Summary
Karbon nanotüpler ve titanate nanowires oluşan bir çift fonksiyonlu elektroaktif filtre rasyonel tasarımı için bir protokol rapor edilir ve Sb (III) oksidasyon ve ayırma doğru çevresel uygulamalar sunulmaktadır.
Abstract
Titanate nanowires ve karbon nanotüpler: iki 1-D malzemeden oluşan bir çift fonksiyonlu elektrokimyasal filtre sentezlemek için bir kolay yöntem tasarladık. Hibrid titanate-CNT filtre bir sonication bir post-filtrasyon rota ile birleştiğinde tarafından hazırlanmıştır. Maruz kalan sorption sitelerinin artan sayıda sinerjik etkileri nedeniyle, elektrokimyasal reaktivite, titanat-CNT şebekesinin küçük gözenek boyutu bir akış tasarımı ile birleştiğinde, eşzamanlı Sb (III) oksidasyon ve tutma kolayca olabilir Elde. Atomik floresan spektrometre teknolojisi, uygulanan elektrik alanının Sb(III) dönüşüm oranını hızlandırdığını ve elde edilen Sb(V)'nin Sb özgüllüğü nedeniyle titanat etekleri tarafından etkili bir şekilde adsorbe edildiğini göstermiştir. Bu protokol, son derece toksik Sb(III) ve benzeri ağır metal iyonlarının uzaklaştırılması için pratik bir çözüm sağlar.
Introduction
Son zamanlarda, ortaya çıkan antimon (Sb) neden olduğu çevre kirliliği çok dikkat çekti1,2. Kapsamlı çalışmalar Sb bileşikleri insan ve mikroorganizmalar için yüksek toksisite poz olduğunu göstermektedir, çevrede düşük konsantrasyonlarda mevcut olmasına rağmen3,4. Daha da kötüsü, konvansiyonel fizyokimyasal veya biyolojik yöntemler genellikle düşük konsantrasyonları ve yüksek toksisitenedeniylebu ortaya çıkan kirleticileri kaldırmak için etkisiz 5 . Sb'nin en bol bulunan türleri Sb(V) ve Sb(III) olup, ikinci formu daha zehirlidir.
Şu anda mevcut tedavi yöntemleri arasında, adsorpsiyon yüksek verimlilik, düşük maliyet ve basitlik nedeniyle umut verici ve uygulanabilir bir alternatif olduğuna inanılmaktadır6,7. Şimdiye kadar, tunable mikroyapılar, büyük özel yüzey alanı ve Sb özgüllüğü ile birkaç nanoölçekli sorbents geliştirilmiştir, TiOgibi 28, MnO29, titanat10, zerovalent demir11, demir oksitler ve diğer ikili metal oksitler12,13. Nano ölçekli adsorbentler ile uğraşırken sık karşılaşılan bir sorun, küçük parçacık boyutları nedeniyle ayrılık sonrası sorundur. Bu sorunu gidermek için bir strateji makro / mikro ölçekli destekler üzerine bu nano-sorbents yüklemek için14. Adsorpsiyon teknolojisinin geniş uygulama kısıtlayan bir diğer zorlu konu hedef bileşikler / moleküllerin sınırlı konsantrasyonu nedeniyle kötü kitle taşıma15. Bu sorun kısmen bir membran tasarım ve kongre önemli ölçüde kitle taşıma artırabilir kabul edilerek ele alınabilir. Etkili Sb(III) çıkarılması için tek bir ünitede adsorpsiyon ve oksidasyonu birleştiren gelişmiş tedavi sistemleri geliştirmek için son çalışmalar yapılmıştır. Burada, bir elektroaktif titanat-karbon nanotüp (titanat-CNT) filtrenin nasıl rasyonel olarak tasarlandığını ve toksik Sb(III) ile aynı anda adsorpsiyon ve sekestrasyon için nasıl uygulandığını gösteriyoruz. Titanat yükleme miktarını, uygulanan gerilimi ve akış hızını ince ayarlayarak, Sb(III) oksidasyon hızı ve tutma verimliliğinin buna göre nasıl uyarlanabileceğini gösteriyoruz. Elektroaktif filtrenin imalatı ve uygulaması bu protokolde gösterilmiş olsa da, benzer tasarımlar diğer ağır metal iyonlarının tedavisinde de geçerli olabilir.
