Summary
يتم الإبلاغ عن بروتوكول للتصميم العقلاني لفلتر كهربي مزدوج الوظائف يتكون من الأنابيب النانويه الكربونية وأسلاك النانو التيتياتيه ويتم تقديم تطبيقاتها البيئية نحو الاكسده والعزل Sb (III).
Abstract
لقد قمنا بتصميم طريقه سهل لتوليف فلتر الكهروكيميائية مزدوجة الوظائف التي تتكون من اثنين من المواد 1-D: أسلاك النانو وتيتيناتي والأنابيب النانويه الكربونية. وقد أعدت الهجين تينيت-المركز الخاص تصفيه بواسطة سونيكيشن إلى جانب الطريق بعد الترشيح. نظرا للآثار المتازره للعدد المتزايد من المواقع الماصة المكشوفة ، والتفاعلات الكهروكيميائية ، وحجم المسام الصغيرة للشبكة التيتيناتي-الشبكة الخاصة إلى جانب التدفق من خلال تصميم ، متزامنة Sb (III) الاكسده وتنحيه يمكن بسهوله تحقيق. وقد أظهرت تكنولوجيا مطياف الذرة الذرية ان المجال الكهربائي التطبيقي يسرع معدل التحويل Sb (III) وان الحصول علي Sb (V) تم امتصاصه بشكل فعال من خلال أسلاك النانو التيتياتيه بسبب خصوصية Sb. هذا البروتوكول يوفر حلا عمليا لأزاله السمية العالية Sb (III) وغيرها من أيونات المعادن الثقيلة مماثله.
Introduction
وفي الاونه الاخيره ، اجتذب التلوث البيئي الناجم عن الإثمد الناشئ (Sb) الكثير من الاهتمام1،2. وتبين الدراسات المستفيضة ان مركبات Sb تشكل سميه عاليه للإنسان والكائنات المجهرية ، علي الرغم من وجودها في تركيزات منخفضه في البيئة3،4. والاسوا من ذلك ، ان الأساليب الفيزيائية الكيميائية التقليدية أو البيولوجية عاده ما تكون غير فعاله لأزاله هذه الملوثات الناشئة بسبب تركيزاتها المنخفضة وسميتها العالية5. الأنواع الأكثر وفره من Sb هي Sb (V) و Sb (III) ، والتي يكون الشكل الأخير أكثر سميه.
من بين أساليب العلاج المتاحة حاليا ، ويعتقد ان الامتزاز هو بديل واعده وممكنة بسبب كفاءتها العالية ، وانخفاض التكلفة ، والبساطة6،7. حتى الآن ، وقد وضعت العديد من المواد الماصة النانو مع الهياكل المجهرية انضباطي ، مساحة كبيره محدده وخصوصية Sb ، مثل تيو28، مونو29، تيتاناتي10، الحديد zerovalent11، أكاسيد الحديد وأكاسيد معدنيه ثنائيه أخرى12،13. مشكله مشتركه عند التعامل مع الممتزات النانو هي قضية ما بعد الانفصال بسبب حجم الجسيمات الصغيرة. واحده استراتيجية ان يعالج هذا مشكله ان يحمل هذا [نانو-سوبننتس] علي كليه/[ميكرو-سكل] دعامات14. ومن المسائل الأخرى التي تحد من التطبيق الواسع لتكنولوجيا الامتزاز النقل الجماعي الرديء الناجم عن التركيز المحدود للمركبات/الجزيئات المستهدفة15. ويمكن معالجه هذه المسالة جزئيا عن طريق اعتماد تصميم الغشاء والاتفاقية يمكن ان تعزز النقل الجماعي بشكل كبير. وقد كرست الجهود الاخيره لتطوير نظم المعالجة المتقدمة التي تجمع بين الامتزاز والاكسده في وحده واحده لأزاله Sb (III) فعاله. هنا ، نعرض كيف تم تصميم فلتر الأنابيب الدقيقة الكهربية التي تعمل بالكهرباء والكربون (التيتيناتي-الآي) بعقلانيه وتطبيقه لامتصاص وتنحيه المواد السامة Sb (III) في نفس الوقت. من خلال صقل كميه التحميل التيتينات ، والجهد المطبق ، ومعدل التدفق ، فاننا نثبت كيف يمكن تكييف معدل الاكسده Sb (III) وكفاءه العزل وفقا لذلك. علي الرغم من ان تلفيق وتطبيق فلتر الكترواكتيف هو مبين في هذا البروتوكول ، يمكن أيضا تطبيق تصاميم مماثله لعلاج أيونات المعادن الثقيلة الأخرى.
