Eliminación del arsénico utilizando un gel de polímero catiónico impregnado con hidróxido de hierro

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Summary

En este trabajo, preparamos un adsorbente compuesto por el catiónico N,N-dimetilamino propilacrilamida cloruro de metilcloruro cuaternario (DMAPAAQ) gel de polímero e hidróxido de hierro para adsorbing arsénico de aguas subterráneas. El gel se preparó a través de un método novedoso diseñado para garantizar el máximo contenido de partículas de hierro en su estructura.

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Safi, S. R., Gotoh, T., Iizawa, T., Nakai, S. Removal of Arsenic Using a Cationic Polymer Gel Impregnated with Iron Hydroxide. J. Vis. Exp. (148), e59728, doi:10.3791/59728 (2019).

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Abstract

En este trabajo, preparamos un adsorbente compuesto por un gel de polímero catiónico que contiene hidróxido de hierro en su estructura diseñada para adsorbelismo de aguas subterráneas. El gel que seleccionamos fue el gel De,N-dimetilamino propilcrilamida de cloruro de metilo cuaternario (DMAPAAQ). El objetivo de nuestro método de preparación era asegurar el máximo contenido de hidróxido de hierro en la estructura del gel. Este enfoque de diseño permitió la adsorción simultánea tanto por la estructura polimérica del gel como por el componente de hidróxido de hierro, mejorando así la capacidad de adsorción del material. Para examinar el rendimiento del gel, medimos la cinética de reacción, realizamos análisis de sensibilidad de pH y selectividad, monitoreamos el rendimiento de adsorción de arsénico y realizamos experimentos de regeneración. Determinamos que el gel se somete a un proceso de quimiosión y alcanza el equilibrio a 10 h. Además, el gel adsorbido arsénico de manera efectiva a niveles de pH neutros y selectivamente en entornos iónicos complejos, logrando un volumen máximo de adsorción de 1,63 mM/g. El gel podría ser regenerado con 87.6% de eficiencia y NaCl podría ser utilizado para la desorción en lugar de NaOH dañino. En conjunto, el método de diseño a base de gel presentado es un enfoque eficaz para la construcción de adsorbentes de arsénico de alto rendimiento.

Introduction

La contaminación del agua es una gran preocupación ambiental, motivando a los investigadores a desarrollar métodos para eliminar contaminantes como el arsénico de los residuos1. Entre todos los métodos reportados, los procesos de adsorción son un enfoque de costo relativamente bajo para la eliminación de metales pesados2,3,4,5,6,7. Polvos de oxihidróxido de hierro se consideran uno de los adsorbentes más eficientes para extraer arsénico de soluciones acuosas8,9. Aún así, estos materiales sufren de una serie de inconvenientes, incluyendo los primeros tiempos de saturación y precursores sintéticos tóxicos. Además, hay un efecto adverso grave en la calidad del agua cuando estos adsorbentes se utilizan durante un largo período de tiempo10. A continuación, se necesita un proceso de separación adicional, como la sedimentación ola filtración, para purificar el agua contaminada, lo que aumenta el costo de la producción 8,11.

Recientemente, los investigadores han desarrollado geles de polímero como hidrogeles catiónicos, microgeles y criogeles que han demostrado propiedades de adsorción eficientes. Por ejemplo, una tasa de eliminación de arsénico del 96% se logró mediante el cloruro de trimetil amonio de crisotilo catiónico, poli(3-acrylamidopropyl) [p(APTMACl)]12. Además, a pH 9, aproximadamente 99.7% eficiencia de eliminación se logró por este hidrogel catiónico13. A pH 4, 98,72 mg/g de capacidad máxima de adsorción de arsénico se logró mediante el microgel, basado en tris(2-aminoetilo) amina (TAEA) y éter gliceroldiglycidyl (GDE), p(TAEA-co-GDE)14. Aunque estos geles demostraron buenos rendimientos de adsorción, no pudieron eliminar eficazmente el arsénico del agua a niveles de pH neutros, y sus selectividades en todos los ambientes estudiados no se notificaron15. Se midió una capacidad máxima de adsorción de 227 mg/g de cuando fe(III)-Sn(IV) se utilizó arena recubierta de óxido binario mixta a una temperatura de 313 K y un pH de 716. Alternativamente, la arena recubierta de óxido binario Fe-Zr (IZBOCS) también se ha utilizado para eliminar el arsénico y alcanzó una capacidad máxima de adsorción de 84,75 mg/g a 318 K y un pH de 717. Otros adsorbentes reportados sufren de bajo rendimiento de adsorción, falta de reciclabilidad, baja estabilidad, altos costos operativos y de mantenimiento, y el uso de productos químicos peligrosos en el proceso de síntesis4.

