Summary
En protokoll for rasjonell design av en dual-funksjonell electroactive filter bestående av karbon nanorør og bariumtitanat nanotråder rapporteres og deres miljømessige applikasjoner mot SB (III) oksidasjon og opptak er presentert.
Abstract
Vi har utformet en facile metode for å syntetisere et dobbelt funksjonelt elektrokjemiske filter bestående av to 1-D-materialer: bariumtitanat nanotråder og karbon nanorør. Hybrid bariumtitanat-CNT filteret ble utarbeidet av en sonikering kombinert med en post-filtrering rute. På grunn av synergieffekter av det økte antallet utsatte sorption områder, elektrokjemiske reaktivitet, liten pore størrelse av bariumtitanat-CNT nettverk kombinert med en Flow-through design, samtidige SB (III) oksidasjon og opptak kan lett Oppnådd. Atomic fluorescens spektrometer teknologi demonstrerte at anvendt elektriske feltet akselererer SB (III) konverteringsfrekvens og som-innhentet SB (V) ble adsorberes effektivt av bariumtitanat nanotråder på grunn av deres SB spesifisitet. Denne protokollen gir en praktisk løsning for fjerning av svært giftige SB (III) og andre lignende heavy metal-ioner.
Introduction
Nylig har miljøforurensning forårsaket av nye antimon (SB) tiltrukket seg mye oppmerksomhet1,2. Omfattende studier viser at SB forbindelser utgjør høy toksisitet for mennesker og mikroorganismer, men til stede i lave konsentrasjoner i miljøet3,4. Enda verre, konvensjonelle fysikalsk eller biologiske metoder er vanligvis ineffektive å fjerne disse nye forurensninger på grunn av deres lave konsentrasjoner og høy toksisitet5. Den mest tallrike arter av SB er SB (V) og SB (III), hvorav sistnevnte form er mer giftig.
Blant de tilgjengelige behandlingsmetodene er det antatt at absorpsjon er et lovende og gjennomførbart alternativ på grunn av sin høye effektivitet, lave kostnader og enkelhet på6,7. Til nå har flere nanoskala sorbents med tunable mikrostrukturen, store spesifikke overflateareal og SB spesifisitet er utviklet, for eksempel TiO28, MnO29, bariumtitanat10, zerovalent Iron11, jern oksider og andre binære metalloksider12,13. Et vanlig problem når du arbeider med nanoskala adsorbenter er post-separasjon problemet på grunn av deres lille partikkelstørrelse. En strategi for å løse dette problemet er å laste disse nano-sorbents på makro/mikro-skala støtter14. En annen utfordrende sak som begrenser den brede anvendelsen av absorpsjons teknologi er den dårlige masse transporten forårsaket av begrenset konsentrasjon av mål forbindelser/molekyler15. Dette problemet kan være delvis adressert ved å vedta en membran design og konvensjonen kan forbedre massen transport betydelig. Nyere innsats har vært viet til å utvikle avanserte behandlingssystemer som kombinerer absorpsjon og oksidasjon i en enkelt enhet for effektiv fjerning av SB (III). Her viser vi hvordan et electroactive bariumtitanat-karbon nanorør (bariumtitanat-CNT)-filter var rasjonelt utformet og anvendt for samtidig absorpsjon og opptak av giftig SB (III). Ved å finjustere bariumtitanat laste mengde, anvendt spenning og strømningshastighet, viser vi hvordan SB (III) oksidasjons raten og opptak effektivitet kan skreddersys tilsvarende. Selv om fabrikasjon og anvendelse av electroactive filteret er vist i denne protokollen, kan lignende design også gjelde for behandling av andre heavy metal-ioner.
