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Entfernung von Arsen mit einem kationischen Polymergel imprägniert mit Eisenhydroxid

Published: June 28, 2019 doi: 10.3791/59728
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Chemical Engineering, Hiroshima University

Summary

In dieser Arbeit haben wir ein Adsorbensausbau aus dem kationischen N,N-Dimethylamino Propylacrylamid methylchlorid quaternary (DMAPAAQ) Polymergel und Eisenhydroxid zur Adsorbierung von Arsen aus grundwasser hergestellt. Das Gel wurde mit einer neuartigen Methode hergestellt, die den maximalen Gehalt an Eisenpartikeln in seiner Struktur gewährleisten soll.

Abstract

In dieser Arbeit haben wir ein Adsorbensausbau aus einem kationischen Polymergel hergestellt, das Eisenhydroxid in seiner Struktur enthält, das Arsen aus dem Grundwasser adsorbieren soll. Das gel, das wir ausgewählt haben, war das N,N-Dimethylamino Propylacrylamid methylchlorid quaternary (DMAPAAQ) Gel. Ziel unserer Herstellungsmethode war es, den maximalen Gehalt an Eisenhydroxid in der Struktur des Gels zu gewährleisten. Dieser Designansatz ermöglichte die gleichzeitige Adsorption sowohl durch die Polymerstruktur des Gels als auch durch die Eisenhydroxidkomponente und verbesserte so die Adsorptionskapazität des Materials. Um die Leistung des Gels zu untersuchen, haben wir die Reaktionskinetik gemessen, pH-Empfindlichkeits- und Selektivitätsanalysen durchgeführt, die Arsenadsorptionsleistung überwacht und Regenerationsexperimente durchgeführt. Wir stellten fest, dass das Gel einen Chemisorptionsprozess durchläuft und das Gleichgewicht bei 10 h erreicht. Darüber hinaus adsorbierte das Gel Arsen effektiv bei neutralem pH-Wert und selektiv in komplexen Ionenumgebungen und erreichte ein maximales Adsorptionsvolumen von 1,63 mM/g. Das Gel könnte mit 87,6% Wirkungsgrad regeneriert werden und NaCl könnte für Desorption anstelle von schädlichen NaOH verwendet werden. Zusammengenommen ist die vorgestellte gelbasierte Designmethode ein effektiver Ansatz für die Konstruktion von Hochleistungs-Arsenadsorbentien.

Introduction

Die Wasserverschmutzung ist ein großes Umweltproblem und motiviert die Forscher, Methoden zur Entfernung von Schadstoffen wie Arsen aus dem Abfallwassende1zu entwickeln. Unter allen gemeldeten Methoden sind Adsorptionsprozesse ein relativ kostengünstiger Ansatz für die Schwermetallentfernung2,3,4,5,6,7. Eisenoxyhydroxid pulvergelten als eines der effizientesten Adsorbentien für die Extraktion von Arsen aus wässrigen Lösungen8,9. Dennoch leiden diese Materialien unter einer Reihe von Nachteilen, einschließlich früher Sättigungszeiten und toxischer synthetischer Vorläuferstoffe. Darüber hinaus gibt es eine schwerwiegende nachteilige Wirkung in der Wasserqualität, wenn diese Adsorbentien für einen langen Zeitraum verwendet werden10. Zur Reinigung des kontaminierten Wassers ist dann ein zusätzlicher Trennprozess, wie Sedimentation oder Filtration, erforderlich, was die Produktionskosten weiter erhöht8,11.

