Summary
Um protocolo para o projeto racional de um filtro eletroativo dual-funcional que consiste em nanotubos de carbono e nanofios titanatos é relatado e suas aplicações ambientais para a oxidação e sequestro sb (III) são apresentadas.
Abstract
Nós projetamos um método fácil para sintetizar um filtro eletroquímico dual-funcional composto por dois materiais 1-D: nanofios titanatos e nanotubos de carbono. O filtro híbrido titanate-CNT foi preparado por uma sonorização juntamente com uma rota pós-filtragem. Devido aos efeitos sinérgicos do aumento do número de locais de sorção expostos, a reatividade eletroquímica, o pequeno tamanho dos poros da rede titanato-CNT, juntamente com um design de fluxo, oxidação simultânea de Sb (III) e sequestro podem ser prontamente Alcançado. A tecnologia do espectrômetro de fluorescência atômica demonstrou que o campo elétrico aplicado acelera a taxa de conversão sb (III) e o Sb (V) obtido como obtiveram efetivamente pelos nanofios titanatos devido à sua especificidade Sb. Este protocolo fornece uma solução prática para a remoção de Sb altamente tóxico (III) e outros íons similares do metal pesado.
Introduction
Recentemente, a poluição ambiental causada pela antimônia emergente (Sb) tem atraído muita atenção1,2. Estudos extensivos demonstram que compostos Sb apresentam alta toxicidade para humanos e microorganismos, embora presentes em baixas concentrações no ambiente3,4. Pior ainda, métodos fisicoquímicos ou biológicos convencionais são geralmente ineficazes para remover esses contaminantes emergentes devido às suas baixas concentrações e alta toxicidade5. As espécies mais abundantes de Sb são Sb (V) e Sb (III), das quais esta última forma é mais tóxica.
Entre os métodos de tratamento atualmente disponíveis, acredita-se que a adsorção seja uma alternativa promissora e viável devido à sua alta eficiência, baixo custo e simplicidade6,7. Até agora, vários sorventes nanoescala com microestruturas tunable, grande área de superfície específica e especificidade Sb foram desenvolvidos, como TiO28, MnO29, titanate10, zerovalent ferro11, óxidos de ferro e outros óxidos de metal binário12,13. Um problema comum ao lidar com adsorventes em nanoescala é o problema pós-separação devido ao seu pequeno tamanho de partículas. Uma estratégia para resolver esta questão é carregar esses nano-sorbents em suportes macro/microescala14. Outra questão desafiadora que restringe a ampla aplicação da tecnologia de adsorção é o mau transporte de massa causado pela concentração limitada de compostos/moléculas alvo15. Esta questão pode ser parcialmente abordada apelando a um design de membrana e convenção poderia melhorar o transporte de massa significativamente. Esforços recentes têm sido dedicados ao desenvolvimento de sistemas de tratamento avançados que combinam adsorção e oxidação em uma única unidade para remoção efetiva de Sb (III). Aqui, mostramos como um filtro eletroativo de nanotubos de carbono-titanato (titanato-CNT) foi concebido racionalmente e aplicado para a adsorção e sequestro simultaneamente de Sb tóxico (III). Ao ajustar a quantidade de carregamento de titânito, tensão aplicada e taxa de fluxo, demonstramos como a taxa de oxidação e a eficiência de sequestro do Sb (III) podem ser adaptadas correspondentemente. Embora a fabricação e a aplicação do filtro eletroativo sejam mostradas neste protocolo, projetos similares também podem ser aplicados ao tratamento de outros íons de heavy metal.
Pequenas mudanças no processo de fabricação e reagentes podem causar mudanças significativas na morfologia e desempenho do sistema final. Por exemplo, o tempo hidrotermal, a temperatura e a pureza química têm demonstrado afetar as microestruturas desses adsorventes em nanoescala. A taxa de fluxo da solução adsorbate também determina o tempo de residência dentro de um sistema de fluxo, bem como a eficiência de remoção de compostos-alvo. Com a identificação clara desses parâmetros-chave de impacto, um protocolo de síntese reproduzível pode ser garantido e uma eficiência de remoção estável de Sb (III) pode ser alcançada. Este protocolo visa proporcionar uma experiência detalhada sobre a fabricação de filtros híbridos dual-funcionais, bem como suas aplicações para a remoção de íons tóxicos de metais pesados de forma fluida.