Buscamos abordar las limitaciones anteriores mediante el desarrollo de un material con un rendimiento mejorado de adsorción de arsénico, alta selectividad en entornos complejos, capacidad de reciclaje y actividad eficiente a niveles de pH neutros. Por lo tanto, desarrollamos un compuesto de gel catiónico de N,N-dimetilamino prometilamino proxilacrilamida de cloruro de metilcloruro cuaternario (DMAPAAQ) gel y hierro (III) hidróxido (FeOOH) partículas como un adsorbente para la eliminación de arsénico. Elegimos combinar FeOOH con nuestro gel porque FeOOH aumenta la adsorción de ambas formas de arsénico18. En este estudio, nuestro compuesto de gel fue diseñado para ser no poroso y fue impregnado con FeOOH durante la preparación. En la siguiente sección, se discuten más los detalles del método de preparación de gel, incluida nuestra estrategia para maximizar el contenido de FeOOH.

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Protocol

ADVERTENCIA: El arsénico es extremadamente tóxico. Por favor, use guantes, ropa de manga larga y gafas experimentales en todo momento durante el experimento para evitar cualquier contacto de la solución de arsénico con la piel y los ojos. Si el arsénico entra en contacto con cualquier parte del cuerpo, lávelo inmediatamente con jabón. Además, limpie el entorno experimental regularmente para que usted y otros no entren en contacto con arsénico, incluso cuando el experimento no se está realizando. Los síntomas de la exposición al arsénico pueden aparecer después de un largo período de tiempo. Antes de limpiar el equipo, primero enjuáguelo con agua limpia y deseche el agua por separado en un contenedor de residuos experimental designado para el arsénico. A continuación, limpie bien el equipo con detergente. Para prevenir la contaminación por arsénico del medio ambiente, tome precauciones mientras desecha muestras de arsénico. Deséchelos por separado en contenedores de residuos experimentales designados para el arsénico. Después de realizar el experimento de adsorción o desorción, los geles contienen una gran cantidad de arsénico. Por lo tanto, deseche los geles por separado en un cubo de residuos experimental designado solo para geles que contengan arsénico.

1. Síntesis del compuesto de gel DMAPAAQ+FeOOH

  1. Seque dos matraces de medición de 20 ml y dos vasos de 20 ml equipados con barras de agitación magnéticas.
  2. Transferencia 2,07 g de DMAPAAQ (75%), 0,15 g de N,N'-metileno bisacrilamida (MBAA), 0,25 g de sulfito sódico y 1,68 g de NaOH a un vaso de precipitados de 20 ml.
  3. Disolver la solución torcida torcida en agua destilada como "solvente" y agitarla durante 30 minutos con una barra de agitación magnética.
  4. Transfiera la mezcla del vaso de precipitados a un matraz de medición de 20 ml y añada agua destilada para generar una solución de 20 ml. Etiquete la solución como la "solución de monómero".
  5. Del mismo modo, tomar 0,27 g de peroxodisulfato de amonio (APS) y 3,78 g de FeCl3 en otro vaso de precipitados de 20 ml.
  6. Disolver la solución completamente en agua destilada y agitarla durante 30 minutos con una barra de agitación magnética.
  7. Transfiera la mezcla del vaso de precipitados a otro matraz de medición de 20 ml y añada agua destilada para componer una solución de 20 ml. Etiquete la solución como la "solución del iniciador".
  8. Prepare la configuración experimental como se muestra en la Figura1.
  9. Transfiera las soluciones a los respectivos embudos de separación de 20 ml.
  10. Purgue las soluciones con gas N2 durante 10 min.
  11. Mezcle las soluciones, revuelva en un tubo de ensayo de 50 ml con un agitador eléctrico y, a continuación, coloque la mezcla en un enfriador mantenido a 10 oC durante 40 minutos.
  12. Saque el bloque de gel del tubo de ensayo y colóquelo en una tabla de cortar plana.
  13. Cortar el bloque de gel en forma cúbica, de 5 mm de longitud.
  14. Remoje las rodajas de gel con agua desionizada durante 24 horas para eliminar las impurezas.
  15. Después de 12 h, reemplace el agua y remoje las rodajas de gel de nuevo.
  16. Esparce las rodajas de gel en un plato de Petri y sécalas a temperatura ambiente durante 24 horas.
  17. Colocar el plato de Petri con las rodajas de gel en el horno a 50oC durante 24 h.

