Summary
Viene segnalato un protocollo per la progettazione razionale di un filtro elettroattivo a doppia funzionalità costituito da nanotubi di carbonio e nanofili titanati e viene presentato il loro applicazioni ambientale verso l'ossidazione e il sequestro di Sb(III).
Abstract
Abbiamo progettato un metodo facile per sintetizzare un filtro elettrochimico a doppia funzionalità composto da due materiali 1D: nanofili titanati e nanotubi di carbonio. Il filtro ibrido titanate-CNT è stato preparato da una sonicazione accoppiata con un percorso di post-filtrazione. A causa degli effetti sinergici dell'aumento del numero di siti di sorgamene esposti, la reattività elettrochimica, le piccole dimensioni dei pori della rete titanata-CNT abbinate a un progetto flow-through, l'ossidazione e il sequestro simultanei di Sb(III) possono essere Raggiunto. La tecnologia spettrometrica a fluorescenza atomica ha dimostrato che il campo elettrico applicato accelera il tasso di conversione Sb(III) e che gli Sb(V) ottenuti sono stati adsorbiti efficacemente dai nanofili titanati a causa della loro specificità Sb. Questo protocollo fornisce una soluzione pratica per la rimozione di Sb(III) altamente tossici e di altri ioni metallici pesanti simili.
Introduction
Recentemente, l'inquinamento ambientale causato dall'antimonio emergente (Sb) ha attirato molta attenzione1,2. Studi approfonditi dimostrano che i composti Sb pongono un'elevata tossicità per l'uomo e i microrganismi, anche se presenti in basse concentrazioni nell'ambiente3,4. Ancora peggio, i metodi fisici o biologici convenzionali sono di solito inefficaci per rimuovere questi contaminanti emergenti a causa delle loro basse concentrazioni edell'elevatatossicità 5 . Le specie più abbondanti di Sb sono Sb(V) e Sb(III), di cui quest'ultima forma è più tossica.
Tra i metodi di trattamento attualmente disponibili, l'adsorbimento è creduto per essere un'alternativa promettente e fattibile a causa della sua alta efficienza, basso costo, e semplicità6,7. Fino ad ora, sono stati sviluppati diversi sorbenti su nanoscala con microstrutture regolabili, grandi superfici specifiche e specificità Sb, come TiO28, MnO29, titanato10, ferro zerovalente11, ossidi di ferro e altri ossidi metallici binari12,13. Un problema comune quando si tratta di adsorbenti su nanoscala è il problema post-separazione dovuto alle loro piccole dimensioni di particelle. Una strategia per risolvere questo problema consiste nel caricare questi nanosorbenti su supporti macro/microscala14. Un'altra questione impegnativa che limita l'ampia applicazione della tecnologia adsorvanistica è la scarsa concentrazione di composti/molecole bersaglio15. Questo problema può essere parzialmente affrontato adottando una progettazione e una convenzione della membrana potrebbe migliorare significativamente il trasporto di massa. Recenti sforzi sono stati dedicati allo sviluppo di sistemi di trattamento avanzati che combinano adsorbizione e ossidazione in un'unica unità per una rimozione efficace di Sb(III). Qui, mostriamo come un nanotubi elettroattivo titanato-carbonio (titanate-CNT) sia stato progettato e applicato razionalmente per l'adsorbimento e il sequestro di Sb(III) tossici. Ottimizzando la quantità di carico in titanato, la tensione applicata e la portata, dimostriamo come la velocità di ossidazione di Sb(III) e l'efficienza del sequestro possano essere adattate in modo corrispondente. Anche se la fabbricazione e l'applicazione del filtro elettroattivo è mostrata in questo protocollo, disegni simili possono applicarsi anche al trattamento di altri ioni metallici pesanti.
Cambiamenti minori nel processo di fabbricazione e reagenti possono causare cambiamenti significativi nella morfologia e nelle prestazioni del sistema finale. Ad esempio, il tempo idrotermale, la temperatura e la purezza chimica hanno dimostrato di influenzare le microstrutture di questi adsorbenti su nanoscala. La portata della soluzione adsorbate determina anche il tempo di residenza all'interno di un sistema di flusso e l'efficienza di rimozione dei composti bersaglio. Con una chiara identificazione di questi parametri di impatto chiave, è possibile garantire un protocollo di sintesi riproducibile e ottenere un'efficienza di rimozione stabile di Sb(III). Questo protocollo mira a fornire un'esperienza dettagliata sulla fabbricazione di filtri ibridi a doppio funzionamento e sulle loro applicazioni verso la rimozione di ioni metallici pesanti tossici in modo flusso.
