Summary
कार्बन नैनोट्यूब और टाइटेनेट नैनोवायर से मिलकर एक दोहरी कार्यात्मक इलेक्ट्रोएक्टिव फिल्टर के तर्कसंगत डिजाइन के लिए एक प्रोटोकॉल की सूचना दी जाती है और एसबी (III) ऑक्सीकरण और ज़ब्ती की दिशा में उनके पर्यावरणीय अनुप्रयोगप्रस्तुत किए जाते हैं।
Abstract
हमने दो 1-डी सामग्रियों से मिलकर दोहरी-कार्यात्मक इलेक्ट्रोकेमिकल फिल्टर को संश्लेषित करने के लिए एक फेसियल विधि तैयार की है: टाइटन नैनोवायर और कार्बन नैनोट्यूब। हाइब्रिड टाइटेनेट-सीएनटी फिल्टर को एक पोस्ट-फिल्ट्रेशन मार्ग के साथ मिलकर एक सोनिकेशन द्वारा तैयार किया गया था। उजागर सोप्पशन साइटों की बढ़ी हुई संख्या के सहक्रियात्मक प्रभावों के कारण, इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाशीलता, टाइटेनेट-सीएनटी नेटवर्क के छोटे ताकना आकार के साथ-साथ प्रवाह-डिजाइन के साथ मिलकर, एक साथ एसबी (III) ऑक्सीकरण और ज़ब्ती आसानी से हो सकता है हासिल. परमाणु फ्लोरेसेंस स्पेक्ट्रोमीटर तकनीक ने दिखा दिया कि एप्लाइड इलेक्ट्रिकल फील्ड एसबी (III) रूपांतरण दर को तेज करता है और जैसा कि प्राप्त एसबी (वी) को उनकी एसबी विशिष्टता के कारण टाइटेनेट नैनोवायर्स द्वारा प्रभावी ढंग से सोख लिया गया था। यह प्रोटोकॉल अत्यधिक विषाक्त एसबी (III) और अन्य समान भारी धातु आयनों को हटाने के लिए एक व्यावहारिक समाधान प्रदान करता है।
Introduction
हाल ही में, उभरते एंटीमनी (एसबी) के कारण पर्यावरण प्रदूषण ने1,2पर बहुत ध्यान आकर्षित किया है। व्यापक अध्ययनों से पता चलता है कि एसबी यौगिक मानव और सूक्ष्मजीवों के लिए उच्च विषाक्तता पैदा करते हैं, हालांकि पर्यावरण3,4में कम सांद्रता में मौजूद हैं। इससे भी बदतर, पारंपरिक भौतिक रासायनिक या जैविक तरीके आमतौर पर इन उभरती संदूषकों को उनकी कम सांद्रता और उच्च विषाक्तता5के कारण हटाने के लिए अप्रभावी होते हैं। एसबी की सबसे प्रचुर प्रजातियां एसबी (वी) और एसबी (III) हैं, जिनमें से उत्तरार्द्ध रूप अधिक विषाक्त है।
वर्तमान में उपलब्ध उपचार विधियों में, सोखने को अपनी उच्च दक्षता, कम लागत और सादगी6,7के कारण एक आशाजनक और व्यवहार्य विकल्प माना जाता है। अब तक, टीओ28,एमएनए29,टाइटेनेट10,जीरोवेलेंट आयरन11,आयरन ऑक्साइड और अन्य बाइनरी मेटल ऑक्साइड12,13जैसे कई नैनोस्केल शर्बत विकसित किए गए हैं। नैनोस्केल एडोरबेंड्स से निपटने के दौरान एक आम समस्या उनके छोटे कण आकार के कारण अलगाव के बाद का मुद्दा है। इस मुद्दे के समाधान के लिए एक रणनीति इन नैनो-शर्बतों को मैक्रो/माइक्रो-स्केल पर लोड करनाहै जो 14का समर्थन करता है । एसोरपशन प्रौद्योगिकी के व्यापक अनुप्रयोग को सीमित करने वाला एक अन्य चुनौतीपूर्ण मुद्दा लक्ष्य यौगिकों/अणुओंकीसीमित एकाग्रता के कारण खराब जन परिवहन है । इस मुद्दे को आंशिक रूप से एक झिल्ली डिजाइन अपनाकर संबोधित किया जा सकता है और संमेलन बड़े पैमाने पर