Üretim sürecindeki küçük değişiklikler ve reaktifler son sistemin morfolojisi ve performansında önemli değişikliklere neden olabilir. Örneğin, hidrotermal zaman, sıcaklık ve kimyasal saflık bu nano ölçekli adsorbentlerin mikroyapılarını etkilediği gösterilmiştir. Adsorbat çözeltisinin akış hızı, akış sistemi içindeki ikamet süresini ve hedef bileşiklerin kaldırma verimliliğini de belirler. Bu önemli etkileyen parametrelerin net bir şekilde tanımlanması yla, tekrarlanabilir bir sentez protokolü sağlanabilir ve Sb(III)'nin kararlı bir kaldırma verimliliği elde edilebilir. Bu protokol, çift fonksiyonlu hibrid filtrelerin imalatı ve toksik ağır metal iyonlarının akış yoluyla uzaklaştırılmasına yönelik uygulamaları hakkında ayrıntılı deneyim sağlamayı amaçlamaktadır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
DİkKAT: Lütfen tüm kimyasalların ilgili güvenlik veri sayfalarını (SDS) dikkatlice okuyun ve kullanmadan önce uygun kişisel koruma ekipmanı (PPE) giyin. Bazı kimyasallar zehirli ve tahriş edicidir. Karbon nanotüpleri kullanırken dikkatli olun, bu da deri tarafından solunduğunda veya temas ettiğinde ek tehlikelere yol açabilir.
1. Elektroaktif titanat-CNT filtrehazırlanması
-
Titanate nanotellerin hazırlanması16
- 56 g potasyum hidroksiti (KOH) 100 mL'lik deiyonize suda güçlü karıştırma altında çözün.
- Çözünmüş KOH çözeltisine 3 g titanyum dioksit (TiO2)tozu ekleyin.
- Yukarıdaki çözeltiyi Teflon kaplı bir reaktöre aktarın ve 200 °C'de 24 saat bekletin.
- Elde edilen beyaz çökeltiyi nötr bir atık pH elde edilene kadar 0,1 mol/L hidroklorik asit (HCl) ve deiyonize su ile yıkayın. Ürünü bir gecede 60 °C'de vakum altında kurutun.
- Ürünleri bir tüp fırına aktarın ve rampa hızı 1 °C/dk ile 2 saat boyunca 600 °C'ye ısıtın.
-
Titanat-CNT filtre hazırlanması17
- N-metil pyrrolidone (NMP) 40 mL içine karbon nanotüpler (CNTs) 20 mg ekleyin. Homojen çözelti elde etmek için 40 dk için sonda-sonication.
- Ayrıca, NMP 20 mL içine titanate nanowires yapılan 20 mg ekleyin. 20 dakika boyunca sonda sonication gerçekleştirin.
- Titanate dağılım çözeltisini CNT dağılım çözeltisi ile karıştırın. Karışım çözeltisini titanate-CNT filtresi için destek görevi gören ptfe membranına süzün.
- 100 mL etanol ve 200 mL deiyonize su ile sırayla durulayın.
NOT: CNT filtre titanate nanowires eklenmesi olmadan benzer bir rota ile hazırlanabilir.
2. Sb(III) elektrokimyasal filtrasyon
-
Deneysel cihaz la ilgili açıklama18
- Sorpsiyon deneylerini elektrokimya modifiye edilmiş polikarbonat filtrasyon kasasında gerçekleştirin (Bkz. Şekil 1).
- Elektrokimyayı sürmek için DC güç kaynağı kullanın.
- Anodik veya katodik filtreler için konektör olarak delikli titanyum halka yıkın.
- Bir ayırıcı ve mühür olarak yalıtımlı silikon kauçuk kullanın.
-
Filtrasyon deneyleri
- 800 μg/L Sb(III) çözeltisi hazırlamakiçin 1000 mL deiyonize suya 2,2 mg C8H 4 K4K2O12Sb2000 mL'lik deiyonize su ekleyin.
- 100 mL Sb(III) çözeltisini 150 mL'lik bir kabına aktarın. Çözelti pH'ı 7'ye ayarlayın.
- Olarak hazırlanan titanate-CNT filtre anodunu polikarbonat filtrasyon kasasına yerleştirin ve katot olarak başka bir CNT filtresini yerleştirin. Kovanı kapatın.
- Belirli bir akışta Sb(III) çözeltisi ile filtrasyon sisteminden geçirin. Filtrasyon sırasında DC voltajı uygulayın.
- Atomik floresan spektrometre tekniği ile Sbtoplamını ve Sb(III) konsantrasyonubelirleyin 17.
NOT: Bu işlemde, akış hızı ve uygulanan gerilim, sırasıyla peristaltik pompa ve DC güç kaynağı ile ayarlanabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Kullanılan elektroaktif filtrasyon aparatı elektrokimyasal olarak modifiye edilmiş polikarbonat filtrasyon kasasidir(Şekil 1). Titanat-CNT filtresinin morfolojisini karakterize etmek için alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (FESEM) ve iletim elektron mikroskobu (TEM) teknikleri kullanılmaktadır (Şekil 2). Elektrokimyasal filtrasyon sisteminin etkinliğini göstermek için, zamanın bir fonksiyonu olarak Sbtoplamı ve Sb değerlik durumunun değişimi belirlenir(Şekil 3).