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Protocol
INFORMATIVA: Si prega di leggere attentamente le schede tecniche di sicurezza (SDS) pertinenti di tutte le sostanze chimiche e di indossare adeguate attrezzature di protezione personale (PPE) prima dell'uso. Alcune sostanze chimiche sono tossiche e irritanti. Fare attenzione quando si maneggiano nanotubi di carbonio, che possono avere rischi aggiuntivi se inalati o contattati dalla pelle.
1. Preparazione del filtro titanato-CNT elettroattivo
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Preparazione di nanofili titanati16
- Sciogliere 56 g di idrossido di potassio (KOH) in 100 mL di acqua deionizzata sotto agitazione vigorosa.
- Aggiungere 3 g di biossido di titanio (TiO2)nella soluzione KOH così disciolta.
- Trasferire la soluzione di cui sopra in un reattore rivestito in Teflon e tenerlo a 200 gradi centigradi per 24 h.
- Lavare il precipitato bianco ottenuto con 0,1 acido cloridrico mol/L (HCl) e acqua deionizzata fino a ottenere un pH effluente neutro. Asciugare il prodotto sotto vuoto a 60 gradi centigradi durante la notte.
- Trasferire i prodotti su un forno a tubo e riscaldarlo a 600 gradi centigradi per 2 h con una velocità di rampa di 1oC/min.
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Preparazione del filtro titanato-CNT17
- Aggiungere 20 mg di nanotubi di carbonio (CNT) in 40 mL di pirorolidone n-metile (NMP). Sonda-sonicazione per 40 min per ottenere una soluzione omogenea.
- Separatamente, aggiungere 20 mg dei nanofili titanati come fatti in 20 mL di NMP. Eseguire la sonda-sonicazione per 20 min.
- Mescolare la soluzione di dispersione del titanato con la soluzione di dispersione CNT. Filtrare la soluzione di miscela su una membrana PTFE, che funge da supporto per il filtro titanate-CNT.
- Risciacquare in sequenza con 100 mL di etanolo e 200 mL di acqua deionizzata.
NOTA: Un filtro a nome esterno CNT può essere preparato da un percorso simile senza l'aggiunta di nanofili titanati.
2. Filtrazione elettrochimica di Sb(III)
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Descrizione sull'apparato sperimentale18
- Condurre gli esperimenti di sorption in un involucro di filtrazione in policarbonato modificato elettrochimica (vedere La Figura 1).
- Utilizzare un alimentatore DC per guidare l'elettrochimica.
- Adottare l'anello in titanio perforato come connettore per filtri anodici o catodici.
- Utilizzare una gomma isolante in silicone come separatore e guarnizione.
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Esperimenti di filtrazione
- Aggiungere 2,2 mg di C8H4K2O12Sb2.3H2O in 1000 mL di acqua deionizzata per preparare la soluzione 800 g/L Sb(III).
- Trasferire 100 mL di soluzione Sb(III) su un becher da 150 mL. Regolare il pH della soluzione a 7.
- Posizionare l'anodo del filtro titanato-CNT come preparato nell'involucro di filtrazione in policarbonato e posizionare un altro filtro cNT-solo come catodo. Sigillare l'involucro.
- Passare attraverso il sistema di filtrazione con soluzione Sb(III) ad un determinato flusso. Applicare una tensione DC durante la filtrazione.
- Determinare la concentrazionetotale di Sb e Sb(III) con la tecnica dello spettrometro a fluorescenza atomica17.
NOTA: In questo processo, la portata e la tensione applicata possono essere regolate rispettivamente da una pompa peristale e da un alimentatore DC.
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Representative Results
L'apparato di filtrazione elettroattiva impiegato è un involucro di filtrazione in policarbonato modificato elettrochimicamente (Figura 1). Il microscopio elettronico a scansione delle emissioni sul campo (FESEM) e le tecniche di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) sono impiegate per caratterizzare la morfologia del filtro titanate-CNT (Figura 2). Per dimostrare l'efficacia del sistema di filtrazione elettrochimica, viene determinato il cambiamento dello stato di valenza Sbtotal e Sb in funzione del tempo (Figura 3).
