Summary
Der rapporteres om en protokol for rationel udformning af et dobbelt funktionelt elektro aktivt filter bestående af carbonnanorør og titanat-nanoledninger, og deres miljø anvendelser i retning af SB (III) oxidation og binding præsenteres.
Abstract
Vi har designet en facile metode til at syntetisere en dual-funktionelle elektrokemisk filter bestående af to 1-D materialer: titanat nanoledninger og Carbon Nanorør. Hybrid titanate-CNT-filteret blev fremstillet ved en sonikering kombineret med en post-filtrerings rute. På grund af de synergistiske virkninger af det øgede antal eksponerede sorptionssteder, elektrokemisk reaktivitet, lille porestørrelse af titanat-CNT-netværket kombineret med et gennemstrømnings design, kan samtidig SB (III) oxidation og binding let Opnåede. Atomisk fluorescens-spektrometer teknologi viste, at det anvendte elektriske felt accelererer SB (III) konverteringsraten, og den as-opnåede SB (V) blev adsorbet effektivt af titanat-nanoledningerne på grund af deres SB-specificitet. Denne protokol giver en praktisk løsning til fjernelse af meget giftige SB (III) og andre lignende tungmetaller ioner.
Introduction
For nylig har den miljømæssige forurening forårsaget af spirende antimon (SB) tiltrukket meget opmærksomhed1,2. Omfattende undersøgelser viser, at SB-forbindelser udgør en høj toksicitet for mennesker og mikroorganismer, selv om de er til stede i lave koncentrationer i miljøet3,4. Endnu værre, konventionelle fysisk-kemiske eller biologiske metoder er normalt ineffektive til at fjerne disse nye forurenende stoffer på grund af deres lave koncentrationer og høj toksicitet5. De mest udbredte arter af SB er SB (V) og SB (III), hvoraf sidstnævnte form er mere giftig.
Blandt de nuværende tilgængelige behandlingsmetoder, er adsorptions menes at være en lovende og realistisk alternativ på grund af sin høje effektivitet, lave omkostninger, og enkelhed6,7. Indtil nu er flere nanoskala sorbenter med justerbare mikrostrukturer, stort specifikt overfladeareal og SB specificitet blevet udviklet, såsom TiO28, MnO29, titanat10, zerovalent Iron11, jernoxider og andre binære metaloxider12,13. Et fælles problem, når der beskæftiger sig med nanoskala adsorbenter er post-separation problem på grund af deres lille partikelstørrelse. En strategi til at løse dette problem er at indlæse disse Nano-sorbents på makro/mikro-skala understøtter14. Et andet udfordrende spørgsmål, der begrænser den brede anvendelse af adsorptions teknologi, er den dårlige masse transport forårsaget af begrænset koncentration af målforbindelser/molekyler15. Dette spørgsmål kan delvist afhjælpes ved at vedtage en membran design og konventionen kunne øge massetransporten betydeligt. Nylige bestræbelser har været afsat til at udvikle avancerede behandlingssystemer, der kombinerer adsorptions og oxidation i en enkelt enhed for effektiv SB (III) fjernelse. Her viser vi hvordan et elektro aktivt titanat-Carbon Nanorør (titanate-CNT) filter var rationelt konstrueret og anvendt til samtidig adsorptions og binding af toksisk SB (III). Ved at finjustere titanatlastnings mængden, den anvendte spænding og strømningshastigheden viser vi, hvordan SB (III) oxidations hastigheden og binding-effektiviteten kan skræddersys tilsvarende. Selv om fremstilling og anvendelse af det elektro aktive filter er vist i denne protokol, kan lignende design også gælde for behandling af andre tungmetaller ioner.
