- جمع عينة 5 مل في أنبوب من البلاستيك باستخدام micropipette.
- الرجوع إلى الخطوة 2.8 لتقييم مستوى الزرنيخ التوازن في الحل باستخدام HPLC.
-
تنظيف الجل
- الحصول على منخل شبكة.
- بعناية جمع قطع هلام واحد في وقت واحد بحيث أنها لا كسر ووضعها في غربال شبكة.
- اغسل الجل عدة مرات (خمس مرات على الأقل) باستخدام الماء منزوع المتأين بحيث يتم غسل أي زرنيخ متبق على سطح الجل.
تحذير: قطع هلام هشة. التعامل معها بعناية أثناء غسل ونقلها من محلول الزرنيخ إلى محلول كلوريد الضوُش.
-
تحليلات الانقبش
- تجفيف حاوية بلاستيكية 40 مل.
- وضع قطع هلام من الخطوة 6.2 في حاوية بلاستيكية 40 مل.
- إضافة 40 مل من حل NaCl 0.5 M إلى الحاوية.
- الحفاظ على الحاوية في النمام في 20 درجة مئوية و 120 دورة في الدقيقة لمدة 24 ساعة.
- جمع عينة 5 مل في أنبوب من البلاستيك باستخدام micropipette.
- اتبع الخطوة 2.8 لتقييم مستوى الزرنيخ التوازن في الحل باستخدام HPLC.
-
تكرار العملية
- بعد جمع الجل من الخطوة 6.3، كرر العملية في التسلسل التالي لثماني دورات كاملة: 6.2 > 6.1 > 6.2 > 6.3 > 6.2 > 6.1 > 6.2 > 6.3.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
يصف الشكل 1 الإعداد التجريبي لإعداد جل DMAPAAQ+FeOOH. ويوضح الجدول 1 تركيبات المواد التي ينطوي عليها إعداد الجل.
ويبين الشكل 2 علاقة وقت الاتصال بامتصاص الزرنيخ بواسطة جل DMAPAAQ+FeOOH. وفي هذا الرقم، تم فحص كمية امتصاص الزرنيخ في 0.5 و1 و3 و7 و11 و24 و48 ح. وتبين النتائج أن امتصاص الزرنيخ يصل إلى توازنه بعد 10 ساعة، وبعد 24 ساعة من الامتزاز، تم الكشف عن الحد الأدنى من الزيادة في كمية الامتزاز من الزرنيخ.
الشكل 3 (أ) ، ب يظهر الزائفة من الدرجة الأولى والزائفة من الدرجة الثانية حركة رد الفعل لامتصاص الزرنيخ من قبل هلام DMAPAAQ + FeOOH. وتشير النتائج إلى أن معاملاتالارتباط (R 2) للأمر الأول الزائف والمرتبة الثانية الزائفة كانت 0.866 و0.999 على التوالي.
ويبين الشكل 4 حساسية الرقم الهيدروجيني لجل DMAPAAQ+FeOOH. نفس الكمية من هلام DMAPAAQ + FeOOH الجافة (20 ملغ) كانت مغمورة في حلول الزرنيخ (0.2 MM) في مستويات الرقم الهيدروجيني المختلفة لمدة 24 ساعة في 20 درجة مئوية و 120 دورة في الدقيقة. وتشير النتائج إلى أن امتصاص الزرنيخ كان مرتفعاً عند مستويات الحموضة المنخفضة والمحايدة ومنخفضاً عند مستويات الحموضة العالية.
ويبين الشكل 5 أداء الامتزاز في DMAPAAQ+FeOOH. نفس الكمية من هلام DMAPAAQ + FeOOH الجافة (20 ملغ) كانت مغمورة في تركيزات مختلفة من محلول الزرنيخ (0.1، 0.2، 0.5. 1، 2 MM) في 20 درجة مئوية و 120 دورة في الدقيقة لمدة 24 ساعة. وتظهر النتائج أن الحد الأقصى لقدرة امتصاص الزرنيخ في جل DMAPAAQ+FeOOH كانت 1.63 مليون متر/غرام. وكانت البيانات متسقة أيضا مع isotherm Langmuir.
