Summary
Сообщается о протоколе рационального проектирования двухфункционального электроактивного фильтра, состоящего из углеродных нанотрубок и титановых нанопроводов, и представлены их экологические применения в отношении окисления и секвестра Sb (III).
Abstract
Мы разработали поверхностный метод синтеза двухфункционального электрохимического фильтра, состоящего из двух 1-D материалов: титановых нанопроводов и углеродных нанотрубок. Гибридный титанат-CNT фильтр был подготовлен с помощью звуковой станции в сочетании с постфильтрационным маршрутом. Из-за синергетического воздействия увеличенного числа открытых мест поглощения, электрохимической реактивности, небольшого размера пор титановой сети CNT в сочетании с сквозной конструкцией, одновременное окисление и секвестрирование Sb (III) может быть легко Достигнуто. Технология атомного флуоресценции спектрометра показала, что прикладное электрическое поле ускоряет коэффициент конверсии Sb (III), а полученный Sb (V) был эффективно адсорбирован титановыми нанопроводами из-за их специфики Sb. Этот протокол обеспечивает практическое решение для удаления высокотоксичных Sb (III) и других подобных ионов тяжелых металлов.
Introduction
В последнее время загрязнение окружающей среды, вызванное возникающими сурьмы (Sb) привлекла большое внимание1,2. Обширные исследования показывают, что соединения Sb представляют высокую токсичность для человека и микроорганизмов, хотя и присутствуют в низких концентрациях в окружающей среде3,4. Еще хуже, обычные физико-химические или биологические методы, как правило, неэффективны для удаления этих новых загрязняющих веществ из-за их низкой концентрации и высокой токсичности5. Наиболее распространенными видами Sb являются Sb (V) и Sb (III), из которых последняя форма является более токсичной.
Среди доступных в настоящее время методов лечения, адсорбция считается перспективной и осуществимой альтернативой из-за его высокой эффективности, низкой стоимости и простоты6,7. До сих пор, несколько наноразмерных сорбентов с tunable микроструктур, большой конкретной площади поверхности и Sb специфичность были разработаны, такие как TiO28, MnO29, титанат10, нулевой железа11, оксидов железа и других бинарных оксидов металла12,13. Распространенной проблемой при работе с наномасштабными адсорбентами является проблема после разделения из-за их небольшого размера частиц. Одна из стратегий для решения этой проблемы заключается в том, чтобы загрузить эти нано-сорбенты на макро /микро-масштаб поддерживает14. Другой сложный вопрос, ограничивающий широкое применение технологии адсорбции является плохой массовый транспорт, вызванный ограниченной концентрацией целевых соединений / молекул15. Этот вопрос может быть частично решен путем принятия мембранного дизайна и конвенции может значительно расширить массовый транспорт. Последние усилия были направлены на разработку передовых систем лечения, которые сочетают адсорбцию и окисление в одном блоке для эффективного удаления Sb (III). Здесь мы покажем, как электроактивный титанат-углеродный нанотрубки (титанат-CNT) фильтр был рационально разработан и применен для одновременного адсорбции и поглощения токсичных Sb (III). Путем тонкой настройки титанового количества погрузки, прикладного напряжения и скорости потока мы демонстрируем, как скорость окисления Sb (III) и эффективность секвестра могут быть соответствующим образом адаптированы. Хотя изготовление и применение электроактивного фильтра показано в этом протоколе, аналогичные конструкции могут также применяться к обработке других ионов тяжелых металлов.
Незначительные изменения в процессе изготовления и реагентов могут привести к значительным изменениям в морфологии и производительности конечной системы. Например, гидротермическое время, температура и химическая чистота, как было показано, влияют на микроструктуры этих наномасштабных адсорбентов. Скорость потока решения адсорббата также определяет время проживания в системе, а также эффективность удаления целевых соединений. При четком определении этих ключевых влияющих параметров можно обеспечить протокол воспроизводимого синтеза и обеспечить стабильную эффективность удаления Sb (III). Этот протокол направлен на предоставление подробного опыта по изготовлению двухфункциональных гибридных фильтров, а также их применения к удалению токсичных ионов тяжелых металлов в потоке через образом.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ВНИМАНИЕ: Пожалуйста, внимательно прочитайте соответствующие листы данных безопасности (SDS) всех химических веществ и носите надлежащее оборудование для личной защиты (PPE) перед использованием. Некоторые химические вещества являются токсичными и раздражающими. Будьте осторожны при обращении с углеродными нанотрубками, которые могут иметь дополнительные опасности при вдыхании или контакте с кожей.
