Summary
Een protocol voor het rationele ontwerp van een Dual-functioneel elektroactief filter bestaande uit koolstofnanobuizen en bariumtitanaat nanodraden wordt gerapporteerd en hun milieutoepassingen ten opzichte van SB (III) oxidatie en vastlegging worden gepresenteerd.
Abstract
We hebben een facile methode ontworpen voor het synthetiseren van een Dual-functionele elektrochemische filter bestaande uit twee 1-D materialen: bariumtitanaat nanodraden en koolstof nanobuisjes. Het hybride titanate-CNT-filter werd bereid door een ultrasoonapparaat in combinatie met een post-filtratie route. Vanwege de synergetische effecten van het toegenomen aantal blootgestelde sorptie-sites, kan elektrochemische reactiviteit, kleine poriëngrootte van het titanate-cnt-netwerk in combinatie met een doorstroom ontwerp, gelijktijdige SB (III) oxidatie en vastlegging gemakkelijk worden Bereikt. Atomaire fluorescentie spectrometer technologie toonde aan dat het toegepaste elektrische veld de SB (III) conversieratio versnelt en dat de as-verkregen SB (V) effectief geadsorbeerden werd door de bariumtitanaat nanodraden vanwege hun specifieke SB-specificiteit. Dit protocol biedt een praktische oplossing voor het verwijderen van zeer giftige SB (III) en andere soortgelijke zware metaalionen.
Introduction
Onlangs heeft de milieuvervuiling veroorzaakt door het opkomende antimoon (SB) veel aandacht1,2getrokken. Uitgebreide studies tonen aan dat SB-verbindingen een hoge toxiciteit voor mensen en micro-organismen vormen, hoewel ze in lage concentraties in het milieu3,4aanwezig zijn. Nog erger, conventionele fysicochemische of biologische methoden zijn meestal niet effectief om deze opkomende verontreinigingen te verwijderen als gevolg van hun lage concentraties en hoge toxiciteit5. De meest voorkomende soorten van SB zijn SB (V) en SB (III), waarvan de laatste vorm giftiger is.
Onder de momenteel beschikbare behandelingsmethoden wordt adsorptie verondersteld een veelbelovend en haalbaar alternatief te zijn vanwege de hoge efficiëntie, lage kosten en eenvoud6,7. Tot nu, zijn verschillende nanoschaal sorbents met instelbare microstructuren, grote specifieke oppervlaktegebied en SB specificiteit ontwikkeld, zoals Tio28, MnO29, bariumtitanaat10, zerovalent Iron11, ijzeroxiden en andere binaire metaaloxiden12,13. Een veelvoorkomend probleem bij het omgaan met adsorbentia op nanoschaal is het probleem van de post scheiding vanwege de kleine deeltjesgrootte. Een strategie om dit probleem aan te pakken is om deze nano-sorbents te laden op macro/micro-schaal ondersteunt14. Een andere uitdagende kwestie die de brede toepassing van adsorptie technologie beperkt, is het slechte massatransport dat wordt veroorzaakt door een beperkte concentratie van doelverbindingen/moleculen15. Deze kwestie kan gedeeltelijk worden aangepakt door een membraan ontwerp te nemen en de Conventie zou het massatransport aanzienlijk kunnen verbeteren. Er zijn recente inspanningen geleverd om geavanceerde behandelingssystemen te ontwikkelen die adsorptie en oxidatie in één eenheid combineren voor effectieve verwijdering van SB (III). Hier laten we zien hoe een elektroactief titanate-Carbon Nanotube-filter (titanate-CNT) rationeel is ontworpen en toegepast voor de gelijktijdige adsorptie en sekwestratie van toxische SB (III). Door de bariumtitanaat-laad hoeveelheid, de toegepaste spanning en het debiet nauwkeuriger af te stemmen, laten we zien hoe de SB (III)-oxidatie ratio en de vastlegging-efficiëntie dienovereenkomstig kunnen worden aangepast. Hoewel de fabricage en toepassing van het elektroactieve filter in dit protocol wordt getoond, kunnen soortgelijke ontwerpen ook van toepassing zijn op de behandeling van andere zware metaalionen.