परिवहन में काफी वृद्धि हो सकती है । हाल के प्रयासों को उन्नत उपचार प्रणाली विकसित करने के लिए समर्पित किया गया है जो प्रभावी एसबी (III) हटाने के लिए एक इकाई में सोखने और ऑक्सीकरण को जोड़ते हैं। यहां, हम दिखाते हैं कि कैसे एक इलेक्ट्रोएक्टिव टाइटेनेट-कार्बन नैनोट्यूब (टाइटेनेट-सीएनटी) फिल्टर को तर्कसंगत रूप से डिजाइन किया गया था और विषाक्त एसबी (III) के साथ-साथ सोखना और ज़ब्ती के लिए लागू किया गया था। टाइटेनेट लोडिंग राशि, लागू वोल्टेज और प्रवाह दर को ठीक-ठाक करके, हम प्रदर्शित करते हैं कि एसबी (III) ऑक्सीकरण दर और ज़ब्ती दक्षता को तदनुसार कैसे सिलवाया जा सकता है। हालांकि इस प्रोटोकॉल में इलेक्ट्रोएक्टिव फिल्टर का निर्माण और अनुप्रयोग दिखाया गया है, लेकिन इसी तरह के डिजाइन अन्य भारी धातु आयनों के उपचार पर भी लागू हो सकते हैं।
निर्माण प्रक्रिया और अभिकर्मकों में मामूली परिवर्तन अंतिम प्रणाली के आकृति विज्ञान और प्रदर्शन में महत्वपूर्ण परिवर्तन का कारण बन सकते हैं। उदाहरण के लिए, हाइड्रोथर्मल समय, तापमान और रासायनिक शुद्धता को इन नैनोस्केल एसोर्बेंड्स के माइक्रोस्ट्रक्चर को प्रभावित करने के लिए दिखाया गया है। एसोर्बेट समाधान की प्रवाह दर प्रवाह-थ्रू सिस्टम के साथ-साथ लक्ष्य यौगिकों की हटाने की दक्षता के भीतर निवास समय भी निर्धारित करती है। इन प्रमुख प्रभावित मापदंडों की स्पष्ट पहचान के साथ, एक प्रजनन संश्लेषण प्रोटोकॉल सुरक्षित किया जा सकता है और एसबी (III) की स्थिर हटाने की दक्षता हासिल की जा सकती है। इस प्रोटोकॉल का उद्देश्य दोहरे कार्यात्मक हाइब्रिड फिल्टर के निर्माण के साथ-साथ प्रवाह-थ्रू तरीके से विषाक्त भारी धातु आयनों को हटाने की दिशा में उनके अनुप्रयोगों पर विस्तृत अनुभव प्रदान करना है।
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Protocol
सावधानी: कृपया ध्यान से सभी रसायनों की प्रासंगिक सुरक्षा डेटा शीट (SDS) पढ़ें और उपयोग से पहले उचित व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण (पीपीई) पहनते हैं । कुछ रसायन विषैले और चिड़चिड़े होते हैं। कार्बन नैनोट्यूब को संभालते समय सावधान रहें, जिससे त्वचा से साँस लेने या संपर्क किए जाने पर अतिरिक्त खतरे हो सकते हैं।
1. इलेक्ट्रोएक्टिव टाइटेनेट-सीएनटी फिल्टर की तैयारी
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टाइटेनेट नैनोवायर्स की तैयारी16
- जोरदार सरगर्मी के तहत deionized पानी के 100 मीटर में पोटेशियम हाइड्रोक्साइड (KOH) के 56 ग्राम भंग करें।
- टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO2)पाउडर के रूप में भंग KOH समाधान में 3 ग्राम जोड़ें।
- उपरोक्त समाधान को टेफ्लॉन-लाइन रिएक्टर में स्थानांतरित करें और इसे 24 घंटे के लिए 200 डिग्री सेल्सियस पर रखें।