ويبين الشكل 6 التحليل الانتقائي لجل DMAPAAQ+FeOOH. نفس الكمية من هلام DMAPAAQ + FeOOH الجافة (20 ملغ) كانت مغمورة في محلول الزرنيخ (0.2 mM) مع تركيزات مختلفة SO42− (1, 2, 5, 10, 20 mM) في 20 درجة مئوية و 120 دورة في الدقيقة لمدة 24 ساعة. ويبين التحليل أن كمية الامتزاز من الزرنيخ انخفضت قليلا مع زيادة في تركيز SO42−; ومع ذلك، كان التغيير صغيرًا، وبتركيزات عالية من SO42−، لا يزال الجل ممتزًا بالزرنيخ بشكل فعال.
ويبين الشكل 7 تجربة تجديد جل DMAPAAQ+FeOOH. تم استخدام نفس الكمية من الجل الجاف (20 ملغ) لمدة ثمانية أيام متتالية من التجريب. وأجريت التجربة باستخدام محلول زرنيخ يبعد 0.2 متر عند درجة حرارة 20 درجة مئوية و120 دورة في الدقيقة لمدة 24 ساعة. لتنفيذ عملية الامتصاص، ثم تم غسل هاجي الجل وغمره في محلول أكثر من 20 متر ًا في درجة حرارة 20 درجة مئوية و120 دورة في الدقيقة لمدة 24 ساعة. تم تجديد الجل بنجاح بعد ثمانية أيام من دورات الامتزاز المستمر. قمنا بحساب كفاءة التجديد من بيانات الامتزاز في اليوم الأول واليوم السابع؛ تم تحقيق كفاءة تجديد بنسبة 87.6٪.
| الكيميائيه | الكمية (مول / م3) | |
| مونومر | دماباك | 500 |
| كروسلينكر | ماجستير إدارة الأعمال | 50 |
| مسرع | سولفيت الصوديوم | 80 |
| هيدروكسيد الصوديوم (هيدروكسيد الصوديوم) | 2100 | |
| البادئ | بيروكسوديسلفات الأمونيوم (APS) | 30 |
| كلوريد الحديديك (FeCl3) | 700 |
الجدول 1: تكوين جل DMAPAAQ+FeOOH. تم اعتماد هذا الجدول من Chemosphere [217, 808-815 , doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 وتفاصيل المواد المستخدمة في إعداد هلام DMAPAAQ + FeOOH.
الشكل 1: الإعداد التجريبي لإعداد جل DMAPAAQ+FeOOH. ويبين هذا الرقم ترتيب المعدات اللازمة لإعداد جل DMAPAAQ+FeOOH. وبما أن طريقة التحضير لدينا فريدة من نوعها، فإن هذا الرقم سيساعد الباحثين على تكرار الإعداد لدينا. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: ربط وقت الاتصال بكمية الامتزاز بين جل DMAPAAQ+FeOOH وحل الزرنيخ. تم تعديل هذا الرقم من Chemosphere [217,808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 ويظهر العلاقة بين كمية الامتزاز من الزرنيخ من قبل هلام DMAPAAQ + FeOOH ووقت الاتصال. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يوضح الوقت اللازم للهلام للوصول إلى توازن الامتزاز. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: حركية تفاعل الامتزاز بالزرنيخ في جل DMAPAAQ+FeOOH. (أ) الدرجة الأولى الزائفة. (ب) الدرجة الثانية الزائفة. تم تعديل هذا الرقم من علم الكيماويات [217, 808-815 , دوي: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 ويظهر ملاءمة النموذج الحركي لهلام DMAPAAQ + FeOOH. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: تحليل حساسية الرقم الهيدروجيني للجل DMAPAAQ + FeOOH. وقد اعتمد هذا الرقم من Chemosphere [217,808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 ويظهر نتائج تحليل حساسية الرقم الهيدروجيني للهلام DMAPAAQ + FeOOH في حلول الزرنيخ. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: أداء الامتزاز من هلام DMAPAAQ + FeOOH. تم تعديل هذا الرقم من الغلاف الكيميائي [217, 808-815 , doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 ويظهر كمية امتصاص الزرنيخ بواسطة هلام DMAPAAQ + FeOOH بتركيزات مختلفة من الزرنيخ و تركيب هذه البيانات مع نموذج هوثيرم Langmuir. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: تحليل انتقائي لجل DMAPAAQ+FeOOH. تم تعديل هذا الرقم من علم الكيماويات [217, 808-815 , doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 ويظهر انتقائية امتصاص الزرنيخ من هلام DMAPAAQ + FeOOH في وجود تركيزات مختلفة من أيونات الكبريتات. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: تحليل تجديد جل DMAPAAQ+FeOOH. وقد اعتمد هذا الرقم من علم الكيمووسفير [217, 808-815 , دوي: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15. تم فحص قابلية إعادة استخدام جل DMAPAAQ+FeOOH لمدة ثمانية أيام متواصلة باستخدام حلول الزرنيخ للامتصاص وكلوريد كلوريد الكل لعمليات الامتصاص. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
التقدم الرئيسي لطريقة لدينا المتقدمة هي استراتيجية تصميم فريدة من نوعها من مركب هلام. وكان الغرض من طريقة إعداد هلام لدينا لتحقيق أقصى قدر من محتوى الحديد في هلام. خلال الإعداد، أضفنا FeCl3 وNaOH إلى "الحل البادئ" و "حل مونومر"، على التوالي. مرة واحدة تم خلط حل مونومر مع الحل البادئ، كان هناك رد فعل بين FeCl3 وNaOH، وإنتاج FeOOH داخل هلام. هذه الظاهرة ضمان أقصى محتوى الحديد في مركب هلام. على الرغم من مزايا هذه الطريقة، لا يشكل الجل في ظل الظروف التالية: 1) عندما لا يتم خلط الحلول بشكل كامل. 2) عندما تتجاوز كمية FeCl3 700 مول / م3 أو البادئ، APS، والمسرع، كبريتيت الصوديوم، هي أقل.
إذا كان الجل لا يشكل، إضافة البادئ والمسرع تدريجيا وخلط الحل جيدا. إذا كانت كمية البادئ والمسرع عالية جدا، وهيكل البوليمر من هلام يختلف، والأداء المطلوب لا يمكن تحقيقه. عندما يبدأ الجل في التشكيل، توقف عن خلطه لتجنب تشويه الجل.
وقد أبلغت الدراسات السابقة عن امتصاص غير فعال للزرنيخ عند مستويات الحموضة المحايدة. وهكذا، فإن تجربة حساسية الأس الهيدروجيني في العمل الحالي كانت مهمة للإشارة إلى التطبيق العملي للهلام المطور. وتبين دراساتنا أن الزرنيخ الهلامي الممتز بشكل فعال وتم تجديدها من قبل كلوريد الكل عند مستويات درجة الحموضة المحايدة. على الرغم من أن كمية الامتزاز من الزرنيخ كانت عالية في قيم الرقم الهيدروجيني الحمضية ومنخفضةفي قيم الرقم الهيدروجيني الأساسية، كان الامتزاز فعالا عند مستويات الرقم الهيدروجيني المحايدة (الشكل 4). لتقييم سلوك الامتزاز في ظل ظروف الحياة الحقيقية، أجرينا تجارب أخرى على مستويات درجة الحموضة المحايدة.