In jüngster Zeit haben Forscher Polymergele wie kationische Hydrogele, Mikrogele und Kryogel entwickelt, die effiziente Adsorptionseigenschaften nachgewiesen haben. Beispielsweise wurde eine Arsenentfernungsrate von 96% durch das kationische Kryogel, Poly(3-Acrylamidopropyl) Trimethylammoniumchlorid [p(APTMACl)]12erreicht. Zusätzlich wurde bei pH 9 mit diesem kationischen Hydrogel13ein Entfernungswirkungsgrad von ca. 99,7 % erreicht. Bei pH 4 wurde 98,72 mg/g maximale Arsenadsorptionskapazität durch das Mikrogel erreicht, basierend auf Tris(2-Aminoethyl)-Amin (TAEA) und Glyceroldiglycidylether (GDE), p(TAEA-co-GDE)14. Obwohl diese Gele gute Adsorptionsleistungen zeigten, gelang es ihnen nicht, Arsen bei neutralem pH-Wert effektiv aus Wasser zu entfernen, und ihre Selektivitäten in allen untersuchten Umgebungen wurden nicht gemeldet15. Eine maximale Adsorptionskapazität von 227 mg/g von wurde gemessen, als Fe(III)-Sn(IV) gemischter binären oxidbeschichteten Sand bei einer Temperatur von 313 K und einem pH-Wert von 716verwendet wurde. Alternativ wurde fe-Zr binären oxidbeschichteten Sand (IZBOCS) auch verwendet, um Arsen zu entfernen und erreichte eine maximale Adsorptionskapazität von 84,75 mg/g bei 318 K und einem pH-Wert von 717. Andere gemeldete Adsorbentien leiden unter geringen Adsorptionsleistungen, mangelnder Recyclingfähigkeit, geringer Stabilität, hohen Betriebs- und Wartungskosten sowie dem Einsatz gefährlicher Chemikalien im Syntheseprozess4.

Wir versuchten, die oben genannten Einschränkungen zu beheben, indem wir ein Material mit verbesserter Arsenadsorptionsleistung, hoher Selektivität in komplexen Umgebungen, Recyclingfähigkeit und effizienter Aktivität bei neutralem pH-Wert entwickelten. Daher haben wir einen kationischen Gelverbund aus N,N-Dimethylamino-Propylacrylamidmethylchlorid-Quaternary (DMAPAAQ)-Gel und Eisen(III)-Hydroxid (FeOOH)-Partikeln als Adsorbentier zur Arsenentfernung entwickelt. Wir haben uns entschieden, FeOOH mit unserem Gel zu kombinieren, da FeOOH die Adsorption beider Formen von Arsen18erhöht. In dieser Studie wurde unser Gel-Verbundwerkstoff als nicht porös konzipiert und während der Zubereitung mit FeOOH imprägniert. Im nächsten Abschnitt werden die Details der Gelaufbereitungsmethode, einschließlich unserer Strategie zur Maximierung des FeOOH-Gehalts, weiter erläutert.

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Protocol

VORSICHT: Arsen ist extrem giftig. Bitte verwenden Sie während des Experiments jederzeit Handschuhe, Langarmkleidung und eine experimentelle Brille, um jeglichen Kontakt von Arsenlösung mit Haut und Augen zu verhindern. Wenn Arsen mit einem Teil Ihres Körpers in Kontakt kommt, waschen Sie es sofort mit Seife. Bitte reinigen Sie die experimentelle Umgebung regelmäßig, damit Sie und andere nicht mit Arsen in Berührung kommen, auch wenn das Experiment nicht durchgeführt wird. Die Symptome einer Arsenexposition können nach einer langen Zeit auftreten. Vor der Reinigung der Anlage zuerst mit sauberem Wasser abspülen und das Wasser separat in einen für Arsen bestimmten Versuchsabfallbehälter entsorgen. Reinigen Sie dann das Gerät gut mit Reinigungsmittel. Um eine Arsenkontamination der Umwelt zu verhindern, treffen Sie Vorsichtsmaßnahmen, während Sie Arsenproben entsorgen. Entsorgen Sie sie getrennt in versuchsweise Abfallbehälter, die für Arsen bestimmt sind. Nachdem das Adsorptions- oder Desorptionsexperiment durchgeführt wurde, enthalten die Gele eine hohe Menge an Arsen. Entsorgen Sie die Gele daher separat in einer ausgewiesenen Versuchsabfalltonne nur für arsenhaltige Gele.