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Protocol
CUIDADO: Por favor, leia cuidadosamente as folhas de dados de segurança relevantes (SDS) de todos os produtos químicos e use equipamentos de proteção pessoal (PPE) adequados antes de usar. Alguns dos produtos químicos são tóxicos e irritantes. Tenha cuidado ao manusear nanotubos de carbono, que podem ter riscos adicionais se inalados ou contatados pela pele.
1. Preparação do filtro eletroativo titanato-CNT
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Preparação de nanofios titanados16
- Dissolva 56 g de hidróxido de potássio (KOH) em 100 mL de água desionizada agitação vigorosa.
- Adicione 3 g de dióxido de titânio (TiO2)em pó na solução KOH como dissolvida.
- Transfira a solução acima para um reator forrado de Teflon e mantê-lo em 200 °C para 24 h.
- Lave o precipitado branco obtido com ácido clorídrico de 0,1 mol/L (HCl) e água deionizada até que um pH de efluente neutro seja obtido. Seque o produto o vácuo em 60 °C durante a noite.
- Transfira os produtos para um forno de tubo e aqueça-o a 600 °C para 2 h com uma taxa de rampa de 1 °C/min.
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Preparação do filtro titanato-CNT17
- Adicione 20 mg de nanotubos de carbono (CNTs) em 40 mL de pirrolidona n-metil (NMP). Sonda-sonication por 40 min para obter solução homogênea.
- Separadamente, adicione 20 mg do como feito nanofios titanato em 20 mL de NMP. Realizar sonda-sonication por 20 min.
- Misture a solução de dispersão de titânio com a solução de dispersão da CNT. Filtre a solução da mistura em uma membrana PTFE, que sirva como suporte para o filtro titanate-CNT.
- Enxágüe sequencialmente com 100 mL de etanol e 200 mL de água deionizada.
NOTA: Um filtro cnt-sozinho pode ser preparado por uma rota semelhante sem a adição de nanofios titanatos.
2. Filtração eletroquímica de Sb (III)
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Descrição no aparelho experimental18
- Realizar os experimentos de sorção em uma cápsula de filtragem de policarbonato modificado eletroquímica (ver Figura 1).
- Use uma fonte de alimentação dc para conduzir a eletroquímica.
- Adote o anel de titânio perfurado como conector para filtros anôdicos ou cátodos.
- Use uma borracha de silicone isolante como separador e selo.
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Experimentos de filtragem
- Adicione 2,2 mg de C8H4K2O12Sb2.3H2O em 1000 mL de água desionizada para preparar 800 μg/L Sb (III) solução.
- Transfira 100 mL de Sb (III) solução para um copo de 150 mL. Ajuste a solução pH para 7.
- Coloque o titânio-CNT preparado como ânodo no revestimento de filtragem de policarbonato e coloque outro filtro CNT-sozinho como cátodo. Selar o invólucro.
- Passe através do sistema de filtragem com solução Sb (III) em um determinado fluxo. Aplique uma tensão dc durante filtração.
- Determine a concentraçãototal de Sb e Sb (III) com técnica de espectrômetro de fluorescência atômica17.
NOTA: Neste processo, a taxa de fluxo e a tensão aplicada podem ser ajustadas por uma bomba peristaltic e por uma fonte de alimentação da C.C., respectivamente.
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Representative Results
O aparelho de filtragem eletroativa empregado é uma cápsula de filtragem de policarbonato eletroquimicamente modificada (Figura 1). As técnicas de microscopia eletrônica de varredura de emissões de campo (FESEM) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) são empregadas para caracterizar a morfologia do filtro titanato-CNT (Figura 2). Para demonstrar a eficácia do sistema de filtragem eletroquímica, a mudança do estado de valênciatotal e Sb em função do tempo é determinada(Figura 3).