Mindre endringer i fabrikasjon prosessen og reagenser kan føre til betydelige endringer i morfologi og ytelse av det endelige systemet. For eksempel har hydrotermisk tid, temperatur og kjemisk renhet vist å påvirke mikrostrukturen av disse nanoskala adsorbenter. Strømningshastigheten til den adsorbatet løsningen bestemmer også oppholdstiden innenfor et gjennomstrømnings system, samt fjerning effektiviteten av mål forbindelser. Med klar identifisering av disse parametrene for viktige påvirker, kan en reproduserbar syntese sikres og en stabil fjernings effekt av SB (III) kan oppnås. Denne protokollen tar sikte på å gi detaljert erfaring på fabrikasjon av dual-funksjonelle hybrid filtre samt deres applikasjoner mot fjerning av giftige heavy metal ioner i en Flow-through måte.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
FORSIKTIG: Vennligst les nøye gjennom relevante sikkerhetsdatablad (SDS) av alle kjemikalier og bruk riktig personlig verneutstyr før bruk. Noen av kjemikaliene er giftige og irriterende. Vær forsiktig når du håndterer karbon nanorør, som kan ha flere farer ved innånding eller kontaktet av huden.
1. utarbeidelse av electroactive bariumtitanat-CNT filter
-
Utarbeidelse av bariumtitanat nanotråder16
- Løs opp 56 g av kalium natriumhydroksid (KOH) i 100 mL deionisert vann under kraftig omrøring.
- Tilsett 3 g titandioksid (TiO2) pulver inn i som-oppløst Koh løsning.
- Overfør løsningen ovenfor til en Teflon-lined reaktor og oppbevar den ved 200 ° c i 24 timer.
- Vask den oppnådde hvite utfelling med 0,1 mol/L saltsyre (HCl) og deionisert vann til et nøytralt avløpsvann pH oppnås. Tørk produktet under vakuum ved 60 ° c over natten.
- Overfør produktene til et rør ovn og varm den til 600 ° c for 2 t med en rampe hastighet på 1 ° c/min.
-
Fremstilling av bariumtitanat-cnt filter17
- Tilsett 20 mg karbon nanorør (CNTs) i 40 mL n-metyl pyrrolidon (NMP). Probe-sonikering for 40 min for å oppnå homogen løsning.
- Separat, tilsett 20 mg av som laget bariumtitanat nanotråder inn 20 mL av NMP. Utfør sonde-sonikering i 20 minutter.
- Bland den bariumtitanat sprednings løsningen med CNT-løsningen. Filtrer blandingen løsningen på en PTFE-membran, som fungerer som en støtte for bariumtitanat-CNT filter.
- Skyll sekvensielt med 100 mL etanol og 200 mL deionisert vann.
Merk: en CNT-Alone filter kan fremstilles ved en lignende rute uten tilsetning av bariumtitanat nanotråder.
2. elektrokjemiske filtrering av SB (III)
-
Beskrivelse av det eksperimentelle apparatet18
- Utfør sorption eksperimenter i et elektrokjemi modifisert polykarbonat filtrerings kabinett (se figur 1).
- Bruk en likestrømforsyning for å kjøre elektrokjemi.
- Vedta perforert Titan ring som kontakt for anodisk eller Katodisk filtre.
- Bruk en isolerende silikon gummi som en separator og tetning.
-
Filtrering eksperimenter
- Tilsett 2,2 mg C8H4K2o12SB2. 3h2O i 1000 ml deionisert vann for å tilberede 800 μg/L SB (III) løsning.
- Overfør 100 mL av SB (III)-løsningen til et 150 mL beger. Juster pH-oppløsning til 7.
- Plasser som forberedt bariumtitanat-CNT filter anode inn i polykarbonat filtrerings kabinett og plassere en annen CNT-Alone filter som bilde. Steng kabinettet.
- Gå gjennom filtreringssystemet med SB (III)-løsning ved en gitt flyt. Påfør en DC spenning under filtrering.
- Bestem SBTotal og SB (III) konsentrasjon med Atomic fluorescens spektrometer teknikk17.
Merk: i denne prosessen, strømningshastighet og anvendt spenning kan stilles av en peristaltisk pumpe og en likestrømforsyning, henholdsvis.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den electroactive filtrerings apparat ansatt er en elektrokjemisk modifisert polykarbonat filtrerings deksel (figur 1). Felt utslipp Scanning elektronmikroskop (FESEM) og transmisjon elektron mikroskopi (TEM) teknikker er benyttet for å karakterisere morfologi av bariumtitanat-CNT filter (figur 2). Å demonstrere effekten av elektrokjemiske filtreringssystem, endring av SBTotal og SB Valence staten som en funksjon av tid bestemmes (Figur 3).