Le immagini FESEM del filtro titanate-CNT suggeriscono una superficie sgrossata. La caratterizzazione TEM suggerisce che questi CNT sono impigliati con nanofili titanati. Ciò suggerisce che abbiamo sintetizzato con successo i materiali ibridi titanate-CNT (Figura 2).
Viene esaminato il cambiamento dello stato Sbtotal e Sb valence in funzione del tempo a 2 V (Figura 3). I risultati suggeriscono che la concentrazione di Sb(V) aumenta bruscamente all'interno della conversione iniziale di 0,5 h e Sb(III) completa è osservata oltre 1 h filtrazione continua nella modalità di ricircolo. Ciò indica che l'ossidazione Sb(III) è il processo di reazione principale nella fase iniziale, quindi l'Sb(V) può essere adsorbito efficacemente dai nanofili titanati caricati. Inoltre, sia la cinetica sorption Sb che la capacità sono aumentate con la tensione applicata a causa di interazioni elettrostatiche migliorate e del trasporto vicino alla superficie mediante elettromigrazione.
Figura 1: Apparecchi di filtrazione elettroattiva. (1) è il connettore ad anello in titanio anodico al filtro anodico, (2) è il filtro anodico titanate-CNT, (3) è il sigillo isolante, (4) è il filtro CNT catodico, e (5) è il connettore ad anello di titanio al filtro catodico. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: (A) Caratterizzazioni TEM FESEM e (B) del filtro titanate-CNT. Questa cifra è stata modificata rispetto al ref 19. Diritto d'autore 2019 Elsevier. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Cambiamenti delle specie Sb in funzione del tempo. Condizioni sperimentali. E : 2 V, [Sb(III)]0 - 800 g/L, portata di portata: 3 mL/min, pH0 e 1 mM Na2SO4 elettrolilte19. Questa cifra è stata modificata rispetto al ref 19. Diritto d'autore 2019 Elsevier. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
La chiave di questa tecnologia è fabbricare un filtro ibrido elettroattivo conduttivo e poroso con un'elevata specificità Sb. Per fare questo, particolare attenzione dovrebbe essere pagata al processo di fabbricazione. La quantità di nanofili titanati deve essere controllata con precisione a causa dell'effetto "trade-off" tra la conduttività elettrica del filtro e la superficie.
Inoltre, va anche notato che è necessaria una corretta tensione applicata. Una volta che la tensione applicata è troppo alta (ad esempio, >3 V), altre reazioni competitive, come la scissione dell'acqua, possono portare alla produzione di molte bolle (O2 all'anodo e H2 al catodo) sulla superficie dell'elettrodo, che possono bloccare i siti attivi e, quindi, contribuire negativamente alle prestazioni di rimozione di Sb(III).
La stabilità del sistema nel lungo termine è un'altra questione che preoccupa, poiché l'accumulo di specie di Sb sulla superficie del filtro è inevitabile. Ciò richiede il lavaggio periodico del filtro per rigenerare i siti di superficie attivi (in particolare il lavaggio chimico).
Nel frattempo, il costo di questo filtro elettroattivo titanite-CNT deve ancora essere considerato. Anche se il prezzo dei CNT è diminuito significativamente a causa del progresso della loro tecnologia di produzione negli ultimi decenni, i loro prezzi sono ancora molto superiori a quelli del carbonio attivato e di altri materiali di carbonio che sono ampiamente utilizzati.
Inoltre, è interessante notare che gli attuali risultati sperimentali sono ottenuti principalmente da un dispositivo di filtrazione elettrochimica su scala di laboratorio. Ulteriore scalabilità verticale del dispositivo per consentire applicazioni ambientali pratiche su larga scala sarà al centro del nostro studio successivo.
Abbiamo sviluppato un sistema di filtrazione a flusso continuo per l'adsorbimento e il sequestro simultanei di Sb(III). La chiave di questa tecnologia è un filtro elettroattivo titanite-CNT caratterizzato da reattività elettrochimica, piccole dimensioni dei pori, siti attivi prontamente disponibili e un'elevata specificità Sb. Questo studio fornisce nuove informazioni per la progettazione razionale dei sistemi di flusso verso la decontaminazione di Sb e di altri ioni metallici pesanti simili.
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Disclosures
Non abbiamo niente da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto dalla Natural Science Foundation di Shanghai, Cina (n. 18-R1401000), dal programma Shanghai Pujiang (n. 18PJ1400400) e dal National Key Research and Development Program of China (n. 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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