- प्राप्त सफेद वर्षा को 0.1 मोल/एल हाइड्रोक्लोरिक एसिड (एचसीएल) और एक तटस्थ प्रवाह पीएच प्राप्त होने तक पानी को डिओनाइज्ड पानी से धोएं। वैक्यूम के तहत उत्पाद को रात भर 60 डिग्री सेल्सियस पर सुखा लें।
- उत्पादों को ट्यूब फर्नेस में स्थानांतरित करें और इसे 1 डिग्री सेल्सियस/मिन के रैंप दर के साथ 2 घंटे के लिए 600 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करें।
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टाइटेनेट-सीएनटी फिल्टर 17 की तैयारी
- एन-मिथाइल पाइरोलिडोन (एनएमपी) के 40 मिलीग्राम में 20 मिलीग्राम कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) जोड़ें। सजातीय समाधान प्राप्त करने के लिए 40 मिन के लिए जांच-ध्वनि।
- अलग से, एनएमपी के 20 मिलीग्राम में 20 मिलीग्राम के रूप में बनाया टाइटेनेट नैनोवायर जोड़ें। 20 मिन के लिए प्रोब-सोनिकेशन करें।
- सीएनटी फैलाव समाधान के साथ टाइटेनेट फैलाव समाधान मिलाएं। मिश्रण समाधान को पीटीएफई झिल्ली पर फ़िल्टर करें, जो टाइटेनेट-सीएनटी फिल्टर के लिए समर्थन के रूप में कार्य करता है।
- इथेनॉल के 100 मीटर और डिओनाइज्ड पानी के 200 मीटर के साथ क्रमिक रूप से कुल्ला करें।
नोट: टाइटेनेट नैनोवायरके अलावा एक समान मार्ग से सीएनटी-अलोन फिल्टर तैयार किया जा सकता है।
2. एसबी (III) का इलेक्ट्रोकेमिकल फिल्ट्रेशन
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प्रायोगिक तंत्र पर विवरण18
- इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री संशोधित पॉलीकार्बोनेट फिल्ट्रेशन आवरण (चित्रा 1देखें) में सोप्शन प्रयोगों का संचालन करें।
- इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री को चलाने के लिए डीसी बिजली सप्लाई का इस्तेमाल करें।
- एनोडिक या कैथोडिक फिल्टर के लिए कनेक्टर के रूप में छिद्रित टाइटेनियम रिंग को अपनाएं।
- एक विभाजक और सील के रूप में एक इन्सुलेट सिलिकॉन रबर का उपयोग करें।
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फिल्ट्रेशन प्रयोग
- 800 μg/L Sb (III) समाधान तैयार करने के लिए 2.2 मिलीग्राम सी8एच4K2O12Sb2.3H2O 1000 मीटर deionized पानी में जोड़ें।
- एसबी (III) समाधान के 100 मीटर को 150 मीटर बीकर में स्थानांतरित करें। समाधान पीएच को 7 में समायोजित करें।
- पॉली कार्बोनेट फिल्ट्रेशन आवरण में के रूप में तैयार टाइटेनेट-सीएनटी फिल्टर एनोड रखें और कैथोड के रूप में एक और सीएनटी-अलोन फिल्टर रखें। आवरण सील करें।
- किसी दिए गए प्रवाह पर एसबी (III) समाधान के साथ निस्पंदन प्रणाली से गुजरें। फिल्ट्रेशन के दौरान डीसी वोल्टेज लगाएं।
- परमाणु फ्लोरेसेंस स्पेक्ट्रोमीटर तकनीक17के साथ एसबीकुल और एसबी (III) एकाग्रता निर्धारित करें।
नोट: इस प्रक्रिया में, प्रवाह दर और लागू वोल्टेज क्रमशः एक पेरिटैटिक पंप और डीसी बिजली आपूर्ति द्वारा ट्यून किया जा सकता है।
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Representative Results