1. Synthese des DMAPAAQ+FeOOH Gel-Composites

  1. Trocknen Sie zwei 20 ml Messkolben und zwei 20 ml Becher mit magnetischen Rührstäben.
  2. Transfer 2,07 g DMAPAAQ (75%), 0,15 g N,N'-Methylen-Bisacrylamid (MBAA), 0,25 g Natriumsulfit und 1,68 g NaOH auf ein 20 ml Becherglas.
  3. Lösen Sie die Lösung vollständig in destilliertem Wasser als "Lösungsmittel" auf und rühren Sie sie 30 min mit einem magnetischen Rührstab.
  4. Übertragen Sie das Gemisch aus dem Becherauf einen 20 ml Messkolben und fügen Sie destilliertes Wasser hinzu, um eine 20 ml Lösung zu erzeugen. Beschriften Sie die Lösung als "Monomerlösung".
  5. In ähnlicher Weise nehmen Sie 0,27 g Ammoniumperoxodisulfat (APS) und 3,78 g FeCl3 in einem weiteren 20 ml Becher.
  6. Lösen Sie die Lösung vollständig in destilliertem Wasser auf und rühren Sie sie 30 min mit einem magnetischen Rührstab.
  7. Die Mischung aus dem Becheraufschlag in einen weiteren 20 ml Messkolben geben und destilliertes Wasser zu einer 20 ml Lösung hinzufügen. Beschriften Sie die Lösung als "Initiatorlösung".
  8. Bereiten Sie den Versuchsaufbau vor, wie in Abbildung 1dargestellt.
  9. Übertragen Sie die Lösungen in die jeweiligen 20 ml Trenntrichter.
  10. Reinigen Sie die Lösungen mit N2 Gas für 10 min.
  11. Mischen Sie die Lösungen zusammen, rühren Sie sie in einem 50 ml Reagenzglas mit einem elektrischen Rührer, und legen Sie die Mischung dann in einen Kühler, der bei 10 °C für 40 min gehalten wird.
  12. Nehmen Sie den Gelblock aus dem Reagenzglas und legen Sie ihn auf ein flaches Schneidebrett.
  13. Schneiden Sie den Gelblock in eine kubische Form, 5 mm lang.
  14. Die Gelscheiben mit entionisiertem Wasser 24 h einweichen, um die Verunreinigungen zu entfernen.
  15. Nach 12 h das Wasser austauschen und die Gelscheiben wieder einweichen.
  16. Die Gelscheiben auf eine Petrischale verteilen und bei Raumtemperatur 24 h trocknen.
  17. Die Petrischale mit den Gelscheiben bei 50 °C für 24 h in den Ofen geben.

2. pH-Empfindlichkeitsanalysen

  1. Neun 40 ml Kunststoffbehälter trocknen.
  2. Messen Sie neun 20 mg getrocknete Gelstücke und legen Sie sie jeweils in einen separaten 40 ml Kunststoffbehälter.
  3. Fügen Sie jedem Behälter 20 ml einer 4 mM Dinatrium-Hydrogenarsenat-Heptahydrat(Na2HAsO 4-7H2O)-Lösung hinzu.
  4. Um die pH-Werte zu kontrollieren, fügen Sie 20 ml NaOH-Lösung oder HCL-Lösung mit unterschiedlichen Konzentrationen (0,1, 0,01, 0,001, 0,0001 M) in die jeweiligen Behälter ein, um den pH-Wert von 2, 6, 8, 10, 12, 13 beizubehalten und zu kennzeichnen.
  5. Bewahren Sie die Behälter im Rührwerk bei 20 °C und 120 Umdrehungen pro Minute für 24 h auf.
  6. Sammeln Sie eine 5 ml Probe aus jedem Behälter und legen Sie jede Probe in einem Kunststoffrohr mit einer Mikropipette.
  7. Messen Sie den Gleichgewichts-pH-Wert für alle Proben.
  8. Messen Sie die verbleibende Arsenkonzentration in der Lösung mit einer Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC). Verwenden Sie eine analytische Säule (4 x 200 mm), eine Schutzsäule (4 x 50 mm) und einen 4 mm Unterdrücker mit folgenden Bedingungen:
    Durchfluss: 1,5 ml/min;
    Menge der injizierten Probe: 10 ml;
    Säulentemperatur: 30 °C;
    Eluentenlösung: 2,7 mM Na2CO3 und 0,3 mM NaHCO3;
    Pumpendruck: 2000 psi;
    Elektrische Leitfähigkeitserkennung: Suppressor-Methode.
    HINWEIS: Wir haben 1 ml der Probe in eine 1 ml Einwegspritze beschafft. Die Spritze wurde mit einem Spritzenmembranfilter (Porengröße: 0,22 mm, Durchmesser: 13 mm) gekoppelt, um die mikroskopischen Fragmente des Gels aus der Probe zu diskretisieren. Etwa 0,7 ml der Probe wurden in die Säule eingeflößt. Destilliertes Wasser wurde vor Beginn der Injektion der Proben als Leere infundiert. Nach 13 min wurde eine Höhe von Arsen in der Probe nachgewiesen.
    VORSICHT: Nach der Injektion der Probe lassen Sie die Spritze bitte für fast 2 min in den Saugkopf von HPLC mit etwa 0,2-0,3 ml probe verbleiben. Denn Staub und Luft könnten in die Säule eindringen und ihre Unfähigkeit verändern, was möglicherweise zu einem fehlerhaften Ergebnis führen wird.