2. Análisis de sensibilidad del pH

  1. Seque nueve recipientes de plástico de 40 ml.
  2. Mida nueve piezas de gel seco de 20 mg y coloque cada una de ellas en un recipiente de plástico separado de 40 ml.
  3. Añadir 20 ml de una solución de 4 mM de hidrógeno arsenatehehehidrato de sodio (Na2HAsO4x 7H2O) a cada recipiente.
  4. Para controlar los niveles de pH, añada 20 ml de solución NaOH o solución HCL con diferentes concentraciones (0,1, 0,01, 0,001, 0,0001 M) en los respectivos recipientes para mantener los niveles de pH de 2, 6, 8, 10, 12, 13 y etiquetarlos.
  5. Conservar los recipientes en el agitador a 20oC y 120 rpm durante 24 h.
  6. Recoja una muestra de 5 ml de cada recipiente y coloque cada muestra en un tubo de plástico utilizando un micropipeta.
  7. Mida el pH de equilibrio para todas las muestras.
  8. Mida la concentración restante de arsénico en la solución utilizando una cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC). Utilice una columna analítica (4 x 200 mm), una columna de protección (4 x 50 mm) y un supresor de 4 mm con las siguientes condiciones:
    Caudal: 1,5 mL/min;
    Cantidad de muestra inyectada: 10 ml;
    Temperatura de la columna: 30 oC;
    Solución eluyente: 2,7 mM Na2CO3 y 0,3 mM NaHCO3;
    Presión de la bomba: 2000 psi;
    Detección de conductividad eléctrica: Método supresor.
    NOTA: Adquirimos 1 ml de la muestra en una jeringa de un solo uso de 1 ml. La jeringa se acoplaba con un filtro de membrana de jeringa (tamaño de los poros: 0,22 mm, diámetro: 13 mm) para discretar los fragmentos microscópicos del gel de la muestra. Alrededor de 0,7 ml de muestra se inculcó en la columna. El agua destilada se infundeba antes del inicio de la inyección de las muestras como muestra en blanco. Los picos que denotan la existencia de arsénico en la muestra se detectaron a los 13 min.
    ADVERTENCIA: Después de inyectar la muestra, deje la jeringa en el cabezal de aspiración de HPLC durante casi 2 minutos con aproximadamente 0,2-0,3 ml de muestra restante en ella. Porque el polvo y el aire podrían penetrar en la columna y alterar su adepto, lo que posiblemente resultará en un resultado erróneo.

3. Experimento de adsorción de arsénico

  1. Seque cinco recipientes de plástico de 40 ml.
  2. Mida y coloque 20 mg de gel seco en cada recipiente de plástico de 40 ml.
  3. Añadir 40 ml de solución de hidrogenarsesenate heptahidrato disódico (Na2HAsO4x 7H2O) a cada recipiente a las siguientes concentraciones: 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2 mM.
  4. Conservar los recipientes en el agitador a 20oC y 120 rpm durante 24 h.
  5. Recoger una muestra de 5 ml de cada recipiente y colocar en un tubo de plástico utilizando un micropipeta.
  6. Siga el paso 2.8 para evaluar los niveles de arsénico de equilibrio en las soluciones que utilizan HPLC.

4. Análisis de selectividad del gel DMAPAAQ+FeOOH

  1. Seque cinco recipientes de plástico de 40 ml.
  2. Coloque 20 mg de gel seco en cada uno de los cinco envases de plástico de 40 ml.
  3. Añadir 20 ml de una solución de 0,4 mMde hidrógenoarsenate heptasenate de 0,4 mM a cada recipiente.
  4. Añadir 20 ml a concentraciones de 0,5, 1, 2, 5, 10 mM Na2SO4 a los cinco contenedores.
  5. Conservar los recipientes en el agitador a 20oC y 120 rpm durante 24 h.
  6. Recoger una muestra de 5 ml de cada recipiente y colocar en tubos de plástico separados utilizando micropipetas.
  7. Siga el paso 2.8 para cuantificar la concentración restante de arsénico en la solución utilizando HPLC.