Titanate-CNT filtresinin FESEM görüntüleri pürüzlü bir yüzey göstermektedir. TEM karakterizasyonu bu CNT'lerin titanate nanotellerile dolaştığını göstermektedir. Bu da titanat-CNT hibrid malzemelerini başarıyla sentezlediğimizi göstermektedir(Şekil 2).
2 V'de zamanın bir fonksiyonu olarak Sbtoplamı ve Sb değerlik durumunun değişimi incelenmiştir (Şekil 3). Sonuçlar, Sb(V) konsantrasyonunun ilk 0,5 h içinde keskin bir şekilde yükseldiğini ve tam Sb(III) dönüşümlerinin sirkülasyon modunda 1 saat sürekli filtrasyon üzerinde gözlendiğini göstermektedir. Bu, Sb(III) oksidasyonunun ilk aşamada ana reaksiyon süreci olduğunu, daha sonra Sb(V) yüklü titanat emarasındaki nanowire'lar tarafından etkili bir şekilde adsorbe edilebileni gösterir. Ayrıca, hem Sb sorption kinetik ve kapasite elektrogöç ile gelişmiş elektrostatik etkileşimler ve yakın yüzey taşıma nedeniyle uygulanan gerilim ile artmıştır.
Şekil 1: Elektroaktif filtrasyon aparatı. (1) anodik filtre anodik titanyum halka konektörü, (2) titanat-CNT anodik filtre, (3) yalıtım confeksi, (4) katodik CNT filtre, ve (5) katodik filtre titanyum halka bağlayıcı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: (A) FESEM ve (B) TEM karakterizasyonu titanat-CNT filtresi. Bu rakam ref 19'dan değiştirilmiştir. Telif Hakkı 2019 Elsevier. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Zamanın bir fonksiyonu olarak Sb türlerinin değişimi. Deneysel koşullar. E = 2 V, [Sb(III)]0 = 800 μg/L, akış hızı = 3 mL/dk, pH0 = 7 ve 1 mM Na24 elektrolit19. Bu rakam ref 19'dan değiştirilmiştir. Telif Hakkı 2019 Elsevier. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu teknolojinin anahtarı yüksek Sb özgüllüğü ile elektroaktif iletken ve gözenekli hibrid filtre imal etmektir. Bunun için, üretim sürecine özel bakım ödenmelidir. Titanate nanowires miktarı tam olarak filtrenin elektrik iletkenliği ve yüzey alanı arasındaki "trade-off" etkisi nedeniyle kontrol edilmesi gerekir.
Buna ek olarak, aynı zamanda uygun bir uygulama gerilimi gerekli olduğu unutulmamalıdır. Uygulanan voltaj çok yüksek olduğunda (örneğin, >3 V), su yarma gibi diğer rekabetçi reaksiyonlar, elektrot yüzeyinde çok sayıda kabarcık (anodda O2 ve katotta H2) üretimine yol açabilir, bu da aktif alanları engelleyebilir ve dolayısıyla Sb(III) kaldırma performansına olumsuz katkıda bulunabilir.
Filtrenin yüzeyinde Sb-türlerinin birikmesi kaçınılmaz olduğundan, uzun vadede sistem stabilitesi de endişe verici bir konudur. Bu, aktif yüzey alanlarını (özellikle kimyasal yıkama) yeniden oluşturmak için filtrenin periyodik olarak yıkanmasını gerektirir.
Bu arada, bu elektroaktif titanit-CNT filtre maliyeti hala dikkate alınması gerekir. CNTs fiyatı önemli ölçüde son yıllarda üretim teknolojisinin ilerlemesi nedeniyle azalmış olsa da, fiyatları hala çok aktif karbon ve yaygın olarak kullanılan diğer karbon malzemelerin daha yüksektir.
Ayrıca, mevcut deneysel sonuçların esas olarak laboratuvar ölçekli elektrokimyasal filtrasyon cihazından elde edilmesi dikkat çekicidir. Daha fazla pratik büyük ölçekli çevre uygulamaları sağlamak için cihaz kadar ölçeklendirme sonraki çalışmanın odak noktası olacaktır.
Eşzamanlı Sb(III) adsorpsiyon ve sekestrasyon için sürekli akışlı bir filtrasyon sistemi geliştirdik. Bu teknolojinin anahtarı elektrokimyasal reaktivite, küçük gözenek boyutu, hazır aktif siteler ve yüksek Sb özgüllüğü ile özellikli bir elektroaktif titanit-CNT filtredir. Bu çalışma, Sb ve benzeri ağır metal iyonlarının dekontaminasyonuna yönelik akış sistemlerinin rasyonel tasarımı için yeni bilgiler sağlamaktadır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Açıklayacak bir şeyimiz yok.
Acknowledgments
Bu çalışma Şangay, Çin Doğa Bilimleri Vakfı (No. 18ZR1401000), Şangay Pujiang Programı (No. 18PJ1400400) ve Çin Ulusal Anahtar Araştırma ve Geliştirme Programı (No. 2018YFF0215703) tarafından desteklenmiştir.
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).