قد تؤدي التغييرات الطفيفة في عمليه التصنيع والكاشفات إلى تغييرات كبيره في شكل وأداء النظام النهائي. فعلي سبيل المثال ، تبين ان الوقت الحراري المائي ، ودرجه الحرارة ، ونقاء المواد الكيميائية تؤثر علي الهياكل المجهرية لهذه الممتزات النانو. ويحدد معدل التدفق لمحلول الممتبات أيضا وقت الاقامه داخل نظام التدفق وكذلك كفاءه أزاله المركبات المستهدفة. مع التحديد الواضح لهذه المعلمات المؤثرة الرئيسية ، يمكن تامين بروتوكول توليف قابل للنسخ ويمكن تحقيق كفاءه أزاله ثابته من Sb (III). يهدف هذا البروتوكول إلى توفير خبره مفصله حول تصنيع الفلاتر الهجينة مزدوجة الوظائف وكذلك تطبيقاتها نحو أزاله أيونات المعادن الثقيلة السامة بطريقه التدفق.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تحذير: يرجى قراءه أوراق بيانات السلامة ذات الصلة (SDS) لجميع المواد الكيميائية بعناية وارتداء معدات الحماية الشخصية المناسبة قبل الاستخدام. بعض المواد الكيميائية السامة ومهيجه. كن حذرا عند التعامل مع الأنابيب النانويه الكربونية ، والتي قد تكون لها مخاطر اضافيه في حاله استنشاقها أو الاتصال بها من قبل الجلد.
1. اعداد الفلتر الكهربائي
-
اعداد أسلاك النانو تينيت16
- ذوب 56 غ من هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) في 100 مل من الماء منزوع الأيونات تحت التحريك القوي.
- أضف 3 غرام من مسحوق ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) إلى محلول كوة المذاب.
- نقل الحل أعلاه إلى مفاعل مبطن تفلون والاحتفاظ بها في 200 درجه مئوية ل 24 ساعة.
- اغسل الترسبات البيضاء التي تم الحصول عليها باستخدام حمض الهيدروكلوريك 0.1 mol/L (HCl) والماء منزوع الأيونات حتى يتم الحصول علي درجه الحموضة السائلة المحايدة. تجفيف المنتج تحت فراغ في 60 درجه مئوية بين عشيه وضحيها.
- نقل المنتجات إلى فرن أنبوب وتسخينه إلى 600 درجه مئوية ل 2 ح مع معدل المنحدر من 1 درجه مئوية/دقيقه.
-
اعداد الفلتر التيتيناتي-الآي بي17
- أضافه 20 ملغ من الأنابيب النانويه الكربونية (CNTs) إلى 40 مل من n-ميثيل بيروليتم (NMP). مسبار-سونيكيشن ل 40 دقيقه للحصول علي حل متجانس.
- بشكل منفصل ، أضافه 20 ملغ من الأسلاك النانو المصنوعة في 20 مل من NMP. أداء المسبار صوتنه لمده 20 دقيقه.
- اخلط محلول التشتت التيتينيت مع محلول تشتت المزود الآي بي. تصفيه محلول الخليط علي غشاء PTFE ، والذي يعمل كدعم للمرشح تيتايتي-المدار المفتوح.
- شطف بالتتابع مع 100 مل من الايثانول و 200 مل من الماء منزوع الأيونات.
ملاحظه: يمكن اعداد عامل تصفيه الوحدة المستقلة للاستشعار عن طريق مسار مماثل دون أضافه أسلاك النانو تينيت.