3. Arsenadsorptionsexperiment

  1. Trocknen Sie fünf 40 ml Kunststoffbehälter.
  2. Messen und legen Sie 20 mg getrocknetes Gel in jedem 40 ml Kunststoffbehälter.
  3. Fügen Sie jedem Behälter 40 ml Dinatriumhydrogen-Hydrogenarsenat-Heptahydrat (Na2HAsO 4-7H2O) in den folgenden Konzentrationen hinzu: 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2 mM.
  4. Bewahren Sie die Behälter im Rührwerk bei 20 °C und 120 Umdrehungen pro Minute für 24 h auf.
  5. Sammeln Sie eine 5 ml Probe aus jedem Behälter und legen Sie in einem Kunststoffrohr mit einer Mikropipette.
  6. Folgen Sie Schritt 2.8, um den Gleichgewichts-Arsengehalt in den Lösungen mit HPLC zu bewerten.

4. Selektivitätsanalysen des DMAPAAQ+FeOOH Gels

  1. Trocknen Sie fünf 40 ml Kunststoffbehälter.
  2. 20 mg getrocknetes Gel in jeden der fünf 40 ml Kunststoffbehälter geben.
  3. Fügen Sie jedem Behälter 20 ml einer 0,4 mM Dinatrium-Hydrogenarsenat-Heptahydrat(Na2HAsO 4-7H2O) -Lösung hinzu.
  4. 20 ml bei Konzentrationen von 0,5, 1, 2, 5, 10 mM Na2SO4 zu den fünf Behältern hinzufügen.
  5. Bewahren Sie die Behälter im Rührwerk bei 20 °C und 120 Umdrehungen pro Minute für 24 h auf.
  6. Sammeln Sie eine 5 ml Probe aus jedem Behälter und legen Sie in separaten Kunststoffröhren mit Mikropipetten.
  7. Folgen Sie Schritt 2.8, um die verbleibende Arsenkonzentration in der Lösung mit HPLC zu quantifizieren.

5. Gleichgewichtsratenanalysen

  1. Sieben 40 ml Kunststoffbehälter trocknen.
  2. 20 mg getrocknetes Gel in jeden der 40 ml Kunststoffbehälter geben.
  3. Fügen Sie jedem der Behälter 40 ml einer 0,2 mM Dinatrium-Hydrogenarsenat-Heptahydrat(Na2HAsO 4-7H2O) -Lösung hinzu.
  4. Bewahren Sie die Behälter im Rührwerk bei 20 °C bei 120 Umdrehungen pro Minute für die Dauer der vorgesehenen Zeiten auf.
  5. Sammeln Sie 5 ml Proben in Kunststoffröhren mit Mikropipetten nach 0,5, 1, 3, 7, 11, 24 und 48 h.
  6. Folgen Sie Schritt 2.8, um den Gleichgewichtsarsengehalt in jeder Lösung mit HPLC zu bestimmen.