FESEM-bilder av bariumtitanat-CNT-filter tyder på en ru overflate. TEM karakterisering antyder at disse CNTs er viklet med bariumtitanat nanotråder. Dette tyder på at vi har med hell syntetisert hybrid materialene bariumtitanat-CNT (figur 2).
Endringen av SBTotal og SB Valence staten som en funksjon av tid på 2 V er undersøkt (Figur 3). Resultatene tyder på at SB (V)-konsentrasjonen stiger kraftig innenfor den første 0,5-h og fullstendig SB (III)-konverteringen er observert over 1 time kontinuerlig filtrering i resirkulerings modus. Dette indikerer at SB (III) oksidasjon er den viktigste reaksjons prosessen i den innledende fasen, så SB (V) kan adsorberes effektivt av lastet bariumtitanat nanotråder. Videre økte både SB-sorption Kinetics og kapasiteten med anvendt spenning på grunn av forbedret elektrostatisk samhandling og nær overflate transport ved elektromigrasjon.
Figur 1: Electroactive filtrerings apparat. (1) er den anodisk Titan ring kontakten til det anodisk filteret, (2) er bariumtitanat-CNT anodisk filter, (3) er den isolerende tetningen, (4) er Katodisk CNT-filter, og (5) er Titan ring kontakten til Katodisk filteret. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: (A) FESEM og (B) tem-characterizations i bariumtitanat-cnt-filteret. Dette tallet er endret fra REF 19. Copyright 2019 Elsevier. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: endringer av SB-arter som en funksjon av tid. Eksperimentelle forhold. E = 2 V, [SB (III)]0 = 800 μg/L, strømningshastighet = 3 ml/min, pH0 = 7 og 1 mm na2så4 elektrolytt19. Dette tallet er endret fra REF 19. Copyright 2019 Elsevier. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Nøkkelen til denne teknologien er å dikte en electroactive ledende og porøs hybrid filter med høy SB-spesifisitet. For å gjøre dette, bør forsiktighet rettes til fabrikasjon prosessen. Mengden av bariumtitanat nanotråder må være nøyaktig kontrollert på grunn av "trade-off" effekt mellom filteret ' s elektrisk ledningsevne og overflateareal.
I tillegg bør det også bemerkes at en forsvarlig anvendt spenning er nødvendig. Når den brukte spenningen er for høy (f. eks > 3 V), andre konkurrerende reaksjoner, som vann splitting, kan føre til produksjon av mange bobler (O2 på anode og H2 på bilderør) på elektroden overflaten, som kan blokkere aktive områder og dermed bidra NEGATIVT til SB (III) fjerning ytelse.
Systemets stabilitet på lang sikt er en annen sak av bekymring, siden akkumulering av SB-arter på filteroverflaten er uunngåelig. Dette krever periodisk vask av filteret for å regenerere den aktive overflaten områder (spesielt kjemisk vask).
I mellomtiden, kostnaden for dette electroactive titanite-CNT filter fortsatt må vurderes. Selv om prisen på CNTs har betydelig redusert på grunn av fremdriften i sin produksjonsteknologi i de siste ti årene, prisene er fortsatt langt høyere enn for aktivt karbon og andre karbon materialer som er mye brukt.
Videre er det bemerkelsesverdig at dagens eksperimentelle resultatene er i hovedsak Hentet fra en laboratorie-skala elektrokjemiske filtrering enhet. Videre skalere opp enheten for å muliggjøre praktiske stor skala miljø applikasjoner vil være fokus for vår påfølgende studie.
Vi har utviklet et kontinuerlig filtreringssystem for samtidig å absorpsjon og opptak av SB (III). Nøkkelen til denne teknologien er en electroactive titanite-CNT filter kjennetegnet med elektrokjemiske reaktivitet, liten pore størrelse, lett tilgjengelig aktive områder, og høy SB spesifisitet. Denne studien gir ny innsikt for den rasjonelle utformingen av gjennomstrømnings systemer mot rensing av SB og andre lignende heavy metal-ioner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av Natural Science Foundation i Shanghai, Kina (nr. 18ZR1401000), Shanghai Pujiang program (no. 18PJ1400400), og National Key forskning og utvikling 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
- 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).
