Summary
Un protocole pour la conception rationnelle d'un filtre électroactif bifonctionnel composé de nanotubes de carbone et de nanofils titanates est signalé et leurs applications environnementales vers l'oxydation et la séquestration Sb(III) sont présentées.
Abstract
Nous avons conçu une méthode facile pour synthétiser un filtre électrochimique bifonctionnel composé de deux matériaux 1-D : les nanofils titanates et les nanotubes de carbone. Le filtre hybride titanate-CNT a été préparé par une sonication couplée à une voie post-filtration. En raison des effets synergiques du nombre accru de sites de sorption exposés, la réactivité électrochimique, la petite taille des pores du réseau titanate-CNT couplé e à une conception fluide, l'oxydation et la séquestration simultanées de Sb(III) peuvent être facilement Atteint. La technologie de spectromètre de fluorescence atomique a démontré que le champ électrique appliqué accélère le taux de conversion de Sb(III) et que le Sb(V) obtenu a été adsorbed efficacement par les nanofils de titane en raison de leur spécificité Sb. Ce protocole fournit une solution pratique pour l'élimination de Sb(III) hautement toxique et d'autres ions métalliques lourds similaires.
Introduction
Récemment, la pollution de l'environnement causée par l'antimoine émergente (Sb) a attiré beaucoup d'attention1,2. Des études approfondies démontrent que les composés Sb posent une toxicité élevée pour l'homme et les micro-organismes, bien que présents en faibles concentrations dans l'environnement3,4. Pire encore, les méthodes physicochimiques ou biologiques conventionnelles sont généralement inefficaces pour éliminer ces contaminants émergents en raison de leurs faibles concentrations et de leur toxicité élevée5. Les espèces les plus abondantes de Sb sont Sb(V) et Sb(III), dont cette dernière forme est plus toxique.
Parmi les méthodes de traitement actuellement disponibles, l'adsorption est considérée comme une alternative prometteuse et faisable en raison de son efficacité élevée, faible coût, et la simplicité6,7. Jusqu'à présent, plusieurs sorbents à l'échelle nanométrique avec des microstructures réglables, une grande surface spécifique et la spécificité Sb ont été développés, tels que TiO28, MnO29, titanate10, fer zerovalent11, oxydes de fer et autres oxydes de métal binaires12,13. Un problème commun lorsqu'il s'agit de adsorbents à l'échelle nanométrique est le problème post-séparation en raison de leur petite taille de particules. Une stratégie pour résoudre ce problème est de charger ces nano-sorbents sur macro/ micro-échelle soutient14. Une autre question difficile limitant l'application large de la technologie d'adsorption est le transport de masse pauvre provoqué par la concentration limitée des composés/molécules cibles15. Cette question peut être partiellement abordée par l'adoption d'une conception de membrane et la convention pourrait améliorer le transport de masse de manière significative. Des efforts récents ont été consacrés au développement de systèmes de traitement avancés qui combinent l'adsorption et l'oxydation dans une seule unité pour l'élimination efficace de Sb(III). Ici, nous montrons comment un filtre électroactif titanate-carbone (titanate-CNT) filtre a été rationnellement conçu et appliqué pour l'adsorption simultanée et la séquestration de Sb(III) toxique. En affinant la quantité de chargement de titane, la tension appliquée et le débit, nous démontrons comment le taux d'oxydation Et l'efficacité de séquestration de Sb(III) peuvent être adaptés en conséquence. Bien que la fabrication et l'application du filtre électroactif soient indiquées dans ce protocole, des conceptions similaires peuvent également s'appliquer au traitement d'autres ions de métal lourd.
Des changements mineurs dans le processus de fabrication et les réactifs peuvent entraîner des changements importants dans la morphologie et la performance du système final. Par exemple, il a été démontré que le temps, la température et la pureté chimique hydrothermales affectent les microstructures de ces adsorbents à l'échelle nanométrique. Le débit de la solution adsorbate détermine également le temps de résidence dans un système d'écoulement ainsi que l'efficacité d'élimination des composés cibles. Avec l'identification claire de ces paramètres d'impact clés, un protocole de synthèse reproductible peut être sécurisé et une efficacité d'élimination stable de Sb(III) peut être réalisée. Ce protocole vise à fournir une expérience détaillée sur la fabrication de filtres hybrides bifonctionnels ainsi que leurs applications vers l'élimination des ions métalliques lourds toxiques d'une manière fluide.