5. Análisis de la tasa de equilibrio

  1. Seque siete recipientes de plástico de 40 ml.
  2. Coloque 20 mg de gel seco en cada uno de los envases de plástico de 40 ml.
  3. Añadir 40 ml de una solución de 0,2 mM de hidrógeno arsenateílico de hidrógeno sódico (Na2HAsO4x 7H2O) a cada uno de los recipientes.
  4. Conservar los recipientes en el agitador a 20 oC a 120 rpm durante la duración de los tiempos indicados.
  5. Recoger muestras de 5 ml en tubos de plástico utilizando micropipetas después de 0,5, 1, 3, 7, 11, 24 y 48 h.
  6. Siga el paso 2.8 para determinar el nivel de arsénico de equilibrio en cada solución utilizando HPLC.

6. Análisis de regeneración

  1. Análisis de adsorción
    1. Seque un recipiente de plástico de 40 ml.
    2. Tomar 20 mg de gel seco y colocarlo en el recipiente de plástico de 40 ml.
    3. Añadir 40 ml de una solución de 0,2 mMde hidrógenoarsenate heptasenate de 0,2 mM al recipiente.
    4. Conservar el recipiente en el agitador a 20oC y 120 rpm durante 24 h.
    5. Recoger una muestra de 5 ml en un tubo de plástico utilizando un micropipeta.
    6. Consulte el paso 2.8 para evaluar el nivel de arsénico de equilibrio en la solución utilizando HPLC.
  2. Limpieza del gel
    1. Consigue un tamiz de malla.
    2. Recoger cuidadosamente las piezas de gel de una en una para que no se rompan y colocarlas en el tamiz de malla.
    3. Lave el gel varias veces (mínimo cinco veces) con agua desionizada para que se lave el arsénico restante en la superficie del gel.
      ADVERTENCIA: Las piezas de gel son frágiles. Manéjalos con cuidado mientras los lava y los transfiere de la solución de arsénico a la solución de NaCl.
  3. Análisis de desorción
    1. Seque un recipiente de plástico de 40 ml.
    2. Coloque las piezas de gel del paso 6.2 en un recipiente de plástico de 40 ml.
    3. Agregue 40 ml de una solución NaCl de 0,5 M al contenedor.
    4. Conservar el recipiente en el agitador a 20oC y 120 rpm durante 24 h.
    5. Recoger una muestra de 5 ml en un tubo de plástico utilizando un micropipeta.
    6. Siga el paso 2.8 para evaluar el nivel de arsénico de equilibrio en la solución utilizando HPLC.
  4. Repetición del proceso
    1. Después de recoger el gel del paso 6.3, repita el proceso en la siguiente secuencia para ocho ciclos completos: 6.2 > 6.1 > 6.2 > 6.3 > 6.2 > 6.1 > 6.2 > 6.3.

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Representative Results

La Figura 1 describe la configuración experimental para la preparación del gel DMAPAAQ+FeOOH. La Tabla 1 ilustra las composiciones de los materiales implicados en la preparación del gel.

La Figura 2 muestra la relación del tiempo de contacto con la adsorción del arsénico por el gel DMAPAAQ+FeOOH. En la cifra, la cantidad de adsorción de arsénico se examinó a 0,5, 1, 3, 7, 11, 24 y 48 h. Los resultados muestran que la adsorción del arsénico alcanza su equilibrio después de 10 h, y después de 24 h de adsorción, se detectó un aumento mínimo en la cantidad de adsorción de arsénico.

Figura 3a ,b muestra la cinética de reacción de pseudo primer orden y pseudo segundo orden para la adsorción de arsénico por el gel DMAPAAQ+FeOOH. Los resultados sugieren que los coeficientes de correlación (R2) para pseudo primer orden y pseudo segundo orden fueron 0,866 y 0,999, respectivamente.

