Um método eficiente para dessalinização seletiva de iodo radioativo ânions usando filtro de membrana incorporado de nanopartículas de ouro
Summary
Um método eficiente para a rápida e íon seletivo dessalinização de iodo radioativo em várias soluções aquosas é descrito usando filtros de membrana de acetato de celulose imobilizada de nanopartículas de ouro.
Abstract
Aqui, demonstramos um protocolo de detalhe para a preparação de membranas compostas incorporado nanomateriais e sua aplicação para a remoção eficiente e íon seletivo de iodines radioativos. Por meio de nanopartículas de ouro citrato-estabilizado (diâmetro médio: 13 nm) e membranas de acetato de celulose, ouro, membranas de acetato de celulose de nanopartículas-incorporado (Au-CAM) facilmente tem sido fabricadas. Os nano-adsorventes na Au-CAM foram altamente estáveis na presença de alta concentração de sais inorgânicos e moléculas orgânicas. Íons em soluções aquosas de iodeto rapidamente poderiam ser capturados por esta membrana projetada. Através de um processo de filtração, usando uma unidade de filtro contendo Au-CAM, eficiência de remoção excelente (> 99%), bem como íon seletivo resultado de dessalinização foi alcançado em um curto espaço de tempo. Além disso, Au-CAM prevista uma boa reutilização sem diminuição significativa de suas performances. Estes resultados sugeriram que a tecnologia presente usando a membrana híbrido projetada será um processo promissor para a descontaminação em grande escala de iodo radioativo de resíduos líquidos.
Introduction
Há várias décadas, enorme quantidade de resíduos radioactivos líquidos foi gerada por reactores nucleares, instalações de pesquisa e instituições médicas. Esses poluentes foram frequentemente uma ameaça palpável para o meio ambiente e saúde humana1,2,3. Especialmente, o iodo radioativo é reconhecido como um dos elementos mais perigosos devido a acidentes de usina nuclear. Por exemplo, um ambiente um relatório sobre o Fukushima e Chernobyl reator nuclear demonstrou que a quantidade de lançado iodines radioativos incluindo 131eu (t1/2 = 8,02 dias) e 129eu (t1/2 = 15,7 milhões de anos) para o ambiente era maior do que aqueles de outros radionuclídeos4,5. Em particular, a exposição destes radioisótopos resultou em alta absorção e enriquecimento na tiroide humana6. Além disso, iodines radioativos liberados podem causar grave contaminação do solo, água do mar e das águas subterrâneas devido à sua alta solubilidade em água. Portanto, muitos processos de remediação usando vários Adsorventes inorgânicos e orgânicos têm sido investigados para capturar iodines radioativos em resíduos aquosos7,8,9,10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20. apesar de extensos esforços têm se dedicado ao desenvolvimento de sistemas avançados de adsorvente, o estabelecimento de um método de descontaminação mostrando performances satisfatórias sob condição de em fluxo contínua era muito limitado. Recentemente, nós relatamos um processo de dessalinização novela mostrando a eficiência de remoção boa, íon-seletividade, sustentabilidade e reutilização usando materiais de compósito nano híbrido de nanopartículas de ouro (AuNPs)21,22 , 23. entre eles, membranas de ouro embutido de nanopartículas de acetato de celulose (Au-CAM) facilitaram a dessalinização altamente eficiente de íons iodeto sob um sistema de fluxo contínuo em comparação com aqueles de materiais adsorventes existentes. Além disso, todo o processo poderia ser terminado em um curto período de tempo, que foi outra vantagem para o tratamento de resíduos nucleares gerados a partir de pós-uso em aplicações médicas e industriais. O objetivo geral do presente manuscrito é fornecer um protocolo passo a passo para a preparação de Au-CAM24. Também demonstramos que um processo de filtração rápida e conveniente para íon-seletivo captura de iodo radioativo usando as membranas compostas projetadas. O protocolo detalhado neste relatório oferecerá uma aplicação útil dos nanomateriais no campo de pesquisa de ciências ambientais.
Protocol
Representative Results
Discussion
Em anos recentes, vários nanomateriais engenharia e membranas foram desenvolvidas para remover metais radioactivos perigosos e metais pesados na água com base na sua funcionalidade específica na adsorção técnicas25,26, 27 , 28 , 29 , 30 , 31 , 32 <sup…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela bolsa de investigação provenientes da Fundação Nacional de pesquisa da Coreia (Grant number: 2017M2A2A6A01070858).