नियोजित इलेक्ट्रोएक्टिव फिल्ट्रेशन उपकरण एक इलेक्ट्रोकेमिकल रूप से संशोधित पॉलीकार्बोनेट फिल्ट्रेशन आवरण(चित्रा 1)है। टाइटेनेट-सीएनटी फिल्टर(चित्रा 2)की आकृति विज्ञान की विशेषता के लिए फील्ड उत्सर्जन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (FESEM) और ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM) तकनीकों को नियोजित किया जाता है। इलेक्ट्रोकेमिकल निस्पंदन प्रणाली की प्रभावकारिता को प्रदर्शित करने के लिए, एसबीकुल और एसबी वैलेंस राज्य के समय के एक समारोह के रूप में परिवर्तन निर्धारित किया जाता है(चित्रा 3)।
टाइटेनेट-सीएनटी फिल्टर की FESEM छवियां एक खुरदरी सतह का सुझाव देते हैं। TEM लक्षण वर्णन से पता चलता है कि ये सीएनटी टाइटेनेट नैनोवायर्स से उलझ रहे हैं। इससे पता चलता है कि हमने टाइटेनेट-सीएनटी हाइब्रिड सामग्रियों(चित्रा 2)का सफलतापूर्वक संश्लेषण किया है।
2 वी में समय के एक समारोह के रूप में एसबीकुल और एसबी वैलेंस राज्य के परिवर्तन की जांच कर रहे है(चित्रा 3)। परिणाम बताते हैं कि एसबी (वी) एकाग्रता प्रारंभिक 0.5 घंटे के भीतर तेजी से बढ़ती है और पुनर्परिसंचरण मोड में 1 घंटे लगातार फिल्ट्रेशन पर पूर्ण एसबी (III) रूपांतरण मनाया जाता है। यह इंगित करता है कि एसबी (III) ऑक्सीकरण प्रारंभिक चरण में मुख्य प्रतिक्रिया प्रक्रिया है, फिर एसबी (वी) को लोडेड टाइटन नैनोवायरद्वारा प्रभावी ढंग से सोखा जा सकता है। इसके अलावा, बढ़ी हुई इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन और इलेक्ट्रोमाइग्रेशन द्वारा निकट सतह परिवहन के कारण लागू वोल्टेज के साथ एसबी सोप्पशन काइनेटिक्स और क्षमता दोनों में वृद्धि हुई।
चित्रा 1: इलेक्ट्रोएक्टिव फिल्ट्रेशन उपकरण। (1) एनोडिक फिल्टर के लिए एनोडिक टाइटेनियम रिंग कनेक्टर है, (2) टाइटेनेट-सीएनटी एनोडिक फिल्टर है, (3) इन्सुलेट सील है, (4) कैथोडिक सीएनटी फिल्टर है, और (5) कैथोडिक फिल्टर के लिए टाइटेनियम रिंग कनेक्टर है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
चित्रा 2: (ए) FESEM और (B) टाइटेनेट-सीएनटी फिल्टर के TEM लक्षण । इस आंकड़े को रेफरी 19 से संशोधित किया गया है। कॉपीराइट 2019 Elsevier। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
चित्रा 3: समय के एक समारोह के रूप में एसबी प्रजातियों के परिवर्तन । प्रायोगिक स्थितियां। ई = 2 V, [एसबी (III)]0 = 800 μg/L, प्रवाह दर = 3 mL/min, पीएच0 = 7 और 1 mM Na2SO4 इलेक्ट्रोलाइट19. इस आंकड़े को रेफरी 19 से संशोधित किया गया है। कॉपीराइट 2019 Elsevier। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
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Discussion