La Figura 4 muestra la sensibilidad al pH del gel DMAPAAQ+FeOOH. La misma cantidad de gel DMAPAAQ+FeOOH seco (20 mg) se sumergió en soluciones de arsénico (0,2 mM) a diferentes niveles de pH durante 24 h a 20 oC y 120 rpm. Los resultados sugieren que la adsorción del arsénico fue alta en niveles bajos y neutros de pH y baja a niveles altos de pH.

La Figura 5 muestra el rendimiento de adsorción de DMAPAAQ+FeOOH. La misma cantidad de gel DMAPAAQ+FeOOH seco (20 mg) se sumergió en diferentes concentraciones de solución de arsénico (0,1, 0,2, 0,5, 1, 2 mM) a 20 oC y 120 rpm durante 24 horas. Los resultados muestran que la capacidad máxima de adsorción de arsénico del gel DMAPAAQ+FeOOH fue de 1,63 mM/g. Los datos también eran coherentes con la isotermia de Langmuir.

La Figura 6 muestra el análisis de selectividad del gel DMAPAAQ+FeOOH. La misma cantidad de gel seco DMAPAAQ+FeOOH (20 mg) se sumergió en la solución de arsénico (0,2 mM) con diferentes concentraciones de SO42o (1, 2, 5, 10, 20 mM) a 20 oC y 120 rpm durante 24 h. El análisis muestra que la cantidad de adsorción de arsénico disminuyó ligeramente con un aumento en la concentración de SO42o; sin embargo, el cambio fue pequeño, y a altas concentraciones de SO42o,el gel todavía absorbió arsénico con eficacia.

La Figura 7 muestra el experimento de regeneración del gel DMAPAAQ+FeOOH. La misma cantidad de gel seco (20 mg) se utilizó durante ocho días consecutivos de experimentación. El experimento se llevó a cabo utilizando una solución de arsénico de 0,2 mM a 20 oC y 120 rpm durante 24 horas. Para llevar a cabo el proceso de desorción, el gel se lavó y se sumergió en una solución de NaCl de 0,5 M a 20 oC y 120 rpm durante 24 horas. El gel se regeneró con éxito después de ocho días de ciclos continuos de adsorción-desorción. Calculamos la eficiencia de regeneración a partir de los datos de adsorción en el día 1 y el día 7; se logró una eficiencia de regeneración del 87,6%.

Química Cantidad (mol/m3)
Monómero DMAPAAQ 500
Crosslinker MBAA 50
Acelerador Sulfito de sodio 80
Hidróxido de sodio (NaOH) 2100
Iniciador Peroxodisulfato de amonio (APS) 30
Cloruro férrico (FeCl3) 700

Tabla 1: Composición del gel DMAPAAQ+FeOOH. Esta tabla ha sido adoptada de Chemosphere [217, 808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 y detalla los materiales utilizados en la preparación del gel DMAPAAQ+FeOOH.

Figure 1
Figura 1: Configuración experimental para la preparación del gel DMAPAAQ+FeOOH. Esta figura muestra la disposición del equipo para la preparación del gel DMAPAAQ+FeOOH. Dado que nuestro método de preparación es único, esta cifra ayudará a los investigadores a replicar nuestra configuración. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Relacionar el tiempo de contacto con la cantidad de adsorción entre el gel DMAPAAQ+FeOOH y la solución de arsénico. Esta cifra ha sido modificada de Chemosphere [217, 808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 y muestra la relación entre la cantidad de adsorción de arsénico por el gel DAMapa+FeOOH y el tiempo de contacto. Además, ilustra el tiempo necesario para que el gel alcance su equilibrio de adsorción. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Cinética de reacción de adsorción de arsénico del gel DMAPAAQ+FeOOH. (a) Pseudo primer orden. (b) Pseudo segundo orden. Esta cifra ha sido modificada de Chemosphere [217, 808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 y muestra la idoneidad del modelo cinético al gel DMAPAAQ+FeO. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: análisis de sensibilidad al pH del gel DMAPAAQ+FeOOH. Esta cifra ha sido adoptada de Chemosphere [217, 808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 y muestra los resultados del análisis de sensibilidad al pH del gel DMAPAAQ+FeOOH en soluciones de arsénico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Rendimiento de adsorción del gel DMAPAAQ+FeOOH. Esta cifra ha sido modificada de Chemosphere [217, 808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 y muestra la cantidad de adsorción de arsénico por el gel DMAPAAQ+FeOOH a diferentes concentraciones de arsénico y el ajuste de estos datos con el modelo isotérmico Langmuir. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Análisis de selectividad del gel DMAPAAQ+FeOOH. Esta cifra ha sido modificada de Chemosphere [217, 808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15 y muestra la selectividad de adsorción de arsénico del gel DMAPAAQ+FeOH en presencia de diferentes concentraciones de iones de sulfato. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: Análisis de regeneración del gel DMAPAAQ+FeOOH. Esta cifra ha sido adoptada de Chemosphere [217, 808-815, doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.050 (2019)]15. La reutilización del gel DMAPAAQ+FeOOH se examinó durante ocho días continuos utilizando soluciones de arsénico para adsorción y NaCl para procesos de desorción. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