Mindre ændringer i fabrikationsprocessen og reagenser kan forårsage betydelige ændringer i morfologien og ydeevnen af det endelige system. For eksempel har hydrotermiske tid, temperatur og kemisk renhed vist sig at påvirke mikrostrukturerne i disse nanoskala adsorbenter. Strømningshastigheden af adsorbatopløsningen bestemmer også opholdstiden inden for et gennemstrømningssystem samt fjernelses effektiviteten af målforbindelser. Med tydelig identifikation af disse nøgle virkende parametre, kan en reproducerbar syntese protokol sikres og en stabil fjernelse effektivitet af SB (III) kan opnås. Denne protokol har til formål at give detaljerede erfaringer om fremstilling af Dual-funktionelle hybrid filtre samt deres applikationer til fjernelse af giftige tungmetaller ioner i en gennemstrømnings måde.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Forsigtig: Læs omhyggeligt de relevante sikkerhedsdatablade (SDS) for alle kemikalier, og bær korrekt personligt beskyttelsesudstyr (PPE) inden brug. Nogle af kemikalierne er giftige og irriterende. Vær forsigtig, når du håndterer Carbon Nanorør, som kan have yderligere farer, hvis inhaleres eller kontaktes af huden.
1. klargøring af det elektro aktive titanat-CNT-filter
-
Frem stilling af titanat nanoledninger16
- 56 g kaliumhydroxid (KOH) opløses i 100 mL deioniseret vand under kraftig omrøring.
- Tilsæt 3 g titandioxid (TiO2) pulver i as-opløst Koh opløsning.
- Opløsningen overføres til en Teflon-foret reaktor og opbevares ved 200 °C i 24 timer.
- Det opnåede hvide bundfald vaskes med 0,1 mol/L saltsyre (HCl) og deioniseret vand, indtil der opnås en neutral pH-værdi. Tør produktet under vakuum ved 60 °C natten over.
- Produkterne overføres til en rørovn og opvarmes til 600 °C i 2 timer med en rampe hastighed på 1 °C/min.
-
Frem stilling af titanat-CNT-filter17
- Tilsæt 20 mg carbonnanorør (CNTs) til 40 mL n-methylpyrrolidon (NMP). Sonde-sonikering for 40 min at opnå homogen opløsning.
- Separat tilsættes 20 mg af som lavet titanat nanoledninger i 20 mL NMP. Udfør sonde-sonikering i 20 min.
- Bland titanatdispersions opløsningen med CNT-dispersions opløsningen. Blandings Opløsningen filtreres på en PTFE-membran, der fungerer som støtte for titanat-CNT-filteret.
- Skyl sekventielt med 100 mL ethanol og 200 mL deioniseret vand.
Bemærk: et CNT-alone-filter kan tilberedes ved en lignende rute uden tilsætning af titanat-nanoledninger.
2. elektrokemisk filtrering af SB (III)
-
Beskrivelse af forsøgs apparatet18
- Udføre sorptionsforsøgene i et elektrokemisk modificeret polycarbonat-filtrerings kabinet (Se figur 1).
- Brug en DC-strømforsyning til at drive elektrokemi.
- Vedtage perforeret titanium ring som stik til anodisk eller katodiske filtre.
- Brug en isolerende silikone gummi som separator og tætning.
-
Eksperimenter med filtrering
- Tilsæt 2,2 mg C8h4K2o12sb2. 3h2o til 1000 ml deioniseret vand for at tilberede 800 μg/L SB (III) opløsning.
- Overfør 100 mL SB (III) opløsning til et 150 mL bægerglas. Justér opløsning pH til 7.
- Placer den as-forberedte titanate-CNT filter anode i polycarbonat filtrerings huset og Placer et andet CNT-alone filter som katode. Forsegl kabinettet.
- Passere gennem filtreringssystemet med SB (III) opløsning ved et givet flow. Anvend en JÆVNSTRØMS spænding under filtrering.
- Bestemmelse af SBTotal og SB (III) koncentration med atomfluorescens spektrometer teknik17.
Bemærk: i denne proces kan strømningshastigheden og den anvendte spænding indstilles af henholdsvis en peristaltisk pumpe og en DC-strømforsyning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Det anvendte elektro aktive filtrerings apparat er et elektrokemisk modificeret polycarbonat-filtrerings kabinet (figur 1). Felt emission scanning elektronmikroskop (FESEM) og transmission elektronmikroskopi (TEM) teknikker er ansat til at karakterisere morfologien af titanat-CNT filter (figur 2). For at påvise effektiviteten af det elektrokemiske filtreringssystem bestemmes ændringen af SB-Total og SB Valence-tilstand som en funktion af tiden (figur 3).