As imagens fesem de titanate-CNT filtro sugerem uma superfície áspera. A caracterização de TEM sugere que essas CNTs estão enredadas com nanofios titanados. Isso sugere que sintetizamos com sucesso os materiais híbridos titanate-CNT (Figura 2).
A mudança do estado de valênciaSb total e Sb em função do tempo em 2 V são examinados(Figura 3). Os resultados sugerem que a concentração de Sb (V) sobe acentuadamente dentro da conversão inicial de 0,5 h e a conversão completa de Sb (III) é observada ao longo de 1 h de filtragem contínua no modo de recirculação. Isso indica que a oxidação de Sb (III) é o principal processo de reação na fase inicial, então o Sb (V) pode ser adsorbed efetivamente pelos nanofios titanados carregados. Além disso, tanto a cinética de sorção sb quanto a capacidade aumentaram com tensão aplicada devido a interações eletrostáticas aprimoradas e perto do transporte de superfície por eletromigração.
Figura 1: Aparelho de filtragem eletroativa. (1) é o conector anôdico do anel de titânio ao filtro anodico, (2) é o filtro anodic titanate-CNT, (3) é o selo isolante, (4) é o filtro catódico de CNT, e (5) é o conector de anel de titânio ao filtro catódico. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 2: (A) FESEM e (B) CARACTERIZAções TEM do filtro titanate-CNT. Este número foi modificado a partir de ref 19. Direitos autorais 2019 Elsevier. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 3: Mudanças de espécies de Sb em função do tempo. Condições experimentais. E = 2 V, [Sb(III)]0 = 800 μg/L, taxa de fluxo = 3 mL/min, pH0 = 7 e 1 mM Na2SO4 eletrólito19 . Este número foi modificado a partir de ref 19. Direitos autorais 2019 Elsevier. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
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Discussion
A chave para esta tecnologia é fabricar um filtro híbrido eletroativo condutor e poroso com alta especificidade Sb. Para isso, um cuidado especial deve ser prestado ao processo de fabricação. A quantidade de nanofios titanatos precisa ser controlada com precisão devido ao efeito "trade-off" entre a condutividade elétrica do filtro e a área de superfície.
Além disso, deve-se também notar que é necessária uma tensão aplicada adequada. Uma vez que a tensão aplicada é muito alta (por exemplo, >3 V), outras reações competitivas, como a divisão de água, podem levar à produção de muitas bolhas (O2 no ânodo eH 2 na superfície do eletrodo) na superfície do eletrodo, o que pode bloquear os locais ativos e, portanto, contribuir negativamente para o desempenho de remoção de Sb (III).
A estabilidade do sistema a longo prazo é outra questão preocupante, uma vez que o acúmulo de espécies Sb na superfície do filtro é inevitável. Isso requer lavagem periódica do filtro para regenerar os locais de superfície ativos (especialmente lavagem química).
Enquanto isso, o custo desse filtro eletroativo titanita-CNT ainda precisa ser considerado. Embora o preço das CNTs tenha diminuído significativamente devido ao progresso de sua tecnologia de produção nas últimas décadas, seus preços ainda são muito maiores do que os de carbono ativado e outros materiais de carbono que são amplamente utilizados.
Além disso, vale ressaltar que os resultados experimentais atuais são obtidos principalmente de um dispositivo de filtragem eletroquímica em escala laboratorial. A ampliação do dispositivo para permitir aplicações ambientais práticas em larga escala será o foco do nosso estudo subsequente.
Desenvolvemos um sistema de filtragem de fluxo contínuo para adsorção e sequestro simultâneos de Sb (III). A chave para esta tecnologia é um filtro eletroativo titanita-CNT caracterizado com reatividade eletroquímica, tamanho de poros pequenos, locais ativos prontamente disponíveis e especificidade sb alta. Este estudo fornece novos insights para o design racional dos sistemas de fluxo para a descontaminação do Sb e outros íons de heavy metal semelhantes.
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Disclosures
Não temos nada a revelar.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado pela Fundação de Ciências Naturais de Xangai, China (Nº 18ZR1401000), pelo Programa Pujiang de Xangai (nº 18PJ14004000) e pelo Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Da 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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