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Protocol
CAUTION : Veuillez lire attentivement les fiches de sécurité pertinentes (SDS) de tous les produits chimiques et porter l'équipement de protection personnelle (EPI) approprié avant utilisation. Certains produits chimiques sont toxiques et irritants. Soyez prudent lorsque vous manipulez des nanotubes de carbone, qui peuvent comporter des dangers supplémentaires s'ils sont inhalés ou contactés par la peau.
1. Préparation du filtre titanate-CNT électroactif
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Préparation des nanofils titanates16
- Dissoudre 56 g d'hydroxyde de potassium (KOH) dans 100 ml d'eau déionisée sous un remuement vigoureux.
- Ajouter 3 g de dioxyde de titane (TiO2) de poudre dans la solution KOH sous-dissous.
- Transférer la solution ci-dessus dans un réacteur doublé de téflon et la maintenir à 200 oC pendant 24 h.
- Laver le précipité blanc obtenu avec 0,1 mol/L d'acide chlorhydrique (HCl) et de l'eau déionisée jusqu'à ce qu'un pH neutre des effluents soit obtenu. Séchez le produit sous vide à 60 oC pendant la nuit.
- Transférer les produits dans un four à tubes et le chauffer à 600 oC pendant 2 h avec un taux de rampe de 1 oC/min.
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Préparation du filtre titanate-CNT17
- Ajouter 20 mg de nanotubes de carbone (CNT) dans 40 mL de pyrrolidone n-méthyle (NMP). Sonde-sonication pendant 40 min pour obtenir une solution homogène.
- Séparément, ajouter 20 mg de la titane nanofils comme fait dans 20 mL de NMP. Effectuer la sonde-sonication pendant 20 min.
- Mélangez la solution de dispersion titane avec la solution de dispersion CNT. Filtrer la solution de mélange sur une membrane PTFE, qui sert de support pour le filtre titanate-CNT.
- Rincer séquentiellement avec 100 ml d'éthanol et 200 ml d'eau déionisée.
REMARQUE : Un filtre CNT seul peut être préparé par une voie similaire sans l'ajout de nanofils titanesques.
2. Filtration électrochimique de Sb(III)
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Description sur l'appareil expérimental18
- Mener les expériences de sorption dans un boîtier de filtration en polycarbonate modifié par électrochimie (voir figure 1).
- Utilisez une alimentation DC pour conduire l'électrochimie.
- Adoptez l'anneau de titane perforé comme connecteur pour les filtres anodiques ou cathodiques.
- Utilisez un caoutchouc de silicone isolant comme séparateur et scellez.
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Expériences de filtration
- Ajouter 2,2 mg de C8H4K2 O12Sb2.3H2O dans 1000 ml d'eau déionisée pour préparer une solution de 800 g/L Sb(III).
- Transférer 100 ml de solution Sb(III) sur un bécher de 150 ml. Ajuster le pH de la solution à 7.
- Placez l'anode de filtre titanate-CNT préparée dans le boîtier de filtration en polycarbonate et placez un autre filtre CNT seul comme cathode. Scellez le boîtier.
- Passer à travers le système de filtration avec la solution Sb(III) à un débit donné. Appliquer une tension DC pendant la filtration.
- Déterminer la concentrationtotale et Sb(III) de Sb avec la technique de spectromètre de fluorescence atomique17.
REMARQUE : Dans ce processus, le débit et la tension appliquée peuvent être réglés par une pompe péristétique et une alimentation DC, respectivement.
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Representative Results
L'appareil de filtration électroactif utilisé est un boîtier de filtration en polycarbonate modifié par électrochimie (figure 1). Les techniques de microscope électronique à balayage des émissions sur le terrain (FESEM) et de microscopie électronique de transmission (TEM) sont utilisées pour caractériser la morphologie du filtre titanate-CNT (figure 2). Pour démontrer l'efficacité du système de filtration électrochimique, le changement de l'état total deSb et de l'état de valence de Sb en fonction du temps est déterminé (figure 3).