وقد تمت دراسة العلاقة بين أوقات الاتصال بمحلول الجل/الزرنيخ وكمية امتصاص الزرنيخ. حقق جل DMAPAAQ+FeOOH توازن الامتزاز عند10 ح (الشكل 2). بالإضافة إلى ذلك، قمنا بفحص معدل الامتزاز من قبل هلام DMAPAAQ + FeOOH مع اثنين من النماذج الحركية، الزائفة من الدرجة الأولى والزائفة من الدرجة الثانية (الشكل3أ،ب). تشير معاملات الارتباط(R 2) إلى التشابه بين القيم التجريبية والقيم المحسوبة. وجدنا أن قيمة R2 كانت أعلى لحركية رد الفعل من الدرجة الثانية الزائفة. وتشير هذه النتيجة إلى أن الامتزاز بين محلول الزرنيخ وDMAPAAQ + هلام FeOOH هو عملية تشيميزوبتيون19.
قمنا بإجراء تحليلات أداء الامتزاز عند مستويات الحموضة المحايدة. 20 ملغ من هلام جاف كان مغمورة في محلول الزرنيخ لمدة 24 ساعة في تركيزات مختلفة من As(V). ويبين الشكل 5 كميات الزرنيخ الممتزة بواسطة جل DMAPAAQ+FeOOH. وكانت هذه النتائج متسقة مع نموذج Langmuir isotherm من الامتزاز. وبلغ الحد الأقصى لكمية الامتزاز من الجل 1.63 مليون متر مربع (الشكل5). وتجدر الإشارة إلى أن الجل المطور تفوق على المواد الممتزة التي سبق الإبلاغ عنها ودراستها عند مستويات الحموضة المحايدة. نحن ترشيد هذه الملاحظة من قبل هيكل فريد من هلام، والتي تمكن من الامتزاز الزرنيخ في وقت واحد من قبل كل من وحدات DMAPAAQ وفيوه. وجدنا أن 35.5٪ من الزرنيخ تم امتصاصه من قبل المجموعة الأمينية من مركب DMAPAAQ + FeOOH و 64.4٪ من الزرنيخ تم امتصاصه من قبل جزيئات FeOOH15. خلال عملية الامتزاز، تأكد من أن الجل مغمور في محلول الزرنيخ تماما. مستويات عالية من امتصاص الزرنيخ من قبل هلام الحالي على المواد التقليدية ودرست مؤخرا تثبت فائدتها الواعدة باعتبارها الامتزاز عالية الكفاءة.
الانتقائية هي خاصية هامة لممتز لأن هناك العديد من الأيونات المتنافسة في الماء، بما في ذلك Cl-، HS-، SO32−، SO42−، H2CO3، HCO3-و CO 3 2− 20.سلسلة Hofmeister تشير إلى أن أيون كبريتات (SO42−) يمكن أن تعطل التعبئة الهيدروكربونية وتخترق منطقة headgroup من أحادية الطبقة من الممتز21. وقد تقرر أن تركيز الكبريتات في المياه الجوفية يصل إلى 230 ملغم/لتر22. ولذلك، إذا كان الجل المطور يمكن أن الامتزاز انتقائي الزرنيخ مع كبريتات كأيون المتنافسة، قد تكون مناسبة لمعالجة المياه الجوفية البيئية. وهكذا، أجريت تحليلات الانتقائية مع أيونات الكبريتات وأظهرت أن DMAPAAQ + FeOOH هلام الزرنيخالامتزاز بشكل فعال في تركيزات عالية من الكبريتات (الشكل 6). وبما أن كمية امتصاص الزرنيخ كانت مماثلة في غياب أو وجود أيونات كبريتات، فإن الجل قد يؤدي بفعالية في المياه الجوفية كما هو الحال في المختبر.