2. الكهروكيميائية الترشيح Sb (III)
-
الوصف علي الجهاز التجريبي18
- اجراء تجارب الامتصاص في غلاف ترشيح البولي كربونات المعدل بالكيمياء الكهربائية (انظر الشكل 1).
- استخدام إمدادات الطاقة DC لدفع الكيمياء الكهربائية.
- اعتماد مثقب التيتانيوم حلقه كموصل للمرشحات انوديك أو كاثودي.
- استخدام مطاط السيليكون العازلة كفاصل وختم.
-
تجارب الترشيح
- أضافه 2.2 ملغ من C8h4K2o12Sb2. 3h2o في 1000 mL من الماء منزوع الأيونات لاعداد 800 ميكروغرام/لتر Sb (III) الحل.
- نقل 100 mL من الحل Sb (III) إلى كوب 150 mL. ضبط الحل pH إلى 7.
- ضع الآنود الخاص بفلتر التيتيناتي-المركز الذي تم اعداده في غلاف الترشيح البولي وضع فلترا آخر مستقلا ككاثود. اغلق الغلاف
- تمر من خلال نظام الترشيح مع Sb (III) حل في تدفق معين. تطبيق الجهد DC اثناء الترشيح.
- تحديدالمجموع Sb و SB (III) تركيز مع تقنيه مطياف الذرية الفلورية17.
ملاحظه: في هذه العملية ، يمكن ضبط معدل التدفق والجهد التطبيقي بواسطة مضخة التمعجيه ومصدر طاقة DC ، علي التوالي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
جهاز الترشيح الكهربائي المستخدم هو غلاف الترشيح البولي الكهربي المعدل (الشكل 1). وتستخدم تقنيات المجهر الكتروني لمسح الانبعاثات في الميدان وتقنيات المجهر الكتروني للإرسال لتوصيف شكل الفلتر التيتيناتي-الاستشعار عن بعد (الشكل 2). لإثبات فعاليه نظام الترشيح الكهروكيميائية ، يتم تحديد التغيير من Sbالمجموع و sb التكافؤ الدولة كداله للوقت (الشكل 3).
وتشير صور الفلتر الخاص بالجهاز إلى سطح خشن. ويشير توصيف تيم إلى ان هذه الخيوط متشابكة مع أسلاك النانو التيتينات. وهذا يوحي بأننا نجحنا في توليف المواد الهجينة التيتيناتي-الآي بي (الشكل 2).
ويتم فحص التغيير فيالمجموع sb وحاله التكافؤ sb كداله للوقت في 2 V (الشكل 3). وتشير النتائج إلى ان تركيز Sb (V) يرتفع بشكل حاد داخل الاولي 0.5 h والتحويل الكامل Sb (III) لوحظ أكثر من 1 ح الترشيح المستمر في وضع أعاده التدوير. وهذا يشير إلى ان الاكسده Sb (III) هي عمليه التفاعل الرئيسية في المرحلة الاوليه ، ثم Sb (V) يمكن كثفت بشكل فعال من قبل الأسلاك النانويه المحملة تينيت. وعلاوة علي ذلك ، زادت كل من حركيه وقدرات Sb الماصة مع الجهد التطبيقي بسبب التفاعلات الكهروستاتيكية المعززة وقرب النقل السطحي بواسطة الكتروجريشن.
الشكل 1: جهاز الترشيح الكترواكتيف. (1) هو الموصل انوديك التيتانيوم حلقه إلى فلتر انوديك ، (2) هو فلتر تانديك الدائرة الانتقالية ، (3) هو ختم العازلة ، (4) هو مرشح الدائرة الخاصة بالشبكة الانتقالية ، و (5) هو موصل حلقه التيتانيوم إلى فلتر كاثودي. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: (ا) FEM و (B) توصيفات الفلتر وقد تم تعديل هذا الرقم من المرجع 19. حقوق الطبع والنشر 2019 السيفير. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: التغيرات في أنواع Sb كداله للوقت. الظروف التجريبية. ه = 2 فولت ، [Sb (III)]0 = 800 ميكروغرام/لتر ، معدل التدفق = 3 مل/دقيقه ، pH0 = 7 و 1 مم Na2حتى4 المنحل بالكهرباء19. وقد تم تعديل هذا الرقم من المرجع 19. حقوق الطبع والنشر 2019 السيفير. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
المفتاح لهذه التكنولوجيا هو افتعال فلتر هجين موصل بالكهرباء ومساميه مع عاليه Sb الخصوصية. وللقيام بذلك ، ينبغي إيلاء عناية خاصه لعمليه التصنيع. يجب ان يتم التحكم بدقه في كميه أسلاك النانو التيتينات بسبب تاثير "المقايضة" بين التوصيل الكهربي للمرشح ومساحته السطحية.
