Summary
탄소 나노튜브와 티타네이트 나노와이어로 구성된 이중 기능적 전기 활성 필터의 합리적 설계를 위한 프로토콜이 보고되고 Sb(III) 산화 및 격리를 향한 환경 응용이 제시된다.
Abstract
티타네이트 나노와이어와 탄소 나노튜브의 두 가지 1-D 물질로 구성된 이중 기능성 전기화학 필터를 합성하는 실용적인 방법을 설계했습니다. 하이브리드 티타네이트-CNT 필터는 여과 후 경로와 결합된 초음파 처리에 의해 제조되었다. 노출 된 흡착 부위의 증가 된 수의 시너지 효과로 인해, 전기 화학 적 반응성, 타이타네이트 - CNT 네트워크의 작은 기공 크기는 흐름을 통해 설계와 결합, 동시 Sb (III) 산화 및 격리가 쉽게 할 수 있습니다 달성. 원자형광 분광계 기술은 적용된 전기장이 Sb(III) 전환율을 가속화하고, 획득된 Sb(V)가 Sb 특이성으로 인해 티타네이트 나노와이어에 의해 효과적으로 흡착되었다는 것을 입증하였다. 이 프로토콜은 독성이 높은 Sb(III) 및 기타 유사한 중금속 이온을 제거하기 위한 실용적인 솔루션을 제공합니다.
Introduction
최근, 신흥 안티몬(Sb)에 의한 환경오염이 많은 관심을 받고 있다1,2. 광범위한 연구는 Sb 화합물이 환경3,4에서낮은 농도로 존재하지만, 인간과 미생물에 높은 독성을 포즈 것을 보여줍니다. 더 나쁜 것은, 종래의 물리화학적 또는 생물학적 방법은 일반적으로 그들의 낮은 농도 및 높은 독성으로 인해 이러한 새로운 오염 물질을 제거하는 데 효과적이지않다 5. Sb의 가장 풍부한 종은 Sb (V) 및 Sb (III), 후자의 형태는 더 독성.
현재 이용 가능한 치료 방법 중, 흡착은 높은 효율, 저렴한 비용 및단순성6,7로인해 유망하고 실현 가능한 대안으로 여겨진다. 지금까지, 조정 가능한 미세 구조, 큰 비표면적 및 Sb 특이성을 가진 몇몇 나노 규모 sorbents는 TiO28,MnO29,타이타네이트10,제로 발렌트 철11,철 산화물 및 기타 이진 금속 산화물12,13과같은 개발되었다. 나노 스케일 흡착제 처리 시 일반적인 문제는 작은 입자 크기로 인한 분리 후 문제입니다. 이 문제를 해결하기 위한 한 가지 전략은 이러한 나노 흡착제들을 매크로/마이크로 스케일 지원14에로드하는 것입니다. 흡착 기술의 광범위한 적용을 제한하는 또 다른 도전적인 문제는 표적화합물/분자(15)의제한된 농도로 인한 열악한 대중 수송이다. 이 문제는 멤브레인 설계및 협약을 채택하여 부분적으로 해결될 수 있으며 대중 수송을 크게 향상시킬 수 있다. 최근 효과적인 Sb (III) 제거를 위해 단일 단위로 흡착과 산화를 결합하는 고급 치료 시스템을 개발하는 데 전념하고 있습니다. 여기서, 우리는 전기 활성 티타네이트 탄소 나노튜브 (titanate-CNT) 필터가 독성 Sb (III)의 동시에 흡착 및 격리를 합리적으로 설계하고 적용한 방법을 보여줍니다. 타이타네이트 로딩량, 인가 전압 및 유량을 미세 조정하여 Sb(III) 산화 속도 및 격리 효율을 그에 따라 맞춤화하는 방법을 보여줍니다. 이 프로토콜에 전기 활성 필터의 제조 및 적용이 도시되어 있지만 유사한 설계는 다른 중금속 이온의 처리에도 적용될 수 있습니다.
제조 공정 및 시약의 사소한 변화는 최종 시스템의 형태및 성능에 중대한 변화를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 수열 시간, 온도 및 화학적 순도는 이러한 나노 스케일 흡착제의 미세 구조에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 흡착 용액의 유량은 또한 유동계 시스템 내의 체류 시간뿐만 아니라 표적 화합물의 제거 효율을 결정한다. 이러한 주요 영향 매개 변수를 명확하게 식별하여 재현 가능한 합성 프로토콜을 확보하고 Sb(III)의 안정적인 제거 효율을 달성할 수 있습니다. 이 프로토콜은 이중 기능 하이브리드 필터의 제조에 대한 자세한 경험과 유동을 통해 독성 중금속 이온을 제거하는 데 사용되는 응용 분야에 대한 자세한 경험을 제공하는 것을 목표로합니다.
