Summary
Ett protokoll för rationell utformning av ett dubbelfunktionellt elektroaktivt filter som består av kolnanorör och titanatnanotrådar rapporteras och deras miljötillämpningar mot SB (III) oxidation och kvarstad presenteras.
Abstract
Vi har utformat en facile metod för att syntetisera en dual-funktionella elektrokemiska filter bestående av två 1-D material: zirconiumtitanaten nanotrådar och kolnanorör. Hybrid titanate-CNT filtret utarbetades av en ultraljudsbehandling tillsammans med en post-filtrering väg. På grund av de synergistiska effekterna av det ökade antalet exponerade sorptionssorter, elektrokemisk reaktivitet, liten porstorlek av titanate-CNT-nätet tillsammans med en genomflödeskonstruktion, kan samtidig SB (III) oxidation och upptagning lätt Uppnåtts. Atomfluorescens spektrometerteknik visade att det applicerade elektriska fältet accelererar SB (III) omvandlingsfrekvens och som erhållna SB (V) adsorberades effektivt av zirconiumtitanaten nanotrådar på grund av deras SB specificitet. Detta protokoll ger en praktisk lösning för avlägsnande av mycket giftiga SB (III) och andra liknande tungmetaller joner.
Introduction
Nyligen har den miljöförorening som orsakas av framväxande antimon (SB) väckt mycket uppmärksamhet1,2. Omfattande studier visar att SB-föreningar utgör hög toxicitet för människor och mikroorganismer, även om de förekommer i låga koncentrationer i miljön3,4. Ännu värre, konventionella fysikalisk-kemiska eller biologiska metoder är oftast ineffektiva för att avlägsna dessa framväxande föroreningar på grund av deras låga koncentrationer och hög toxicitet5. De vanligast förekommande arterna i SB är SB (V) och SB (III), av vilka den sistnämnda formen är mer giftig.
Bland de för närvarande tillgängliga behandlingsmetoderna tros adsorption vara ett lovande och genomförbart alternativ på grund av dess höga verkningsgrad, låga kostnad och enkelhet6,7. Hittills har flera nanoskala Sorbenter med justerbara mikrostrukturer, stor specifik yta och SB specificitet har utvecklats, såsom tio28, MnO29, zirconiumtitanaten10, zerovalent Iron11, järnoxider och andra binära metalloxider12,13. Ett vanligt problem vid hanteringen av adsorbenter i nanoskala är frågan efter separationen på grund av deras små partikelstorlek. En strategi för att lösa detta problem är att ladda dessa nano-sorbents på makro/mikro-skala stöder14. En annan utmanande fråga som begränsar den breda tillämpningen av adsorptionsteknik är de fattiga masstransporter som orsakas av begränsad koncentration av mål föreningar/molekyler15. Denna fråga kan delvis lösas genom att anta en membran design och konvention skulle kunna öka mass transporterna avsevärt. De senaste insatserna har ägnats åt att utveckla avancerade behandlingssystem som kombinerar adsorption och oxidation i en enda enhet för effektiv SB (III) avlägsnande. Här visar vi hur en elektroaktiv titanate-kolnanorör (titanate-CNT) filter var rationellt utformade och tillämpas för samtidig adsorption och bindning av giftiga SB (III). Genom finjustering av zirconiumtitanaten lastning belopp, tillämpad spänning och flöde, visar vi hur SB (III) oxidations hastighet och kvarstad effektivitet kan skräddarsys på motsvarande sätt. Även om tillverkningen och tillämpningen av det elektroaktiva filtret visas i detta protokoll, kan liknande konstruktioner också gälla för behandling av andra tungmetaller joner.