التجديد هو سمة هامة من أي الامتزاز العملي لأنه يضمن خفض التكاليف، والملاءمة البيئية، وسهولة الاستخدام23. تم تجديد هلام المتقدمة بنجاح لمدة ثمانيةأيام متتالية من التجريب (الشكل 7). بالإضافة إلى ذلك، تم تحقيق كفاءة التجديد بنسبة 87.6٪ عندما تم استخدام نفس الجل لجميع دورات الامتزاز وامتصاص الامتصاص الثمانية. واحدة من أهم النتائج التي توصل إليها بحثنا كان استخدام NaCl في عملية الامتصاص. في حين يستخدم هيدروكسيد الصوديوم تقليديا للامتصاص، فإنه يمكن أن تكون ضارة لصحة الإنسان. لذلك، استبدلنا هيدروكسيد الصوديوم بـ NaCl في دراساتنا، والتي لم يتم الإبلاغ عنها من قبل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
وقد تم دعم هذا البحث من قبل JSPS KAKENHI رقم المنحة (26420764، JP17K06892). كما يُعترف بمساهمة وزارة الأراضي والهياكل التحتية والنقل والسياحة، حكومة اليابان في إطار "برنامج دعم البحث والتطوير في مجال تكنولوجيا التشييد" في هذا البحث. ونعترف أيضا بمساهمة السيد كيوتاكا سينموتو في هذا البحث. كما تم الإقرار بالسيدة أديل بيتكياثلي، زميلة استشارية أقدم في الكتابة من مركز الكتابة بجامعة هيروشيما، وللتصحيحات والاقتراحات المتعلقة باللغة الإنجليزية. تم اختيار هذا البحث للعرض الشفوي في المؤتمرالسابع للإيوا-أسباير، 2017 ومؤتمر تكنولوجيا المياه والبيئة، 2018.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| N,N’-dimethylamino propylacrylamide, methyl chloride quaternary (DMAPAAQ) (75% in H2O) | KJ Chemicals Corporation, Japan | 150707 | |
| N,N’-Methylene bisacrylamide (MBAA) | Sigma-Aldrich, USA | 1002040622 | |
| Sodium sulfite (Na2SO3) | Nacalai Tesque, Inc., Japan | 31922-25 | |
| Sodium sulfate (Na2SO4) | Nacalai Tesque, Inc., Japan | 31916-15 | |
| Di-sodium hydrogenarsenate heptahydrate(Na2HAsO4.7H20) | Nacalai Tesque, Inc., Japan | 10048-95-0 | |
| Ferric chloride(FeCl3) | Nacalai Tesque, Inc., Japan | 19432-25 | |
| Sodium hydroxide(NaOH) | Kishida Chemicals Corporation, Japan | 000-75165 | |
| Ammonium peroxodisulfate (APS) | Kanto Chemical Co. Inc., Japan | 907W2052 | |
| Hydrochloric acid (HCl) | Kanto Chemical Co. Inc., Japan | 18078-01 | |
| Sodium Chloride (NaCl) | Nacalai Tesque, Inc., Japan | 31320-05 |
References
- Oremland, R. S., Stolz, J. F. The Ecology of Arsenic. Science. 300 (5621), 939-944 (2003).
- Bibi, I., Icenhower, J., Niazi, N. K., Naz, T., Shahid, M., Bashir, S. Chapter 21 - Clay Minerals: Structure, Chemistry, and Significance in Contaminated Environments and Geological {CO2} Sequestration. Environmental Materials and Waste. , 543-567 (2016).
- He, R., Peng, Z., Lyu, H., Huang, H., Nan, Q., Tang, J. Synthesis and characterization of an iron-impregnated biochar for aqueous arsenic removal. Science of the Total Environment. 612, 1177-1186 (2018).
- Niazi, N. K., et al. Arsenic removal by Japanese oak wood biochar in aqueous solutions and well water: Investigating arsenic fate using integrated spectroscopic and microscopic techniques. Science of the Total Environment. 621, 1642-1651 (2017).
- Shaheen, S. M., Eissa, F. I., Ghanem, K. M., Gamal El-Din, H. M., Al Anany, F. S. Heavy metals removal from aqueous solutions and wastewaters by using various byproducts. Journal of Environmental Management. 128, 514-521 (2013).
- Shakoor, M. B., et al. Remediation of arsenic-contaminated water using agricultural wastes as biosorbents. Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 46 (5), 467-499 (2016).