Kleine veranderingen in het fabricageproces en reagentia kunnen significante veranderingen in de morfologie en prestaties van het uiteindelijke systeem veroorzaken. Bijvoorbeeld, de hydrothermische tijd, temperatuur, en chemische zuiverheid is aangetoond dat invloed op de microstructuren van deze nanoschaal adsorbents. De stroomsnelheid van de adsorberen oplossing bepaalt ook de verblijfstijd binnen een doorstroomsysteem en de verwijderingsefficiëntie van doelverbindingen. Met een duidelijke identificatie van deze belangrijke parameters kan een reproduceerbare synthese protocol worden beveiligd en kan een stabiele verwijderingsefficiëntie van SB (III) worden bereikt. Dit protocol heeft tot doel gedetailleerde ervaring te bieden met de fabricage van Dual-functionele hybride filters en hun toepassingen in de richting van het verwijderen van giftige Heavy Metal-ionen in een doorstroom wijze.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Let op: Lees voor gebruik zorgvuldig relevante veiligheidsinformatiebladen (SDS) van alle chemicaliën en draag de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM). Sommige chemicaliën zijn giftig en irriterend. Wees voorzichtig bij het hanteren van koolstof nanobuisjes, die extra gevaren kunnen hebben bij inademing of contact met de huid.
1. voorbereiding van het elektroactieve titanate-CNT-filter
-
Voorbereiding van bariumtitanaat nano draadjes16
- Los 56 g kaliumhydroxide (KOH) op in 100 mL gedeïoniseerd water onder intensief roeren.
- Voeg 3 g titaniumdioxide (TiO2) poeder toe aan de as-opgeloste Koh-oplossing.
- Breng de bovenstaande oplossing over in een met teflon beklede reactor en houd deze op 200 °C gedurende 24 uur.
- Was het verkregen witte neerslag met zoutzuur 0,1 mol/L (HCl) en gedeïoniseerd water totdat een neutrale pH van het effluent wordt verkregen. Droog het product onder vacuüm bij 60 °C 's nachts.
- Breng de producten over naar een buis oven en verwarm deze tot 600 °C gedurende 2 uur met een helling snelheid van 1 °C/min.
-
Voorbereiding van titanate-CNT filter17
- Voeg 20 mg koolstof nanobuisjes (CNTs) toe in 40 mL n-methyl pyrrolidon (NMP). Probe-sonicatie voor 40 min om homogene oplossing te verkrijgen.
- Los, Voeg 20 mg van de as gemaakt bariumtitanaat nanodraden in 20 ml NMP. Voer sonde-sonicatie gedurende 20 min.
- Meng de bariumtitanaat dispersie oplossing met de cnt dispersie oplossing. Filter de mengsel oplossing op een PTFE-membraan, dat dient als ondersteuning voor het titanate-CNT-filter.
- Spoel achtereenvolgens met 100 mL ethanol en 200 mL gedeïoniseerd water.
Opmerking: een cnt-alone filter kan worden bereid door een vergelijkbare route zonder toevoeging van bariumtitanaat nanodraden.
2. elektrochemische filtratie van SB (III)
-
Beschrijving van het experimentele apparaat18
- Voer de sorptie-experimenten uit in een gemodificeerde polycarbonaat filtratie behuizing van elektrochemie (Zie Figuur 1).
- Gebruik een GELIJKSTROOMvoeding om de elektrochemie aan te rijden.
- ADOPTEER geperforeerde titanium ring als connector voor anodische of kathodische filters.
- Gebruik een isolerend Silicone rubber als scheidingsteken en afdichting.
-
Filtratie-experimenten
- Voeg 2,2 mg C8H4K2o12Sb2. 3h2o toe aan 1000 ml GEDEÏONISEERD water om 800 μg/L SB (III)-oplossing te bereiden.
- Breng 100 mL SB (III) oplossing over in een bekerglas van 150 mL. Stel de pH-oplossing in op 7.
- Plaats de as-bereide titanate-CNT-filter anode in de polycarbonaat filtratie behuizing en plaats een ander CNT-alone filter als kathode. Afdichting van de behuizing.
- Doorloop het filtratiesysteem met SB (III) oplossing in een bepaalde stroom. Breng een gelijkspanning aan tijdens het filtreren.
- Bepaal de concentratie SBtotaal en SB (III) met atomaire fluorescentie spectrometer techniek17.
Opmerking: in dit proces kunnen de stromingssnelheid en de toegepaste spanning worden afgesteld door respectievelijk een peristaltische pomp en een GELIJKSTROOMvoeding.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De gebruikte elektroactieve filtratie apparatuur is een elektrochemisch gemodificeerde polycarbonaat filtratie behuizing (Figuur 1). Veld emissie scanning-elektronen microscoop (FESEM) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM)-technieken worden gebruikt om de morfologie van het titanaat-CNT-filter te karakteriseren (Figuur 2). Om de werkzaamheid van het elektrochemische filtratiesysteem aan te tonen, wordt de verandering van de SB-totaal en SB-valentietoestand als functie van de tijd bepaald (Figuur 3).