6. Regenerationsanalyse

  1. Adsorptionsanalyse
    1. Trocknen Sie einen 40 ml Kunststoffbehälter.
    2. Nehmen Sie 20 mg getrocknetes Gel und legen Sie es in den 40 ml Kunststoffbehälter.
    3. 40 ml einer 0,2 mM Dinatrium-Hydrogenarsenat-Heptahydrat-Lösung (Na2HAsO47H2O) in den Behälter geben.
    4. Den Behälter 24 h bei 20 °C und 120 Umdrehungen min im Rührer aufbewahren.
    5. Sammeln Sie eine 5 ml Probe in einem Kunststoffrohr mit einer Mikropipette.
    6. Siehe Schritt 2.8, um den Gleichgewichtsarsengehalt in der Lösung mit HPLC zu bewerten.
  2. Reinigung des Gels
    1. Besorgen Sie sich ein Netzsieb.
    2. Sammeln Sie die Gelstücke vorsichtig nacheinander, damit sie nicht brechen und in das Netzsieb legen.
    3. Waschen Sie das Gel mehrmals (mindestens fünfmal) mit entionisiertem Wasser, so dass alle verbleibenden Arsen auf der Oberfläche des Gels weggewaschen werden.
      VORSICHT: Die Gelstücke sind zerbrechlich. Behandeln Sie sie beim Waschen und Übertragen von der Arsenlösung auf die NaCl-Lösung mit Vorsicht.
  3. Desorptionsanalysen
    1. Trocknen Sie einen 40 ml Kunststoffbehälter.
    2. Die Gelteile ab Schritt 6.2 in einen 40 ml Kunststoffbehälter geben.
    3. Fügen Sie 40 ml einer 0,5 M NaCl-Lösung in den Behälter ein.
    4. Den Behälter 24 h bei 20 °C und 120 Umdrehungen min im Rührer aufbewahren.
    5. Sammeln Sie eine 5 ml Probe in einem Kunststoffrohr mit einer Mikropipette.
    6. Folgen Sie dem Schritt 2.8, um den Gleichgewichtsarsengehalt in der Lösung mit HPLC zu bewerten.
  4. Wiederholung des Prozesses
    1. Nach dem Sammeln des Gels aus Schritt 6.3 wiederholen Sie den Vorgang in der folgenden Reihenfolge für acht komplette Zyklen: 6,2 > 6,1 > 6,2 > 6,3 > 6,2 > 6,1 > 6,2 > 6,3.

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Representative Results

Abbildung 1 beschreibt den Versuchsaufbau zur Herstellung des DMAPAAQ+FeOOH Gels. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzungen der Materialien, die an der Herstellung des Gels beteiligt sind.

Abbildung 2 zeigt das Verhältnis der Kontaktzeit mit der Adsorption von Arsen durch das DMAPAAQ+FeOOH Gel. In der Abbildung wurde die Höhe der Adsorption von Arsen bei 0,5, 1, 3, 7, 11, 24 und 48 h untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Adsorption von Arsen nach 10 h sein Gleichgewicht erreicht, und nach 24 h Adsorption wurde eine minimale Zunahme der Adsorption von Arsen festgestellt.

Abbildung 3a ,b zeigt die Pseudo-Reaktionskinetik erster Ordnung und Pseudo-Zweiternorden für arsenadsorption durch das DMAPAAQ+FeOOH-Gel an. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Korrelationskoeffizienten (R2) für Pseudo-Erst- und Pseudo-Zweite-Ordnung 0,866 bzw. 0,999 betrugen.

Abbildung 4 zeigt die pH-Empfindlichkeit des DMAPAAQ+FeOOH Gels. Die gleiche Menge an trockenem DMAPAAQ+FeOOH-Gel (20 mg) wurde bei verschiedenen pH-Werten für 24 h bei 20 °C und 120 Rpm in Arsenlösungen (0,2 mM) getaucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Adsorption von Arsen bei niedrigen und neutralen pH-Werten hoch und bei hohem pH-Wert niedrig war.

Abbildung 5 zeigt die Adsorptionsleistung von DMAPAAQ+FeOOH. Die gleiche Menge an trockenem DMAPAAQ+FeOOH-Gel (20 mg) wurde in verschiedene Arsenlösungskonzentrationen (0,1, 0,2, 0,5, 1, 2 mM) bei 20 °C und 120 Rpm für 24 h eingetaucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die maximale Arsenadsorptionskapazität des DMAPAAQ+FeOOH Gels 1,63 mM/g betrug. Die Daten stimmten auch mit dem Langmuir-Isotherm überein.

Abbildung 6 zeigt die Selektivitätsanalyse des DMAPAAQ+FeOOH Gels. Die gleiche Menge an trockenem DMAPAAQ+FeOOH-Gel (20 mg) wurde in die Arsenlösung(0,2 mM) mit unterschiedlichen SO4-2-Konzentrationen (1, 2, 5, 10, 20 mM) bei 20 °C und 120 Rpm für 24 h eingetaucht. Die Analyse zeigt, dass die Adsorptionsmenge von Arsen leicht mit einem Anstieg der SO42-Konzentration abnahm; jedoch war die Veränderung klein, und bei hohen Konzentrationen von SO42-, das Gel noch effektiv adsorbiert Arsen.