El principal avance de nuestro método desarrollado es la estrategia de diseño única del compuesto de gel. El propósito de nuestro método de preparación de gel era maximizar la cantidad de contenido de hierro en el gel. Durante la preparación, añadimos FeCl3 y NaOH a la "solución de iniciador" y a la "solución de monómero", respectivamente. Una vez que la solución de monómero se mezcló con la solución del iniciador, hubo una reacción entre FeCl3 y NaOH, produciendo FeOOH dentro del gel. Este fenómeno aseguró el máximo contenido de hierro en el compuesto de gel. A pesar de las ventajas de este método, el gel no se forma en las siguientes condiciones: 1) Cuando las soluciones no se mezclan a fondo; 2) Cuando la cantidad de FeCl3 supera los 700 mol/m3 o el iniciador, APS, y el acelerador, sulfito sódico, son menores.

Si el gel no se forma, agregue el iniciador y el acelerador gradualmente y mezcle la solución a fondo. Si la cantidad de iniciador y acelerador es demasiado alta, la estructura polimérica del gel difiere y no se puede lograr el rendimiento deseado. Cuando el gel comience a formarse, deja de mezclarlo para evitar distorsionar el gel.

Estudios anteriores han reportado una adsorción ineficaz del arsénico a niveles de pH neutros. Por lo tanto, el experimento de sensibilidad al pH en el presente trabajo fue importante para indicar la aplicabilidad práctica del gel desarrollado. Nuestros estudios demuestran que el gel adsorbido arsénico eficazmente y fue regenerado por NaCl a niveles de pH neutros. Aunque la cantidad de adsorción de arsénico era alta en valores de pH ácidos y baja a valores básicos de pH, la adsorción fue efectiva a niveles de pH neutros (Figura4). Para evaluar el comportamiento de adsorción en condiciones reales, realizamos otros experimentos a niveles de pH neutros.

Se estudió la relación entre los tiempos de contacto de la solución de gel/arsénico y la cantidad de adsorción de arsénico. El gel DMAPAAQ+FeOOH alcanzó el equilibrio de adsorción a 10 h (Figura2). Además, examinamos la tasa de adsorción por el gel DMAPAAQ+FeOOH con losdos modelos cinéticos, pseudo primer orden y pseudo segundo orden (Figura 3a,b). Los coeficientes de correlación (R2) denotaban la similitud entre los valores experimentales y los valores calculados. Encontramos que el valor R2 era mayor para la cinética de reacción de pseudo segundo orden. Este hallazgo sugiere que la adsorción entre la solución de arsénico y el gel DMAPAAQ+FeOOH es un proceso de quimiosoración19.

Realizamos los análisis de rendimiento de adsorción a niveles de pH neutros. 20 mg de gel seco se sumergieron en la solución de arsénico durante 24 horas a diferentes concentraciones de As(V). La Figura 5 muestra las cantidades de arsénico adsorbido por el gel DMAPAAQ+FeOOH. Estos resultados fueron consistentes con el modelo isotérmico Langmuir de adsorción. La cantidad máxima de adsorción por el gel alcanzó 1,63 mM/g (Figura5). En particular, el gel desarrollado superó a los adsorbentes previamente reportados estudiados a niveles de pH neutros. Racionalizamos esta observación por la estructura única del gel, que permite la adsorción simultánea del arsénico tanto por las unidades DMAPAAQ como FeOOH. Encontramos que el 35,5% del arsénico fue adsorbido por el grupo amino del compuesto DMAPAAQ+FeOOH y el 64,4% del arsénico fue adsorbido por partículas FeOOH15. Durante el proceso de adsorción, asegúrese de que el gel esté completamente sumergido en la solución de arsénico. Los altos niveles de adsorción de arsénico por el gel actual sobre los materiales convencionales y recientemente estudiados demuestran su prometedorutilidad como un adsorbente altamente eficiente.