الاضافه إلى ذلك ، تجدر الاشاره أيضا إلى ان الجهد المناسب المطبق ضروري. مره واحده في الجهد التطبيقي عاليه جدا (علي سبيل المثال ، > 3 V) ، وردود الفعل التنافسية الأخرى ، مثل تقسيم المياه ، قد يؤدي إلى إنتاج الكثير من فقاعات (O2 في الآنود و H2 في الكاثود) علي سطح القطب ، والتي قد تسد المواقع النشطة ، التالي ،
استقرار النظام علي المدى الطويل هو مساله أخرى تثير القلق ، لان تراكم Sb-الأنواع علي سطح الفلتر أمر لا مفر منه. وهذا يتطلب غسل دوري للمرشح لتجديد المواقع السطحية النشطة (وخاصه الغسيل الكيميائي).
وفي الوقت نفسه ، فان تكلفه هذا الفلتر الكهربي التيتينيت-الذي لا يزال بحاجه إلى النظر. علي الرغم من ان سعر CNTs قد انخفض بشكل كبير بسبب التقدم في تكنولوجيا الإنتاج في العقود الماضية ، وأسعارها لا تزال اعلي بكثير من الكربون المنشط وغيرها من المواد الكربونية التي تستخدم علي نطاق واسع.
وعلاوة علي ذلك ، تجدر الاشاره إلى ان النتائج التجريبية الحالية يتم الحصول عليها أساسا من جهاز الترشيح الكهروكيميائية علي نطاق المختبر. ستركز دراستنا اللاحقة علي زيادة توسيع الجهاز لتمكين التطبيقات البيئية العملية الواسعة النطاق.
وقد وضعنا نظام الترشيح تدفق مستمر لمتزامنة Sb (III) الامتزاز وتنحيه. المفتاح لهذه التكنولوجيا هو فلتر تينيت-الخاص بالكهرباء والذي يتميز بالتفاعل الكهروكيميائي ، وحجم المسام الصغير ، والمواقع النشطة المتاحة بسهوله ، وخصوصية Sb العالية. وتوفر هذه الدراسة رؤى جديده للتصميم العقلاني للنظم المتدفقة نحو تطهير Sb وغيرها من أيونات المعادن الثقيلة المماثلة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدينا ما نكشف عنه
Acknowledgments
وقد دعم هذا العمل مؤسسه العلوم الطبيعية في شانغهاي ، والصين (No. 18ZR1401000) ، وبرنامج شانغهاي بوجيانغ (No. 18PJ1400400) ، والبرنامج الوطني الرئيسي للبحث والتطوير في الصين (رقم 2018YFF0215703).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Atomic fluorescence spectrometer | Ruili Co., Ltd | ||
| Carbon nanotubes (CNT) | TimesNano Co., Ltd | ||
| DC power supply | Dahua Co., Ltd | ||
| Ethanol, 96% | Sinopharm | ||
| Hydrochloric acid, 36% | Sinopharm | Corrosive | |
| L-antimony potassium tartrate | Sigma-Aldrich | Highly toxic | |
| N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), 99.5% | Sinopharm | Highly toxic | |
| Potassium hydroxide, 85% | Sinopharm | Corrosive | |
| Peristaltic pump | Ismatec Co., Ltd | ||
| Titanium dioxide powders | Sinopharm |
References
- Sun, W. M., et al. Profiling microbial community in a watershed heavily contaminated by an active antimony (Sb) mine in Southwest China. Science of the Total Environment. 550, 297-308 (2016).