1. Подготовка электроактивного титанат-CNT-фильтра
-
Приготовление титановых нанопроводов16
- Растворите 56 г гидроксида калия (KOH) в 100 мл деионизированной воды под энергичным перемешиванием.
- Добавьте 3 г диоксида титана (TiO2) порошка в растворенный растворKO растворенный раствор.
- Перенесите вышеуказанный раствор в реактор, облицованный тефлоном, и держите его при 200 градусах по Цельсию в течение 24 ч.
- Вымойте полученный белый осадок с 0,1 мол / л соляной кислоты (HCl) и деионизированной воды до тех пор, пока нейтральные сточные воды рН не получены. Сушите продукт под вакуумом при 60 градусах Цельсия в течение ночи.
- Перенесите продукты в трубчатую печь и нагрейте до 600 градусов по Цельсию в течение 2 ч со скоростью рампы 1 кв/мин.
-
Приготовление титанового фильтра17
- Добавьте 20 мг углеродных нанотрубок (CNT) в 40 мл n-метилпиролидона (NMP). Зонд-звукование в течение 40 мин для получения однородного раствора.
- Отдельно добавьте 20 мг титановых нанопроводов в 20 мл NMP. Выполните зонд-звукование в течение 20 минут.
- Смешайте титановый раствор дисперсии с раствором дисперсии CNT. Фильтр раствор смеси на мембрану PTFE, которая служит в качестве поддержки титанового фильтра CNT.
- Последовательно промыть 100 мл этанола и 200 мл деионизированной воды.
ПРИМЕЧАНИЕ: ФИЛЬТР, не связанный с CNT, может быть подготовлен по аналогичному маршруту без добавления титановых нанопроводов.
2. Электрохимическая фильтрация Sb (III)
-
Описание экспериментального аппарата18
- Проведите эксперименты по сорбции в электрохимии модифицированной поликарбонатной фильтрации корпуса (см. рисунок 1).
- Используйте блок питания постоянного тока для привода электрохимии.
- Принять перфорированное титановое кольцо в качестве разъема для анодических или катодных фильтров.
- Используйте изоляционную силиконовую резину в качестве сепаратора и уплотнения.
-
Эксперименты по фильтрации
- Добавьте 2,2 мг C8H4K2O12Sb2.3H2O в 1000 мл деионизированной воды для подготовки 800 мкг/L Sb (III) раствора.
- Передача 100 мл раствора Sb (III) на стакан 150 мл. Отрегулируйте раствор pH до 7.
- Поместите как подготовленный титанат-CNT фильтр анод в поликарбонатфильтрационный корпус фильтрации и поместите другой CNT-один фильтр в качестве катода. Печать корпуса.
- Пройдите через систему фильтрации с помощью решения Sb (III) при данном потоке. При нанесении напряжения постоянного тока во время фильтрации.
- Определитьобщую концентрацию Sb и Sb (III) с помощью метода атомного флуоресценции спектрометр17.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом процессе скорость потока и прикладное напряжение могут быть настроены перистальтический насос и блок питания постоянного тока, соответственно.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Используемый электроактивный фильтрационный аппарат представляет собой электрохимически модифицированный поликарбонатный фильтрационный корпус(рисунок 1). Для характеристики морфологии титанового-CNT-фильтра(рисунок 2)используются методы сканирования выбросов на местах (FESEM) и электронной микроскопии передачи (TEM). Чтобы продемонстрировать эффективность электрохимической системы фильтрации, определяется изменениеобщего и валентного состояния Sb и Sb валентности в зависимости от времени(рисунок 3).