FESEM-billederne af titanate-CNT-filteret antyder en ru overflade. TEM karakterisering tyder på, at disse CNTS er viklet med titanat nanoledninger. Dette antyder, at vi med succes har syntetiseret titanate-CNT hybrid materialer (figur 2).
Ændringen af SBTotal og SB Valence tilstand som en funktion af tid på 2 V er undersøgt (figur 3). Resultaterne tyder på, at SB (V) koncentrationen stiger markant inden for den oprindelige 0,5 h og komplet SB (III) konvertering observeres over 1 h kontinuerlig filtrering i recirkulationsmodus. Dette indikerer, at SB (III) oxidation er den vigtigste reaktionsproces i den indledende fase, så SB (V) kan adsorbe effektivt af de indlæste titanat nanoledninger. Desuden steg både SB-sorptionskinetikken og kapaciteten med anvendt spænding på grund af forbedrede elektrostatiske interaktioner og nær overfladetransport ved elektron integration.
Figur 1: elektro aktive filtrerings apparater. (1) er det anodisk titanium ring stik til anodisk filter, (2) er titanat-CNT anodisk filter, (3) er den isolerende forsegling, (4) er det katodiske CNT filter, og (5) er titanium ring stikket til det katodiske filter. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: (a) FESEM og (B) tem-Karakteristik af titanat-CNT-filteret. Dette tal er blevet ændret fra ref 19. Copyright 2019 Elsevier. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: ændringer af SB-arter som en funktion af tiden. Forsøgsbetingelser. E = 2 V, [SB (III)]0 = 800 μg/L, strømningshastighed = 3 ml/min, ph0 = 7 og 1 mm na2så4 elektrolyt19. Dette tal er blevet ændret fra ref 19. Copyright 2019 Elsevier. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Nøglen til denne teknologi er at fabrikere et elektro aktivt ledende og porøst hybrid filter med høj SB-specificitet. For at gøre dette skal der udvises særlig omhu ved fabrikationsprocessen. Mængden af titanat nanoledninger skal styres præcist på grund af "trade-off"-effekten mellem filterens elektriske ledningsevne og overfladeareal.
Desuden bør det også bemærkes, at en korrekt anvendt spænding er nødvendig. Når den anvendte spænding er for høj (f. eks. > 3 V), kan andre konkurrencemæssige reaktioner, såsom vand opdeling, føre til produktion af mange bobler (O2 ved anode og H2 ved katode) ved elektrodeoverfladen, hvilket kan blokere de aktive steder og dermed bidrage NEGATIVT til SB (III) fjernelses ydelsen.
Systemets stabilitet i det langsigtede løb er et andet problem, der vækker bekymring, da ophobning af SB-arter på filterens overflade er uundgåelig. Dette kræver periodisk vask af filteret for at regenerere de aktive overflade steder (især kemisk vask).
I mellemtiden skal omkostningerne ved dette elektro aktive Titanite-CNT filter stadig tages i betragtning. Selv om prisen på CNTs er faldet betydeligt på grund af udviklingen i deres produktionsteknologi i de seneste årtier, deres priser er stadig langt højere end for aktivt kul og andre kulstof materialer, der er meget udbredt.
Desuden er det bemærkelsesværdigt, at de nuværende eksperimentelle resultater hovedsagelig er opnået fra en laboratorie-skala elektrokemisk filtrering anordning. Yderligere opskalering af enheden for at muliggøre praktiske store miljø anvendelser vil være i fokus i vores efterfølgende undersøgelse.
Vi har udviklet et kontinuerligt flow filtreringssystem til samtidig SB (III) adsorptions og binding. Nøglen til denne teknologi er et elektro aktivt Titanite-CNT-filter featured med elektrokemisk reaktivitet, lille porestørrelse, let tilgængelige aktive sites og høj SB specificitet. Denne undersøgelse giver ny indsigt i den rationelle udformning af gennemstrømningssystemer mod dekontaminering af SB og andre lignende tungmetaller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af Natural Science Foundation i Shanghai, Kina (no. 18ZR1401000), Shanghai Pujiang program (no. 18PJ1400400), og det nationale centrale forsknings-og udviklingsprogram i Kina (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).