- Herath, I., Vithanage, M., Bundschuh, J. Antimony as a global dilemma: geochemistry, mobility, fate and transport. Environmental Pollution. 223, 545-559 (2017).
- Pan, L. B., et al. Assessments of levels, potential ecological risk, and human health risk of heavy metals in the soils from a typical county in Shanxi Province, China. Environmental Science and Pollution Research. 23, 19330-19340 (2016).
- Huang, S. S., et al. Sulfide-modified zerovalent iron for enhanced antimonite sequestration: characterization, performance, and reaction mechanisms. Chemical Engineering Journal. 338, 539-547 (2018).
- Ungureanu, G., Santos, S., Boaventura, R., Botelho, C. Arsenic and antimony in water and wastewater: Overview of removal techniques with special reference to latest advances in adsorption. Journal of Environmental Management. 151, 326-342 (2015).
- Zou, J. P., et al. Three-dimensional reduced graphene oxide coupled with Mn3O4 for highly efficient removal of Sb(III) and Sb(V) from water. Acs Applied Materials & Interfaces. 8, 18140-18149 (2016).
- Saleh, T. A., Sari, A., Tuzen, M. Effective adsorption of antimony(III) from aqueous solutions by polyamide-graphene composite as a novel adsorbent. Chemical Engineering Journal. 307, 230-238 (2017).
- Yan, Y. Z., An, Q. D., Xiao, Z. Y., Zheng, W., Zhai, S. G. Flexible core-shell/bead-like alginate@PEI with exceptional adsorption capacity, recycling performance toward batch and column sorption of Cr(VI). Chemical Engineering Journal. 313, 475-486 (2017).
- Fu, L., Shozugawa, K., Matsuo, M. Oxidation of antimony (III) in soil by manganese (IV) oxide using X-ray absorption fine structure. Journal of Environmental Sciences. 73, 31-37 (2018).
- Liu, W., et al. Adsorption of Pb2+, Cd2+, Cu2+ and Cr3+ onto titanate nanotubes: competition and effect of inorganic ions. Science of the Total Environment. 456, 171-180 (2013).
- Wu, B., et al. Dynamic study of Cr(VI) removal performance and mechanism from water using multilayer material coated nanoscale zerovalent iron. Environmental Pollution. 240, 717-724 (2018).
- Shan, C., Ma, Z. Y., Tong, M. P. Efficient removal of trace antimony(III) through adsorption by hematite modified magnetic nanoparticles. Journal of Hazardous Materials. 268, 229-236 (2014).
- Luo, J. M., et al. Removal of antimonite (Sb(III)) and antimonate (Sb(V)) from aqueous solution using carbon nanofibers that are decorated with zirconium oxide (ZrO2). Environmental Science & Technology. 49, 11115-11124 (2015).
- Liu, Y. B., et al. Golden carbon nanotube membrane for continuous flow catalysis. Industrial & Engineering Chemistry Research. 56, 2999-3007 (2017).
- Ma, B. W., et al. Enhanced antimony(V) removal using synergistic effects of Fe hydrolytic flocs and ultrafiltration membrane with sludge discharge evaluation. Water Research. 121, 171-177 (2017).
- Yuan, Z. Y., Zhang, X. B., Su, B. L. Moderate hydrothermal synthesis of potassium titanate nanowires. Applied Physics a-Materials Science & Processing. 78, 1063-1066 (2004).
- Liu, Y. B., et al. Electroactive modified carbon nanotube filter for simultaneous detoxification and sequestration of Sb(III). Environmental Science & Technology. 53, 1527-1535 (2019).
- Gao, G., Vecitis, C. D. Electrochemical carbon nanotube filter oxidative performance as a function of surface chemistry. Environmental Science & Technology. 45, 9726-9734 (2011).
- Liu, Y. B., et al. Simultaneous oxidation and sorption of highly toxic Sb(III) using a dual-functional electroactive filter. Environmental Pollution. 251, 72-80 (2019).