Smärre förändringar i tillverkningsprocessen och reagenser kan orsaka betydande förändringar i den morfologi och prestanda av det slutliga systemet. Till exempel har hydrotermisk tid, temperatur och kemisk renhet visat sig påverka mikrostrukturer av dessa nanoskala adsorbenter. Flödeshastigheten för adsorbatlösningen bestämmer också uppehållstiden inom ett genomflödessystem samt reningseffektiviteten hos mål föreningarna. Med tydlig identifiering av dessa viktiga påverknings parametrar kan ett reproducerbart syntes protokoll säkras och en stabil reningseffektivitet hos SB (III) kan uppnås. Detta protokoll syftar till att ge detaljerad erfarenhet om tillverkning av Dual-funktionella hybrid filter samt deras tillämpningar mot avlägsnande av giftiga tungmetaller joner i ett genomflöde sätt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
FÖRSIKTIGHET: Läs noga igenom relevanta säkerhetsdatablad (SDS) för alla kemikalier och Använd lämplig personlig skyddsutrustning före användning. Några av kemikalierna är giftiga och irriterande. Var försiktig när du hanterar kolnanorör, som kan ha ytterligare faror vid inandning eller kontakt med huden.
1. beredning av elektroaktiva titanate-CNT-filtret
-
Beredning av titanat nanotrådar16
- Lös 56 g kaliumhydroxid (KOH) i 100 mL avjoniserat vatten under kraftig omrörning.
- Tillsätt 3 g titandioxid (TiO2) pulver i den as-upplösta Koh-lösningen.
- Överför lösningen ovan till en Teflonfodrad reaktor och behåll den vid 200 ° c i 24 timmar.
- Tvätta den erhållna vita fällningen med 0,1 mol/L saltsyra (HCl) och avjoniserat vatten tills ett neutralt utlopps pH erhålls. Torka produkten under vakuum vid 60 ° c över natten.
- Överför produkterna till en rörugn och värm den till 600 ° c i 2 timmar med en ramphastighet på 1 ° c/min.
-
Beredning av titanat-CNT filter17
- Tillsätt 20 mg kolnanorör (CNTs) i 40 mL av n-metyl pyrrolidon (NMP). Sond-ultraljudsbehandling för 40 min att få homogen lösning.
- Separat, tillsätt 20 mg av den som gjort zirconiumtitanaten nanotrådar i 20 mL NMP. Utför sond-ultraljudsbehandling för 20 min.
- Blanda zirconiumtitanaten dispersion lösning med CNT dispersion lösning. Filtrera blandnings lösningen på ett PTFE-membran, som fungerar som ett stöd för titanate-CNT-filtret.
- Skölj i ordningsföljd med 100 mL etanol och 200 mL avjoniserat vatten.
Anmärkning: ett CNT-ensamt filter kan förberedas genom en liknande rutt utan tillsats av titanatnanotrådar.
2. elektrokemisk filtrering av SB (III)
-
Beskrivning av försöks apparaten18
- Genomföra sorptionsexperiment i ett elektrokemimodifierat filtrerings hölje av polykarbonat (se figur 1).
- Använd en likströmsförsörjning för att driva elektrokemin.
- Anta perforerad Titan ring som kontakt för anodisk eller katodiskt filter.
- Använd ett isolerande silikon gummi som separator och tätning.
-
Filtrerings experiment
- Tillsätt 2,2 mg C8H4K2o12SB2. 3H2o i 1000 ml avjoniserat vatten för beredning av 800 μg/L SB (III) lösning.
- Överför 100 mL av SB (III)-lösningen till en 150 mL-bägare. Justera lösning pH till 7.
- Placera den som beredda titanate-CNT filter anod i polykarbonat filtrering hölje och placera ett annat CNT-ensamt filter som katod. Försegla höljet.
- Passera genom filtreringssystemet med SB (III) lösning vid ett givet flöde. Applicera en DC-spänning under filtrering.
- Bestäm SB-Total och SB-koncentration (III) med atomfluorescensspektrometerteknik17.
Obs: i denna process kan flödeshastighet och tillämpad spänning stämmas av en Peristaltisk pump och en likströmsförsörjning, respektive.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den elektroaktiva FILTRERINGSAPPARAT som används är ett elektrokemiskt modifierat filter hölje av polykarbonat (figur 1). Fält utsläpps skanning elektronmikroskop (FESEM) och transmission elektronmikroskopi (TEM) tekniker används för att karakterisera morfologin av titanate-CNT filtret (figur 2). För att påvisa effekten av det elektrokemiska filtreringssystemet fastställs ändringen av SB-Total och SB-valens tillstånd som en funktion av tiden (figur 3).