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Protocol
주의: 모든 화학물질의 관련 안전 데이터 시트(SDS)를 주의 깊게 읽고 사용하기 전에 적절한 개인 보호 장비(PPE)를 착용하십시오. 화학 물질의 일부는 독성및 자극성. 피부에 흡입하거나 접촉할 경우 추가적인 위험이 있을 수 있는 탄소 나노튜브를 취급할 때 주의하십시오.
1. 전기 활성 티타네이트 - CNT 필터의 제조
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티타네이트 나노와이어의 제조16
- 격렬한 교반하에 탈이온수 100 mL에 수산화 칼륨 (KOH) 56g을 용해시.
- 이산화 티타늄 (TiO2)분말 3 g을 용해 된 KOH 용액에 넣습니다.
- 위의 용액을 테프론 라이닝 반응기로 옮기고 24 시간 동안 200 °C에서 유지하십시오.
- 얻어진 백색 침전물을 0.1 몰/L 염산(HCl)으로 세척하고 중성 유출물 pH가 얻어질 때까지 탈이온수를 세척한다. 60 °C에서 밤새 진공 에서 제품을 건조.
- 제품을 튜브 용광로로 옮기고 경사로 속도가 1 °C / 분으로 2 시간 동안 600 °C로 가열하십시오.
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티타네이트-CNT 필터 의 제조17
- 20 mg의 탄소 나노튜브(CNT)를 n-메틸 피롤리돈(NMP)의 40 mL에 넣습니다. 균일 한 용액을 얻기 위해 40 분 동안 프로브 - 초음파 처리.
- 별도로, 20 mg의 티타네이트 나노 와이어를 NMP 의 20 mL에 첨가하십시오. 20 분 동안 프로브 초음파 처리를 수행합니다.
- 티타네이트 분산 액을 CNT 분산 액과 혼합합니다. 혼합 액을 PTFE 멤브레인에 걸립하여 티타네이트-CNT 필터를 지지합니다.
- 100 mL의 에탄올과 200 mL의 탈이온수로 순차적으로 헹구어 보시고 있습니다.
참고 : CNT 단독 필터는 티타네이트 나노 와이어를 첨가하지 않고 유사한 경로로 제조 될 수있다.
2. Sb (III)의 전기 화학 여과
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실험 장치18에 대한 설명
- 전기화학 수정 폴리카보네이트 여과 케이싱에서 흡착 실험을 수행합니다(그림 1참조).
- DC 전원 공급 장치를 사용하여 전기 화학을 구동합니다.
- 천체 티타늄 링을 아노딕 또는 음극 필터용 커넥터로 채택합니다.
- 절연 실리콘 고무를 분리기 및 씰로 사용하십시오.
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여과 실험
- C8H4K2O12Sb2.3H2O를 탈이온수 1000 mL에 2.2 mg을 추가하여 800 μg/L Sb(III) 용액을 준비합니다.
- 100 mL의 Sb(III) 용액을 150mL 비커로 전송합니다. 용액 pH를 7로 조정합니다.
- 제조된 티타네이트-CNT 필터 양극을 폴리카보네이트 여과 케이싱에 넣고 또 다른 CNT 단독 필터를 음극으로 놓습니다. 케이스를 밀봉합니다.
- 주어진 흐름에서 Sb(III) 용액으로 여과 시스템을 통과합니다. 여과 중에 DC 전압을 가합니다.
- 원자형광분광기기법 17로Sb합계 및 Sb(III) 농도를 결정한다.
참고: 이 공정에서 유량과 인가 전압은 연동 펌프와 DC 전원 공급 장치에 의해 각각 튜닝될 수 있습니다.
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Representative Results
채택된 전기활성 여과 장치는 전기화학적으로 변형된 폴리카보네이트 여과 케이싱(도1)이다. 현장 방출 주사 전자 현미경(FESEM) 및 투과 전자 현미경(TEM) 기술은 티타네이트-CNT 필터의 형태를 특성화하기 위해 사용된다(도2). 전기화학적 여과 시스템의 효능을 입증하기 위해, 시간의 함수로서 Sb총 및 Sb 원자 상태의 변화가 결정된다(도3).