Abbildung 7 zeigt das Regenerationsexperiment des DMAPAAQ+FeOOH Gels. Die gleiche Menge an trockenem Gel (20 mg) wurde für acht aufeinanderfolgende Tage des Experimentierens verwendet. Das Experiment wurde mit einer 0,2 mM Arsenlösung bei 20 °C und 120 Umdrehungen pro Minute für 24 h durchgeführt. Um den Desorptionsprozess durchzuführen, wurde das Gel dann gewaschen und in eine 0,5 M NaCl-Lösung bei 20 °C und 120 Rpm für 24 h eingetaucht. Das Gel wurde nach acht Tagen kontinuierlicher Adsorptions-Desorptionszyklen erfolgreich regeneriert. Wir haben die Regenerationseffizienz aus den Adsorptionsdaten am ersten und 7. Tag berechnet; eine Regenerationseffizienz von 87,6% erreicht.

chemisch Menge (mol/m3)
Monomer DMAPAAQ 500
Vernetzer MBAA 50
gaspedal Natriumsulfit 80
Natriumhydroxid (NaOH) 2100
initiator Ammoniumperoxodisulfat (APS) 30
FerricChlorid (FeCl3) 700

Tabelle 1: Zusammensetzung des DMAPAAQ+FeOOH Gels. Diese Tabelle wurde von Chemosphere [217, 808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 übernommen und beschreibt die Materialien, die bei der Herstellung des DMAPAAQ+FeOOH Gels verwendet werden.

Figure 1
Abbildung 1: Versuchsaufbau zur Vorbereitung des DMAPAAQ+FeOOHGels . Diese Abbildung zeigt die Anordnung der Ausrüstung zur Vorbereitung des DMAPAAQ+FeOOH Gels. Da unsere Vorbereitungsmethode einzigartig ist, wird diese Zahl Forschern helfen, unser Setup zu replizieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Verknüpfen der Kontaktzeit mit der Adsorptionsmenge zwischen dem DMAPAAQ+FeOOH-Gel und der Arsenlösung. Diese Zahl wurde von Chemosphere [217, 808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 geändert und zeigt den Zusammenhang zwischen der Adsorptionsmenge von Arsen durch das DMAPAAQ+FeOOH Gel und der Kontaktzeit. Darüber hinaus veranschaulicht es die Zeit, die das Gel benötigt, um sein Adsorptionsgleichgewicht zu erreichen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Arsenadsorptionsreaktionskinetik des DMAPAAQ+FeOOH Gels. a) Pseudo-Erstbestellung. b) Pseudo zweiter Ordnung. Diese Zahl wurde ab Chemosphere [217, 808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 geändert und zeigt die Eignung des kinetischen Modells zum DMAPAAQ+FeOOH Gel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: pH-Empfindlichkeitsanalyse des DMAPAAQ+FeOOH Gels. Diese Zahl wurde von Chemosphere übernommen [217, 808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 und zeigt die Ergebnisse der pH-Empfindlichkeitsanalyse des DMAPAAQ+FeOOH Gels in Arsenlösungen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5: Adsorptionsleistung des DMAPAAQ+FeOOH Gels. Diese Zahl wurde von Chemosphere [217, 808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 geändert und zeigt die Arsenadsorptionsmenge des DMAPAAQ+FeOOH Gels bei verschiedenen Arsenkonzentrationen und mit dem Langmuir-Isotherm-Modell. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6: Selektivitätsanalyse des DMAPAAQ+FeOOH Gels. Diese Zahl wurde aus Chemosphere [217, 808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 geändert und zeigt die Arsenadsorptionsselektivität des DMAPAAQ+FeOOH Gels in Gegenwart unterschiedlicher Konzentrationen sulfationen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 7
Abbildung 7: Regenerationsanalyse des DMAPAAQ+FeOOH Gels. Diese Zahl wurde von Chemosphere übernommen [217, 808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15. Die Wiederverwendbarkeit des DMAPAAQ+FeOOH Gels wurde acht Tage lang mit Arsenlösungen zur Adsorption und NaCl für Desorptionsprozesse untersucht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Discussion