- Vithanage, M., et al. Interaction of arsenic with biochar in soil and water: A critical review. Carbon. 113, 219-230 (2017).
- Hu, X., Ding, Z., Zimmerman, A. R., Wang, S., Gao, B. Batch and column sorption of arsenic onto iron-impregnated biochar synthesized through hydrolysis. Water Research. 68, 206-216 (2015).
- Saharan, P., Chaudhary, G. R., Mehta, S. K., Umar, A. Removal of Water Contaminants by Iron Oxide Nanomaterials. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 14 (1), 627-643 (2014).
- Siddiqui, S. I., Chaudhry, S. A. Iron oxide and its modified forms as an adsorbent for arsenic removal: A comprehensive recent advancement. Process Safety and Environmental Protection. 111, 592-626 (2017).
- Tuna, A. ÖA., özdemir, E., şimşek, E. B., Beker, U. Removal of As(V) from aqueous solution by activated carbon-based hybrid adsorbents: Impact of experimental conditions. Chemical Engineering Journal. 223, 116-128 (2013).
- Sahiner, N., Demirci, S., Sahiner, M., Yilmaz, S., Al-Lohedan, H. The use of superporous p(3-acrylamidopropyl)trimethyl ammonium chloride cryogels for removal of toxic arsenate anions. Journal of Environmental Management. 152, 66-74 (2015).
- Barakat, M. A. A., Sahiner, N. Cationic hydrogels for toxic arsenate removal from aqueous environment. Journal of Environmental Management. 88 (4), 955-961 (2008).
- ur Rehman, S., et al. Removal of arsenate and dichromate ions from different aqueous media by amine based p(TAEA-co-GDE) microgels. Journal of Environmental Management. 197, 631-641 (2017).
- Safi, S. R., Gotoh, T., Iizawa, T., Nakai, S. Development and regeneration of composite of cationic gel and iron hydroxide for adsorbing arsenic from ground water. Chemosphere. 217, 808-815 (2019).
- Chaudhry, S. A., Ahmed, M., Siddiqui, S. I., Ahmed, S. Fe(III)-Sn(IV) mixed binary oxide-coated sand preparation and its use for the removal of As(III) and As(V) from water: Application of isotherm, kinetic and thermodynamics. Journal of Molecular Liquids. 224, 431-441 (2016).
- Chaudhry, S. A., Zaidi, Z., Siddiqui, S. I. Isotherm, kinetic and thermodynamics of arsenic adsorption onto Iron-Zirconium Binary Oxide-Coated Sand (IZBOCS): Modelling and process optimization. Journal of Molecular Liquids. 229, 230-240 (2017).
- Lin, S., Yang, H., Na, Z., Lin, K. A novel biodegradable arsenic adsorbent by immobilization of iron oxyhydroxide (FeOOH) on the root powder of long-root Eichhornia crassipes. Chemosphere. 192, 258-266 (2018).
- Allen, K. D., et al. Hsp70 chaperones as modulators of prion life cycle: Novel effects of Ssa and Ssb on the Saccharomyces cerevisiae prion [PSI+]. Genetics. 169 (3), 1227-1242 (2005).
- Chaplin, B. P., Roundy, E., Guy, K. A., Shapley, J. R., Werth, C. I. Effects of natural water ions and humic acid on catalytic nitrate reduction kinetics using an alumina supported Pd-Cu catalyst. Environmental Science and Technology. 40 (9), 3075-3081 (2006).
- Zhang, Y., Cremer, P. S. Interactions between macromolecules and ions: the Hofmeister series. Current Opinion in Chemical Biology. 10 (6), 658-663 (2006).
- Fawell, J. K., Ohanian, E., Giddings, M., Toft, P., Magara, Y., Jackson, P. Sulfate in Drinking-water Background document for development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality. World Health Organization. , 8 (2004).
- ur Rehman, S., et al. Fast removal of high quantities of toxic arsenate via cationic p(APTMACl) microgels. Journal of Environmental Management. 166, 217-226 (2016).