티타네이트-CNT 필터의 FESEM 이미지는 거친 표면을 제안합니다. TEM 특성화는 이러한 CNT가 티타네이트 나노와이어와 얽혀 있음을 시사한다. 이것은 우리가 성공적으로 티타네이트 - CNT 하이브리드 물질을 합성 한 것을 시사한다(그림 2).
2V에서의 시간 함수로서 Sb합계 및 Sb 원자상태의 변화를 조사한다(도3). 결과는 Sb(V) 농도가 초기 0.5시간 내에 급격히 상승하고 완전한 Sb(III) 변환이 재순환 모드에서 1시간 연속 여과를 통해 관찰되는 것을 시사한다. 이는 Sb(III) 산화가 초기 단계에서의 주요 반응 과정임을 나타내며, 그 후 Sb(V)는 적재된 티타네이트 나노와이어에 의해 효과적으로 흡착될 수 있다. 또한, Sb 흡착 역학 및 용량은 향상된 정전기 상호 작용 및 전기 이동에 의한 표면 수송 에 의한 인가 전압으로 증가했습니다.
그림 1: 전기 활성 여과 장치. (1) 아노딕 필터에 대한 아노딕 티타늄 링 커넥터는, (2) 티타네이트-CNT 아노딕 필터, (3) 절연 씰, (4) 음극 CNT 필터, 및 (5) 음극 필터에 티타늄 링 커넥터이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 2: (A) 페스템 및 (B) 티타네이트-CNT 필터의 TEM 특성화. 이 그림은 참조 19에서 수정되었습니다. 저작권 2019 엘스비어. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 시간의 함수로서 Sb 종의 변화. 실험 조건. E = 2V, [Sb(III)]0 = 800 μg/L, 유량 = 3 mL/min, pH0 = 7 및 1 mMNa2 SO4 전해질19. 이 그림은 참조 19에서 수정되었습니다. 저작권 2019 엘스비어. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
이 기술의 핵심은 높은 Sb 특이성을 가진 전기 활성 전도성 및 다공성 하이브리드 필터를 제작하는 것입니다. 이렇게하려면 제작 과정에 특별한주의를 기울여야합니다. 티타네이트 나노와이어의 양은 필터의 전기 전도도와 표면적 간의 "절충" 효과로 인해 정밀하게 제어되어야 합니다.
또한 적절한 인가 전압이 필요하다는 점에 유의해야합니다. 인가 된 전압이 너무 높으면 (예를 들어, >3 V), 물 분할과 같은 다른 경쟁 반응은 전극 표면에서 많은 기포 (양극에서 O2 및 음극에서 H2)의 생산으로 이어질 수 있으며, 이는 활성 부위를 차단할 수 있으며, 따라서 Sb (III) 제거 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
필터 표면에 Sb 종의 축적이 불가피하기 때문에 장기적으로 시스템의 안정성은 또 다른 관심사입니다. 이를 위해서는 활성 표면 부위(특히 화학 세척)를 재생하기 위해 필터를 주기적으로 세척해야 합니다.
한편, 이 전기 활성 티탄-CNT 필터의 비용은 여전히 고려되어야 합니다. 지난 수십 년 동안 생산 기술의 발전으로 인해 CNT의 가격이 크게 감소했지만, 그 가격은 여전히 널리 사용되는 활성탄 및 기타 탄소 재료보다 훨씬 높습니다.
또한, 현재 의 실험 결과는 주로 실험실 규모의 전기 화학 여과 장치에서 얻어진다는 점에 주목할 만하다. 실용적인 대규모 환경 응용을 가능하게 하기 위해 장치를 더욱 확장하는 것이 후속 연구의 초점이 될 것입니다.
우리는 동시 Sb (III) 흡착 및 격리를위한 연속 흐름 여과 시스템을 개발했습니다. 이 기술의 핵심은 전기 화학 반응성, 작은 기공 크기, 쉽게 사용할 수있는 활성 부위 및 높은 Sb 특이성을 갖춘 전기 활성 티탄 - CNT 필터입니다. 이 연구는 Sb 및 기타 유사한 중금속 이온의 오염 제거를 향한 유동 시스템의 합리적인 설계에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다.
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Disclosures
우리는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 작품은 중국 상하이 자연과학 재단(18ZR1401000), 상하이 푸장 프로그램(18PJ1400400), 중국 국가 핵심 연구 개발 프로그램(2018YFF0215703호)의 지원을 받았습니다.
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
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