Die Wichtigste Weiterentwicklung unserer entwickelten Methode ist die einzigartige Designstrategie des Gel-Composites. Der Zweck unserer Gelaufbereitungsmethode war es, den Eisengehalt im Gel zu maximieren. Während der Vorbereitung haben wir FeCl3 und NaOH der "Initiatorlösung" bzw. der "Monomerlösung" hinzugefügt. Nachdem die Monomerlösung mit der Initiatorlösung vermischt wurde, gab es eine Reaktion zwischen FeCl3 und NaOH, die FeOOH im Gel produzierte. Dieses Phänomen sorgte für einen maximalen Eisengehalt im Gel-Verbundwerkstoff. Trotz der Vorteile dieser Methode bildet sich das Gel nicht unter den folgenden Bedingungen: 1) Wenn die Lösungen nicht gründlich gemischt werden; 2) Wenn die Menge von FeCl3 700 mol/m3 überschreitet oder der Initiator, APS, und der Beschleuniger, Natriumsulfit, niedriger sind.

Wenn sich das Gel nicht bildet, fügen Sie den Initiator und den Beschleuniger schrittweise hinzu und mischen Sie die Lösung gründlich. Wenn die Menge an Initiator und Beschleuniger zu hoch ist, unterscheidet sich die Polymerstruktur des Gels, und die gewünschte Leistung kann nicht erreicht werden. Wenn das Gel beginnt zu bilden, stoppen Sie das Mischen, um eine Verzerrung des Gels zu vermeiden.

Frühere Studien haben eine ineffektive Adsorption von Arsen bei neutralem pH-Wert gemeldet. Daher war das pH-Empfindlichkeitsexperiment in der vorliegenden Arbeit wichtig, um die praktische Anwendbarkeit des entwickelten Gels zu zeigen. Unsere Studien zeigen, dass das Gel Arsen effektiv adsorbierte und durch NaCl bei neutralem pH-Wert regeneriert wurde. Obwohl die Adsorptionsmenge an Arsen bei sauren pH-Werten hoch und bei grundlegenden pH-Werten niedrig war, war die Adsorption bei neutralen pH-Werten wirksam (Abbildung 4). Um das Adsorptionsverhalten unter realen Bedingungen zu bewerten, führten wir andere Experimente auf neutralem pH-Wert durch.

Die Beziehung zwischen den Kontaktzeiten der Gel-Arsen-Lösung und der Arsenadsorptionsmenge wurde untersucht. Das DMAPAAQ+FeOOH-Gel erreichte ein Adsorptionsgleichgewicht bei 10 h (Abbildung 2). Zusätzlich untersuchten wir die Adsorptionsrate des DMAPAAQ+FeOOH Gels mit den beiden kinetischen Modellen Pseudo First Order und Pseudo Second Order (Abbildung 3a,b). Die Korrelationskoeffizienten (R2) bezeichneten die Ähnlichkeit zwischen den experimentellen und den berechneten Werten. Wir fanden heraus, dass der R2-Wert für die Pseudo-Reaktionskinetik zweiter Ordnung höher war. Dieser Befund legt nahe, dass die Adsorption zwischen der Arsenlösung und dem DMAPAAQ+FeOOH Gel ein Chemisorptionsprozess ist19.

Wir haben die Adsorptionsleistungsanalysen auf neutralem pH-Niveau durchgeführt. 20 mg Trockenegel wurde in die Arsenlösung für 24 h bei unterschiedlichen Konzentrationen von As(V) eingetaucht. Abbildung 5 zeigt die Vom DMAPAAQ+FeOOH-Gel adsorbierten Arsenmengen. Diese Ergebnisse stimmten mit dem Langmuir-Isothermmodell der Adsorption überein. Die maximale Adsorptionsmenge durch das Gel erreichte 1,63 mM/g (Abbildung 5). Bemerkenswert ist, dass das entwickelte Gel zuvor gemeldete Adsorbentien übertraf, die bei neutralem pH-Wert untersucht wurden. Wir rationalisieren diese Beobachtung durch die einzigartige Struktur des Gels, die eine gleichzeitige Arsenadsorption sowohl durch die DMAPAAQ- als auch die FeOOH-Einheiten ermöglicht. Wir fanden heraus, dass 35,5% des Arsens von der Aminogruppe des DMAPAAQ+FeOOH-Komposit adsorbiert wurde und 64,4% arsens durch FeOOH-Partikel15adsorbiert wurde. Stellen Sie während des Adsorptionsvorgangs sicher, dass das Gel vollständig in die Arsenlösung eingetaucht ist. Die hohe Arsenadsorption durch das aktuelle Gel gegenüber konventionellen und kürzlich untersuchten Materialien zeigt seinen vielversprechenden Nutzen als hocheffizientes Adsorbens.