इस तकनीक की कुंजी उच्च एसबी-विशिष्टता के साथ एक इलेक्ट्रोएक्टिव चालक्टिव और असुरक्षित हाइब्रिड फिल्टर गढ़ना है। ऐसा करने के लिए, निर्माण प्रक्रिया के लिए विशेष देखभाल का भुगतान किया जाना चाहिए। फिल्टर की विद्युत चालकता और सतह क्षेत्र के बीच "व्यापार-बंद" प्रभाव के कारण टाइटेनेट नैनोवायर की मात्रा को ठीक से नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है।
इसके अलावा, यह भी ध्यान दिया जाना चाहिए कि एक उचित लागू वोल्टेज आवश्यक है। एक बार लागू वोल्टेज बहुत अधिक है (उदाहरण के लिए, और gt;3 V), पानी के बंटवारे जैसी अन्य प्रतिस्पर्धी प्रतिक्रियाओं से इलेक्ट्रोड सतह पर बहुत सारे बुलबुले (एनोड में ओ2 और कैथोड में एच2) का उत्पादन हो सकता है, जो सक्रिय साइटों को अवरुद्ध कर सकता है और इसलिए, एसबी (III) हटाने के प्रदर्शन में नकारात्मक योगदान देसकता है।
दीर्घकालिक रन में सिस्टम स्थिरता चिंता का एक और मुद्दा है, क्योंकि फिल्टर की सतह पर एसबी-प्रजातियों का संचय अपरिहार्य है। इसके लिए सक्रिय सतह साइटों (विशेष रूप से रासायनिक धोने) को पुनर्जीवित करने के लिए समय-समय पर फिल्टर को धोने की आवश्यकता होती है।
इस बीच, इस इलेक्ट्रोएक्टिव टाइटेनेट-सीएनटी फिल्टर की लागत पर अभी भी विचार करने की जरूरत है। हालांकि पिछले दशकों में उनकी उत्पादन प्रौद्योगिकी की प्रगति के कारण सीएनटी की कीमत में काफी कमी आई है, लेकिन उनकी कीमतें अभी भी सक्रिय कार्बन और अन्य कार्बन सामग्रियों की तुलना में कहीं अधिक हैं जो व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं।
इसके अलावा, यह उल्लेखनीय है कि वर्तमान प्रयोगात्मक परिणाम मुख्य रूप से प्रयोगशाला-पैमाने पर इलेक्ट्रोकेमिकल निस्पंदन उपकरण से प्राप्त किए जाते हैं। इसके अलावा व्यावहारिक बड़े पैमाने पर पर्यावरण अनुप्रयोगों को सक्षम करने के लिए डिवाइस स्केलिंग हमारे बाद के अध्ययन का ध्यान केंद्रित किया जाएगा ।
हमने एक साथ एसबी (III) सोखना और ज़ब्ती के लिए एक सतत प्रवाह निस्पंदन प्रणाली विकसित की है। इस तकनीक की कुंजी इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाशीलता, छोटे ताकना आकार, आसानी से उपलब्ध सक्रिय साइटों और उच्च एसबी विशिष्टता के साथ चित्रित एक इलेक्ट्रोएक्टिव टाइटेटाइट-सीएनटी फिल्टर है। यह अध्ययन एसबी और अन्य समान भारी धातु आयनों के विसंदूषण की दिशा में प्रवाह-थ्रू सिस्टम के तर्कसंगत डिजाइन के लिए नई अंतर्दृष्टि प्रदान करता है।
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Disclosures
हमारे पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।
Acknowledgments
इस काम को शंघाई, चीन (नंबर 18ZR1401000), शंघाई पुजियांग कार्यक्रम (नंबर 18PJ1400400) के प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था, और चीन के राष्ट्रीय प्रमुख अनुसंधान और विकास कार्यक्रम (नंबर 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
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