La selectividad es una propiedad importante de un adsorbente porque haymuchos ionescompetidores en el agua, incluyendo Cl , HS , SO32 ,SO42 ,H2CO3, HCO3, y CO 3 2o 20. La serie Hofmeister sugiere que el ion de sulfato (SO42o)puede interrumpir el embalaje de hidrocarburos y penetrar en la región de grupos de cabecera de la monocapa de un adsorbente21. Se ha determinado que la concentración de sulfato en aguas subterráneas es tan alta como 230 mg/L22. Por lo tanto, si el gel desarrollado puede taludar selectivamente el arsénico con sulfato como un ion competidor, puede ser adecuado para el tratamiento de las aguas subterráneas ambientales. Así, se realizaron análisis de selectividad con iones de sulfato y se demostró que el gel DMAPAAQ+FeOOH adsorbicó arsénico eficazmente a altas concentraciones de sulfato (Figura6). Dado que la cantidad de adsorción de arsénico fue similar en ausencia o presencia de iones de sulfato, el gel puede funcionar tan eficazmente en aguas subterráneas como en el laboratorio.

La regeneración es una característica importante de cualquier adsorbente práctico porque garantiza reducciones de costes, eco-amistad y usabilidad23. El gel desarrollado se regeneró con éxito durante ocho días consecutivos de experimentación (Figura7). Además, se logró una eficiencia de regeneración del 87,6% cuando se utilizó el mismo gel para los ocho ciclos de adsorción y desorción. Uno de los hallazgos más importantes de nuestra investigación fue el uso de NaCl en el proceso de desorción. Mientras que NaOH se utiliza convencionalmente para la desorción, puede ser perjudicial para la salud humana. Por lo tanto, sustituimos NaOH por NaCl en nuestros estudios, que no habían sido reportados previamente.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Esta investigación fue apoyada por el número de subvención JSPS KAKENHI (26420764, JP17K06892). También se reconoce la contribución del Ministerio de Tierras, Insfraestructura, Transporte y Turismo (MLIT), Gobierno del Japón en el marco del "Programa de Subvenciones a la Investigación y desarrollo de la Tecnología de la Construcción" a esta investigación.  También reconocemos la contribución del Sr. Kiyotaka Senmoto a esta investigación. La Sra. Adele Pitkeathly, Asesora Senior de Escritura del Centro de Escritura de la Universidad de Hiroshima también es reconocida por las correcciones y sugerencias en inglés. Esta investigación fue seleccionada para su presentación oral en la 7a Conferencia IWA-Aspire, 2017 y Conferencia de Tecnología del Agua y el Medio Ambiente, 2018.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
N,N’-dimethylamino propylacrylamide, methyl chloride quaternary (DMAPAAQ) (75% in H2O) KJ Chemicals Corporation, Japan 150707
N,N’-Methylene bisacrylamide (MBAA) Sigma-Aldrich, USA 1002040622
Sodium sulfite (Na2SO3) Nacalai Tesque, Inc., Japan 31922-25
Sodium sulfate (Na2SO4) Nacalai Tesque, Inc., Japan 31916-15
Di-sodium hydrogenarsenate heptahydrate(Na2HAsO4.7H20) Nacalai Tesque, Inc., Japan 10048-95-0
Ferric chloride(FeCl3) Nacalai Tesque, Inc., Japan 19432-25
Sodium hydroxide(NaOH) Kishida Chemicals Corporation, Japan 000-75165
Ammonium peroxodisulfate (APS) Kanto Chemical Co. Inc., Japan 907W2052
Hydrochloric acid (HCl) Kanto Chemical Co. Inc., Japan 18078-01
Sodium Chloride (NaCl) Nacalai Tesque, Inc., Japan 31320-05

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References

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