Selektivität ist eine wichtige Eigenschaft eines Adsorbentien, daes viele konkurrierende Ionen im Wasser gibt, einschließlich Cl , HS,SO32 ,SO42 ,H2CO3, HCO 3 , HCO3,und CO 3 2€ 20. Die Hofmeister-Serie legt nahe, dass das Sulfat-Ion (SO42-)die Kohlenwasserstoffverpackung stören und in den Kopfgruppenbereich der Monoschicht eines Adsorbentions21eindringen kann. Die Konzentration von Sulfat im Grundwasser wurde auf bis zu 230 mg/L22festgelegt. Wenn das entwickelte Gel daher Arsen selektiv mit Sulfat als konkurrierendes Ion adsorbieren kann, kann es zur Behandlung von Umgebungsgrundwasser geeignet sein. So wurden Selektivitätsanalysen mit Sulfationen durchgeführt und zeigten, dass das DMAPAAQ+FeOOH-Gel Arsen effektiv bei hohen Sulfatkonzentrationen adsorbierte (Abbildung 6). Da die Adsorptionsmenge an Arsen in Abwesenheit oder Vorhandensein von Sulfationen ähnlich war, kann das Gel im Grundwasser genauso effektiv funktionieren wie im Labor.

Regeneration ist ein wichtiges Merkmal jedes praktischen Adsorbierens, da es Kosteneinsparungen, Umweltfreundlichkeit und Benutzerfreundlichkeit sicherstellt23. Das entwickelte Gel wurde acht aufeinanderfolgenden Experimentiertagen erfolgreich regeneriert (Abbildung 7). Darüber hinaus wurde eine Regenerationseffizienz von 87,6 % erreicht, wenn das gleiche Gel für alle acht Adsorptions-Desorptionszyklen verwendet wurde. Eines der wichtigsten Ergebnisse unserer Forschung war der Einsatz von NaCl im Desorptionsprozess. Während NaOH konventionell zur Desorption verwendet wird, kann es schädlich für die menschliche Gesundheit sein. Daher haben wir NaOH in unseren Studien durch NaCl ersetzt, über die zuvor nicht berichtet worden war.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Diese Forschung wurde von der JSPS KAKENHI Grant Number (26420764, JP17K06892) unterstützt. Der Beitrag des Ministeriums für Land, Infrastruktur, Verkehr und Tourismus (MLIT), Regierung von Japan im Rahmen des "Bautechnologie-Forschungs- und Entwicklungsförderprogramms" zu dieser Forschung wird ebenfalls anerkannt.  Wir würdigen auch den Beitrag von Herrn Kiyotaka Senmoto zu dieser Forschung. Frau Adele Pitkeathly, Senior Writing Advisor Fellow vom Writing Center der Hiroshima University, ist ebenfalls für englische Korrekturen und Vorschläge bekannt. Diese Forschung wurde für die mündliche Präsentation in der 7. IWA-Aspire Konferenz, 2017 und Wasser- und UmwelttechnologieKonferenz, 2018 ausgewählt.

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

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References

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Umweltwissenschaften Ausgabe 148 Polymer Gel Hydrogel Verbundwerkstoff Arsen Wasser Behandlung Adsorption giftig Metall Eisen Hydroxid
Entfernung von Arsen mit einem kationischen Polymergel imprägniert mit Eisenhydroxid
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Safi, S. R., Gotoh, T., Iizawa, T., Nakai, S. Removal of Arsenic Using a Cationic Polymer Gel Impregnated with Iron Hydroxide. J. Vis. Exp. (148), e59728, doi:10.3791/59728 (2019).

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