Summary
カーボンナノチューブとチタン酸ナノワイヤーからなる二重機能電気活性フィルタの合理的な設計のためのプロトコルが報告され、Sb(III)酸化と隔離に向けた環境応用が提示される。
Abstract
チタン酸ナノワイヤーとカーボンナノチューブの2つの1次元材料からなる二重機能電気化学フィルターを合成するファシリティ法を設計しました。ハイブリッドチタン酸CNTフィルタは、濾過後経路と結合した超音波処理によって調製した。露出した吸着部位の増加の相乗効果により、電気化学的反応性、流れ抜け設計と相まってチタン酸CNTネットワークの小さな細孔サイズ、同時Sb(III)酸化および隔離が容易に可能達成。原子蛍光分光計技術は、応用電界がSb(III)変換速度を加速し、得られたSb(V)がSb特異性のためにチタン酸ナノワイヤーによって効果的に吸着されたことを実証した。このプロトコルは、非常に有毒なSb(III)および他の同様の重金属イオンの除去のための実用的な解決を提供する。
Introduction
近年、新たなアンチモン(Sb)による環境汚染が注目されている1、2.広範な研究は、Sb化合物がヒトおよび微生物に高い毒性を有することを示すが、環境3、4に低濃度で存在する。さらに悪いことに、従来の物理化学的または生物学的方法は、通常、その低濃度および高毒性5のためにこれらの新たな汚染物質を除去するのに効果的ではない。Sbの最も豊富な種はSb(V)とSb(III)であり、そのうち後者の形態はより毒性が高い。
現在入手可能な治療法の中でも、吸着は、その高効率、低コスト、および簡便性6、7に起因する有望かつ実現可能な代替であると考えられている。これまで、TiO 2 8、MnO29、チタン酸10、ゼロバレント鉄11、酸化鉄および他の二項金属酸化物12、13などの、調整性微細構造を有するいくつかのナノスケール吸着剤が開発されてきた。ナノスケール吸着剤を扱う際の一般的な問題は、粒子サイズが小さいための分離後の問題です。この問題に対処する 1 つの戦略は、マクロ/マイクロスケールサポート14にこれらのナノソルベントをロードすることです。吸着技術の広範な適用を制限するもう一つの挑戦的な問題は、標的化合物/分子15の限られた濃度によって引き起こされる貧しい大量輸送である。この問題は、膜設計を採用することによって部分的に対処することができ、条約は、質量輸送を大幅に強化することができる。最近の取り組みは、効果的なSb(III)除去のための単一の単位で吸着と酸化を組み合わせた高度な治療システムの開発に注力されています。ここでは、電気活性チタン酸カーボンナノチューブ(チタン酸-CNT)フィルタが合理的に設計され、同時に毒性Sb(III)の吸着および隔離に適用された方法を示す。チタン酸負荷量、印加電圧、流量を微調整することで、Sb(III)酸化速度と隔離効率をいかに応じて調整できるかを実証します。このプロトコルには電気活性フィルタの製造と応用が示されていますが、他の重金属イオンの処理にも同様の設計が適用できます。
製造プロセスおよび試薬のわずかな変化は、最終システムの形態および性能に大きな変化を引き起こす可能性がある。例えば、熱水時間、温度、化学純度は、これらのナノスケール吸着剤の微細構造に影響を与することが示されている。吸入液の流量は、フロースルーシステム内の滞留時間とターゲット化合物の除去効率も決定します。これらの主要な影響を与えるパラメータの明確な同定により、再現可能な合成プロトコルを確保し、Sb(III)の安定した除去効率を達成することができる。このプロトコルは、二重機能ハイブリッドフィルタの製造に関する詳細な経験を提供するだけでなく、フロースルーの方法で有毒な重金属イオンの除去に向けたアプリケーションを提供することを目的としています。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
注意:すべての化学物質の関連安全データシート(SDS)をよく読み、使用前に適切な個人保護装置(PPE)を着用してください。化学物質のいくつかは、有毒で刺激性です。カーボンナノチューブを取り扱う際には、皮膚から吸入したり接触させたりすると、追加の危険が伴う場合がありますのでご注意ください。
1. 電気活性チタン酸CNTフィルタの調製
-
チタン酸ナノワイヤの調製16
- 56gの水酸化カリウム(KOH)を100mLの脱イオン水に激しい攪拌下で溶解する。
- 溶解したKOH溶液に二酸化チタン(TiO2)粉末を3g加えます。
- 上記溶液をテフロン並ぶ原子炉に移し、200°Cで24時間保管します。
- 得られた白色沈殿物を0.1モル/L塩酸(HCl)で洗浄し、中性排水pHが得られるまで脱イオン水を洗う。真空下で一晩60°Cで乾燥させます。
- チューブ炉に移し、1°C/分のランレートで2時間600°Cに加熱します。
-
チタン酸CNTフィルタの調製17
- n-メチルピロリドン(NMP)の40 mLにカーボンナノチューブ(CT)の20 mgを追加します。40分間のプローブ超音波処理は、均質な溶液を得るために。
- 別途、20mgのチタン酸ナノワイヤーをNMPの20mLに加える。プローブ超音波処理を20分間行います。
- チタン酸分散溶液をCNT分散液と混合します。チタン酸CNTフィルターの支持となるPTFE膜に混合溶液をフィルターします。
- 100 mL のエタノールと 200 mL の脱イオン水で順次リンスします。
注:CNT単独フィルタは、チタン酸ナノワイヤを添加することなく、同様のルートで調製することができます。
2. Sb(III) の電気化学的濾過
-
実験装置に関する説明18
- 電気化学変性ポリカーボネート濾過ケーシングで吸着実験を行います(図1参照)。
- DC 電源を使用して電気化学を駆動します。