FESEM bilder av titanate-CNT filter tyder på en grov yta. TEM karakterisering tyder på att dessa CNTs är intrasslad med zirconiumtitanaten nanotrådar. Detta tyder på att vi har lyckats syntetiserade titanate-CNT hybrid material (figur 2).
Förändringen av SB-Total och SB-valens tillstånd som funktion av tid vid 2 V undersöks (figur 3). Resultaten tyder på att SB (V) koncentrationen stiger kraftigt inom den initiala 0,5 h och fullständig SB (III) omvandling observeras över 1 h kontinuerlig filtrering i cirkulations läge. Detta indikerar att SB (III) oxidation är den viktigaste reaktions processen i inledningsskedet, då SB (V) kan adsorberas effektivt av den laddade zirconiumtitanaten nanotrådar. Dessutom ökade både SB sorptionskinetik och kapacitet med tillämpad spänning på grund av förbättrade elektrostatiska interaktioner och nära yttransporter genom elektromigration.
Bild 1: Elektroaktiv FILTRERINGSAPPARAT. (1) är anodisk Titanium ring Connector till anodisk filter, (2) är titanate-CNT anodisk filter, (3) är den isolerande tätning, (4) är katodiskt CNT filter, och (5) är Titan ring kontakten till katodiskt filter. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: (a) FESEM och (B) tem karakteriseringar av titanate-CNT-filtret. Denna siffra har modifierats från ref 19. Copyright 2019 Elsevier. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: ändringar av SB-arter som en funktion av tiden. Experimentella förhållanden. E = 2 V, [SB (III)]0 = 800 μg/L, flödeshastighet = 3 ml/min, pH0 = 7 och 1 mm na2så4 elektrolyt19. Denna siffra har modifierats från ref 19. Copyright 2019 Elsevier. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Nyckeln till denna teknik är att fabricera en elektroaktiv ledande och porösa hybrid filter med hög SB-specificitet. För att göra detta, särskild försiktighet bör ägnas åt tillverkningsprocessen. Mängden titanatnanotrådar måste kontrolleras exakt på grund av "trade-off"-effekten mellan filtrets elektriska ledningsförmåga och ytarea.
Dessutom bör det noteras också att en korrekt tillämpad spänning är nödvändig. När den tillämpade spänningen är för hög (t. ex. > 3 V), andra konkurrensmässiga reaktioner, såsom vatten uppdelning, kan leda till produktion av mycket bubblor (O2 vid anoden och H2 vid katoden) vid elektrod ytan, som kan blockera de aktiva platserna och därmed bidra negativt till SB (III) avlägsnande prestanda.
Systemets stabilitet på lång sikt är en annan fråga som oroar, eftersom ackumuleringen av SB-arter på filtrens yta är oundviklig. Detta kräver regelbundet tvätta av filtret för att regenerera den aktiva ytan platser (särskilt kemisk tvätt).
Under tiden, kostnaden för detta elektroaktiva titanite-CNT filter behöver fortfarande övervägas. Även om priset på CNTs avsevärt har minskat på grund av utvecklingen av deras produktionsteknik under de senaste decennierna, är deras priser fortfarande mycket högre än för aktivt kol och andra kolmaterial som används i stor utsträckning.
Dessutom är det anmärkningsvärt att de nuvarande experimentella resultaten huvudsakligen erhålls från en laboratorieskala elektrokemisk filtreringsanordning. Ytterligare trappa upp enheten för att möjliggöra praktiska storskaliga miljötillämpningar kommer att vara i fokus för vår efterföljande studie.
Vi har utvecklat ett kontinuerligt flöde filtreringssystem för samtidig SB (III) adsorption och bindning. Nyckeln till denna teknik är en elektroaktiv titanite-CNT filter skisserat med elektrokemisk reaktivitet, liten porstorlek, lätt tillgängliga aktiva platser, och hög SB specificitet. Denna studie ger nya insikter för rationell design av Flow-Through system mot sanering av SB och andra liknande tungmetaller joner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av Natural Science Foundation i Shanghai, Kina (nr 18ZR1401000), Shanghai Pujiang programmet (nr 18PJ1400400), och nationella centrala forsknings-och utvecklingsprogram i Kina (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).