Изображения фильтра FESEM титанового-CNT указывают на шероховатую поверхность. Характеристика TEM позволяет предположить, что эти CnT запутались с титановыми нанопроводами. Это говорит о том, что мы успешно синтезировали титановые-CNT гибридные материалы(рисунок 2).
Исследуется изменениеобщего состояния Sb и Sb валентности в зависимости от времени при 2 V(рисунок 3). Результаты показывают, что концентрация Sb (V) резко возрастает в пределах первоначального 0,5 ч и полное преобразование Sb (III) наблюдается более 1 ч непрерывной фильтрации в режиме рециркуляции. Это указывает на то, что Окисление Sb (III) является основным процессом реакции на начальном этапе, затем Sb (V) может быть эффективно адсорбирован ассоциированными титановыми нанопроводами. Кроме того, как Sb sorption кинетики и потенциал увеличился с применением напряжения из-за расширения электростатических взаимодействий и вблизи поверхностного транспорта электромиграции.
Рисунок 1: Электроактивный фильтрационный аппарат. (1) является анодичным титановым кольцом разъем для анодического фильтра, (2) является титаново-CNT анодиковый фильтр, (3) является изоляционным уплотнением, (4) является катодиковым фильтром CNT, и (5) является разъемтитаным кольцом титана к катодный фильтр. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: (A) FESEM и (B) TEM характеристики титанового фильтра CNT. Эта цифра была изменена с реф 19. Авторское право 2019 Elsevier. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Изменения видов Sb как функция времени. Экспериментальные условия. E 2 V, Sb (III))0 - 800 мкг/л, скорость потока - 3 м/мин, рН0 - 7 и 1 мМ Na2SO4 электролита19. Эта цифра была изменена с реф 19. Авторское право 2019 Elsevier. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ключом к этой технологии является изготовление электроактивного проводящего и пористого гибридного фильтра с высокой Sb-специфической. Для этого особое удовобожено процессу изготовления. Количество титановых нанопроводов необходимо точно контролировать из-за эффекта «торговли» между электрической проводимостью фильтра и площадью поверхности.
Кроме того, следует также отметить, что необходимо правильное прикладное напряжение. После того, как прикладное напряжение слишком высоко (например, йgt;3 V), другие конкурентные реакции, такие как расщепление воды, может привести к производству много пузырьков (O2 на аноде и H2 на катоде) на поверхности электрода, который может блокировать активные сайты и, следовательно, отрицательно способствовать Sb (III) производительность удаления.
Стабильность системы в долгосрочной перспективе является еще одним вопросом, вызывающим озабоченность, так как накопление Sb-видов на поверхности фильтра неизбежно. Для этого требуется периодически ежектировать фильтр для регенерации активных поверхностных участков (особенно химической стирки).
Между тем, стоимость этого электроактивного титанит-CNT фильтр еще предстоит рассмотреть. Хотя цены на CNT значительно снизились из-за прогресса их технологии производства в последние десятилетия, их цены по-прежнему гораздо выше, чем у активированного углерода и других углеродных материалов, которые широко используются.
Кроме того, следует отметить, что нынешние экспериментальные результаты в основном получены с помощью лабораторного электрохимического фильтрационного устройства. Дальнейшее расширение устройства, чтобы обеспечить практическое крупномасштабное применение экологических целей будет в центре нашего последующего исследования.
Мы разработали систему фильтрации непрерывного потока для одновременного адсорбции и секвестра Sb (III). Ключом к этой технологии является электроактивный титанит-CNT фильтр признакам с электрохимической реактивностью, небольшой размер пор, легко доступны активных сайтов, и высокая специфика SB. Это исследование дает новые идеи для рационального проектирования сквозных систем к обеззараживанию Sb и других подобных ионов тяжелых металлов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Нам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Фондом естественных наук Шанхая, Китай (No 18'R114010000), Шанхайской пуцзянской программой (No 18PJ1400400), а также Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая (No 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).