- アノディックまたは陰極フィルター用コネクタとして穿極チタンリングを採用。
- 絶縁シリコーンゴムをセパレータとシールとして使用してください。
-
ろ過実験
- 2.2 mgの C8H4K2O12Sb2.3H2O を脱イオン水の 1000 mL に加え、800 μg/L Sb(III) 溶液を調製します。
- 100 mL の Sb(III) 溶液を 150 mL ビーカーに転送します。溶液pHを7に調整します。
- 調製したチタン酸CNTフィルターアノードをポリカーボネート濾過ケーシングに入れ、カソードとして別のCNT単独フィルターを配置します。ケーシングをシールします。
- 所定のフローでSb(III)溶液を使用してろ過システムを通過します。ろ過中に直流電圧を印加します。
- 原子蛍光分光計技術17を用いてSb合計及びSb(III)濃度を決定する。
メモ:このプロセスでは、流量と印加電圧は、それぞれペリスタリックポンプとDC電源によって調整することができます。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
採用される電気活性濾過装置は、電気化学的に修飾されたポリカーボネート濾過ケーシングである(図1)。電界放出走査型電子顕微鏡(FESEM)及び透過型電子顕微鏡(TEM)技術は、チタン酸CNTフィルタの形態を特徴付けるために用いられる(図2)。電気化学的濾過システムの有効性を実証するために、時間の関数としてのSb総及びSb価量状態の変化が決定される(図3)。
チタン酸CNTフィルタのFESEM画像は、粗面を示唆しています。TEM特性評価は、これらのCTがチタン酸ナノワイヤと絡み合っていることを示唆している。これは、チタン酸CNTハイブリッド材料の合成に成功したことを示唆しています(図2)。
2Vでの時間関数としてのSb合計とSb価量状態の変化を調べる(図3)。結果は、Sb(V)濃度が最初の0.5時間以内に急激に上昇し、完全なSb(III)変換が再循環モードで1時間連続濾過にわたって観察されることを示唆している。これは、Sb(III)酸化が初期段階の主な反応プロセスであることを示し、その後、Sb(V)は、ロードされたチタン酸ナノワイヤによって効果的に吸着することができる。さらに、Sb吸着動動態と容量の両方が、静電相互作用の増強やエレクトロマイグレーションによる表面近傍輸送により電圧を加え、増加しました。
図1:電気活性濾過装置。(1)アノディックフィルタにアノディックチタンリングコネクタ、(2)はチタン酸CNTアノディックフィルタ、(3)は絶縁シール、(4)はカソードCNTフィルタ、(5)はカソードフィルタにチタンリングコネクタである。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:(A)フェセムおよび(B)チタン酸CNTフィルタのTEM特性評価この図は ref 19 から変更されています。著作権 2019 エルゼビア.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:時間の関数としてのSb種の変化実験条件。E=2V、[Sb(III)] 0=800μg/L、流量=3mL/分、pH0=7および1 mM Na2SO4電解質19。この図は ref 19 から変更されています。著作権 2019 エルゼビア.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
この技術の鍵は、高いSB特異性を有する電気活性導電性および多孔質ハイブリッドフィルタを製造することです。これを行うには、製造プロセスに特別な注意を払う必要があります。チタン酸ナノワイヤの量は、フィルタの電気伝導度と表面積の間の「トレードオフ」効果のために正確に制御する必要があります。
また、適切な印加電圧が必要なことも留意すべきである。印加電圧が高すぎると(例えば、>3V)、水分裂などの他の競合反応は、電極表面で多くの気泡(アノードでO2、カソードでH2)の産生につながり、活性部位を遮断し、したがってSb(III)除去性能に悪影響を及ぼす可能性がある。
フィルターの表面にSb種の蓄積は避けられないので、長期的な実行におけるシステムの安定性は、もう一つの懸念事項です。これは、活性表面部位(特に化学洗浄)を再生するために、定期的にフィルターを洗浄する必要があります。
一方、この電気活性チタン-CNTフィルタのコストはまだ考慮する必要があります。CTの価格は、過去数十年の生産技術の進歩により大幅に減少しましたが、その価格は、広く使用されている活性炭やその他の炭素材料よりもはるかに高いです。
さらに、現在の実験結果は、主に実験室規模の電気化学的濾過装置から得られるのが注目に値する。実用的な大規模環境アプリケーションを可能にするためにデバイスをさらにスケールアップすることが、今後の研究の焦点となります。
Sb(III)吸着・隔離を同時に行う連続流量ろ過システムを開発しました。この技術の鍵は、電気化学的反応性、小さな細孔サイズ、容易に入手可能な活性部位、および高いSb特異性を備えた電気活性チタン-CNTフィルタです。本研究は、Sbやその他の同様の重金属イオンの除染に向けたフロースルーシステムの合理的な設計に関する新たな知見を提供する。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
開示するものは何もない。
Acknowledgments
この作品は、中国・上海自然科学財団(第18ZR1401000)、上海浦江プログラム(第18PJ1400400)、中国国家主要研究開発プログラム(No. 2018YFF0215703)によって支援されました。
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).