Les images FESEM du filtre titanate-CNT suggèrent une surface rugueuse. La caractérisation tem suggère que ces CNT sont empêtrés dans des nanofils titanesques. Cela suggère que nous avons synthétisé avec succès les matériaux hybrides titanate-CNT (Figure 2).
Le changement de l'état total deSb et de l'état de valence de Sb en fonction du temps à 2 V sont examinés (figure 3). Les résultats suggèrent que la concentration de Sb(V) augmente fortement dans le délai initial de 0,5 h et que la conversion complète de Sb(III) soit observée sur une filtration continue de 1 h en mode de recirculation. Cela indique que l'oxydation Sb(III) est le processus de réaction principal dans la phase initiale, puis le Sb(V) peut être adsorbed efficacement par les nanofils de titane chargés. En outre, la cinétique et la capacité de sorption de Sb ont augmenté avec la tension appliquée due aux interactions électrostatiques améliorées et au transport près de surface par électromigration.
Figure 1 : Appareil de filtration électroactif. (1) est le connecteur anodique d'anneau de titane au filtre anodique, (2) est le filtre anodique titanate-CNT, (3) est le joint isolant, (4) est le filtre cathodique de CNT, et (5) est le connecteur d'anneau de titane au filtre cathodique. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2 : (A) FESEM et (B) TEM caractérisations du filtre titanate-CNT. Ce chiffre a été modifié à partir de l'arbitre 19. Droit d'auteur 2019 Elsevier. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3 : Changements d'espèces Sb en fonction du temps. Conditions expérimentales. E - 2 V, [Sb(III)]0 ' 800 'g/L, débit ' 3 mL/min, pH0 '7 et 1 mM Na2SO4 electrolyte19. Ce chiffre a été modifié à partir de l'arbitre 19. Droit d'auteur 2019 Elsevier. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
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Discussion
La clé de cette technologie est de fabriquer un filtre hybride électroactif et poreux avec une haute spécificité Sb. Pour ce faire, une attention particulière doit être accordée au processus de fabrication. La quantité de nanofils titanesques doit être contrôlée avec précision en raison de l'effet de « compromis » entre la conductivité électrique et la surface du filtre.
En outre, il convient également de noter qu'une tension appliquée appropriée est nécessaire. Une fois que la tension appliquée est trop élevée (par exemple, 3 V), d'autres réactions concurrentielles, telles que le fractionnement de l'eau, peuvent conduire à la production de beaucoup de bulles (O2 à l'anode et H2 à la cathode) à la surface de l'électrode, ce qui peut bloquer les sites actifs et, par conséquent, contribuer négativement à la performance d'enlèvement Sb(III).
La stabilité du système à long terme est un autre sujet de préoccupation, puisque l'accumulation d'espèces Deb à la surface du filtre est inévitable. Cela nécessite un lavage périodique du filtre pour régénérer les sites de surface actifs (en particulier le lavage chimique).
En attendant, le coût de ce filtre électroactif titanite-CNT doit encore être pris en compte. Bien que le prix des CNT ait considérablement diminué en raison des progrès de leur technologie de production au cours des dernières décennies, leurs prix sont encore beaucoup plus élevés que ceux du carbone activé et d'autres matières carboniques largement utilisées.
En outre, il est à noter que les résultats expérimentaux actuels sont principalement obtenus à partir d'un dispositif de filtration électrochimique à l'échelle du laboratoire. La mise à l'échelle de l'appareil pour permettre des applications environnementales pratiques à grande échelle sera au centre de notre étude ultérieure.
Nous avons développé un système de filtration à flux continu pour l'adsorption et la séquestration simultanées Sb(III). La clé de cette technologie est un filtre électroactif titanite-CNT doté de réactivité électrochimique, de petite taille de pores, de sites actifs facilement disponibles et d'une grande spécificité Sb. Cette étude fournit de nouvelles perspectives pour la conception rationnelle des systèmes de flux vers la décontamination de Sb et d'autres ions métalliques lourds similaires.
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Disclosures
Nous n'avons rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par la Natural Science Foundation de Shanghai, en Chine (no 18ZR1401000), le Programme Pujiang de Shanghai (no 18PJ1400400) et le National Key Research and Development Program of China (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
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