De FESEM-afbeeldingen van titanate-CNT-filter suggereren een geruwd oppervlak. TEM karakterisatie suggereert dat deze CNTS verstrengeld zijn met bariumtitanaat nanodraden. Dit suggereert dat we de hybride materialen titanate-CNT met succes hebben gesynthetiseerd (Figuur 2).
De verandering van de SB-totaal en SB-valentietoestand als functie van de tijd bij 2 V worden onderzocht (Figuur 3). De resultaten suggereren dat de SB (V)-concentratie sterk stijgt binnen de initiële 0,5 h en de volledige SB (III)-conversie wordt waargenomen bij continue filtratie van 1 uur in de recirculatie modus. Dit geeft aan dat de SB (III) oxidatie het belangrijkste reactie proces is in de beginfase, waarna de SB (V) effectief kan worden geadsord door de geladen bariumtitanaat nanodraden. Bovendien stegen zowel de SB-sorptie kinetiek als de capaciteit met de toegepaste spanning als gevolg van verbeterde Elektrostatische interacties en in de buurt van het oppervlaktetransport door elektro migratie.
Figuur 1: Elektroactief filtratie apparaat. (1) is de anodische titanium ring connector op het anodische filter, (2) de titanate-CNT anodische filter, (3) is de isolerende afdichting, (4) is het kathodische CNT-filter, en (5) is de titanium ring connector voor het kathodische filter. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: (a) FESEM en (B) tem-karakterisaties van het titanate-CNT-filter. Dit cijfer is gewijzigd van ref 19. Copyright 2019 Elsevier. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: veranderingen van de SB-soorten als functie van de tijd. Experimentele omstandigheden. E = 2 V, [SB (III)]0 = 800 μg/L, debiet = 3 ml/min, pH0 = 7 en 1 mm na2, dus4 elektrolyt19. Dit cijfer is gewijzigd van ref 19. Copyright 2019 Elsevier. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De sleutel tot deze technologie is het fabriceren van een elektroactief geleidend en poreus hybride filter met hoge SB-specificiteit. Om dit te doen, moet speciale aandacht worden besteed aan het fabricageproces. De hoeveelheid bariumtitanaat nanodraden moet nauwkeurig worden gecontroleerd door het "trade-off"-effect tussen de elektrische geleiding en het oppervlak van het filter.
Daarnaast moet ook worden opgemerkt dat een juiste toegepaste spanning nodig is. Zodra de toegepaste spanning te hoog is (bijv. > 3 V), kunnen andere concurrentiële reacties, zoals water splitsing, leiden tot de productie van veel bubbels (O2 bij de anode en H2 bij de kathode) op het elektrode oppervlak, die de actieve locaties kunnen blokkeren en bijgevolg negatief bijdragen aan de SB (III) verwijderings prestaties.
De stabiliteit van het systeem op de lange termijn is een andere kwestie van bezorgdheid, aangezien de opeenhoping van SB-soorten op het oppervlak van het filter onvermijdelijk is. Dit vereist periodiek wassen van het filter om de actieve oppervlakte-locaties te regenereren (vooral chemische wassing).
Ondertussen moeten de kosten van dit elektroactieve titaniet-CNT-filter nog worden overwogen. Hoewel de prijs van CNTs aanzienlijk is gedaald door de vooruitgang van hun productietechnologie in de afgelopen decennia, zijn hun prijzen nog steeds veel hoger dan die van actieve kool en andere koolstof materialen die op grote schaal worden gebruikt.
Bovendien is het opmerkelijk dat de huidige experimentele resultaten voornamelijk worden verkregen uit een elektrochemisch filtratie apparaat op laboratoriumschaal. Verdere opschaling van het apparaat om praktische grootschalige milieutoepassingen mogelijk te maken, zal de focus van onze volgende studie zijn.
We hebben een continu-flow filtratiesysteem ontwikkeld voor gelijktijdige SB (III) adsorptie en sequestration. De sleutel tot deze technologie is een elektroactieve titaniet-CNT filter die wordt gekenmerkt door elektrochemische reactiviteit, kleine poriegrootte, gemakkelijk beschikbare actieve locaties, en hoge SB specificiteit. Deze studie biedt nieuwe inzichten voor het rationele ontwerp van doorstroomsystemen naar de decontaminatie van SB en andere soortgelijke zware metaalionen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
We hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd gesteund door de Natural Science Foundation van Shanghai, China (No. 18ZR1401000), het Shanghai Pujiang-programma (nr. 18PJ1400400), en het National Key Research and Development Program van China (nr. 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).