Materials
| Hydrochloric acid | DUKSAN | 1129 | |
| Nitric acid | JUNSEI | 37335-1250 | |
| Chloroautic chloride trihydrate (HAuCl4·3H2O) | Sigma Aldrich | 254169 | |
| Sodium citrate tribasic dihydrate | Sigma Aldrich | 71402 | |
| [125I]NaI | Perkin-Elmer | NEZ033A010MC | |
| Sodium chloride | Sigma Aldrich | S9888 | |
| Sodium iodide | Sigma Aldrich | 383112 | |
| Sodium hydroxide | Sigma Aldrich | S5881 | |
| Lithium L-lactate | Sigma Aldrich | L2250 | Synthetic urine |
| Citric acid | Sigma Aldrich | C1909 | Synthetic urine |
| Sodium hydrogen carbonate | JUNSEI | 43305-1250 | Synthetic urine |
| Urea | Sigma Aldrich | U1250 | Synthetic urine |
| Calcium chloride | JUNSEI | 18230-0301 | Synthetic urine |
| Magnesium sulfate | SAMCHUN | M0146 | Synthetic urine |
| Potassium dihydrogen phosphate | JUNSEI | 84185A1250 | Synthetic urine |
| Dipotassium hydrogen phosphate | JUNSEI | 84120-1250 | Synthetic urine |
| Sodium sulfate | JUNSEI | 83260-1250 | Synthetic urine |
| Ammonium chloride | Sigma Aldrich | A9434 | Synthetic urine |
| Sea water | Sigma Aldrich | S9148 | |
| 1x PBS | Thermo | SH30256.01 | |
| Cellulose acetate membranes (pore size: 0.20 μm, diameter: 25 mm) | Advantec MFS | 25CS045AS | |
| Cellulose acetate membranes (pore size: 0.20 μm, diameter: 47 mm) | Advantec MFS | C045A047A | |
| 47 mm Glass Microanalysis Holders | Advantec MFS | KG47(311400) | |
| Petri dish (50 mm diameter ´ 15 mm height) | SPL | 10050 | |
| Gamma counter | Perkin-Elmer | 2480 WIZARD2 | Model number |
| UV-vis spectrophotometer | Thermo | GENESYS 10 | Model number |
| Transmission electron microscopy | Hitachi | H-7650 | Model number |
| Field Emission Scanning electron microscope | FEI | Verios 460L | Model number |
References
- Ojovan, M. I. . Handbook of Advanced Radioactive Waste Conditioning Technologies. , (2011).
- Abdel Rahman, R. O., Ibrahim, H. A., Hung, Y. -. T. Liquid Radioactive Wastes Treatment: A Review. Water. 3, 551-565 (2011).
- Khayet, M., Matsuura, T. Radioactive decontamination of water. Desalination. 321, 1-2 (2013).
- McLaughlin, P. D., Jones, B., Maher, M. M. An update on radioactive release and exposures after the Fukushima Dai-ichi nuclear disaster. The British Journal of Radiolog. 85, 1222-1225 (2012).
- Chernobyl Forum Expert Group ‘Environment’. Environmental Consequences of the Chernobyl Accident and their Remediation: Twenty Years of Experience. International Atomic Energy Agency. , (2006).
- Hou, X., et al. Iodine-129 in seawater offshore Fukushima: distribution, inorganic speciation, sources, and budget. Environmental Science & Technology. 47, 3091-3098 (2013).
- Mu, W., Yu, Q., Li, X., Wei, H., Jian, Y. Adsorption of radioactive iodine on surfactant-modified sodium niobate. RSC Advances. 6, 81719-81725 (2016).
- Yang, D., Liu, H., Liu, L., Sarina, S., Zheng, Z., Zhu, H. Silver oxide nanocrystals anchored on titanate nanotubes and nanofibers: promising candidates for entrapment of radioactive iodine anions. Nanoscale. 5, 11011-11018 (2013).
- Yang, D., et al. Capture of radioactive cesium and iodide ions from water by using titanate nanofibers and nanotubes. Angewandte Chemie International Edition. 50, 10594-10598 (2011).
- Cheng, Q., et al. Adsorption of gaseous radioactive iodine by Ag/13X zeolite at high temperatures. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 303, 1883-1889 (2015).
- Bennett, T. D., Saines, P. J., Keen, D. A., -C, T. a. n. J., Cheetham, A. K. Ball-Milling-Induced Amorphization of Zeolitic Imidazolate Frameworks (ZIFs) for the Irreversible Trapping of Iodine. Chemistry – A European Journal. 19, 7049-7055 (2013).
- Huang, P. S., Kuo, C. H., Hsieh, C. C., Horng, Y. C. Selective capture of volatile iodine using amorphous molecular organic solids. Chemical Communications. 48, 3227-3229 (2012).
- Chapman, K. W., Chupas, P. J., Nenoff, T. M. Radioactive Iodine Capture in Silver-Containing Mordenites through Nanoscale Silver Iodide Formation. Journal of the American Chemical Society. 132, 8897-8899 (2010).
- Watanabe, Y., et al. Novel Long-Term Immobilization Method for Radioactive Iodine-129 Using a Zeolite/Apatite Composite Sintered Body. ACS Applied Materials & Interfaces. 1, 1579-1584 (2009).
- Massasso, G., et al. Molecular iodine adsorption within Hofmann-type structures M(L)[M'(CN)4] (M = Ni, Co; M’ = Ni, Pd, Pt): impact of their composition. Dalton Transactions. 44, 19357-19369 (2015).
- Falaise, C., Volkringer, C., Facqueur, J., Bousquet, T., Gasnot, L., Loiseau, T. Capture of iodine in highly stable metal-organic frameworks: a systematic study. Chemical Communications. 49, 10320-10322 (2013).
- Sava, D. F., et al. Capture of Volatile Iodine, a Gaseous Fission Product, by Zeolitic Imidazolate Framework-8. Journal of the American Chemical Society. 133, 12398-12401 (2011).
- Zhang, Z. J., et al. A new type of polyhedron-based metal-organic frameworks with interpenetrating cationic and anionic nets demonstrating ion exchange, adsorption and luminescent properties. Chemical Communications. 47, 6425-6427 (2011).
- Li, G., et al. Highly efficient I2 capture by simple and low-cost deep eutectic solvents. Green Chemistry. 18, 2522-2527 (2016).
- Yan, C., Mu, T. Investigation of ionic liquids for efficient removal and reliable storage of radioactive iodine: a halogen-bonding case. Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 5071-5075 (2014).
- Choi, M. H., et al. Efficient bioremediation of radioactive iodine using biogenic gold nanomaterial-containing radiation-resistant bacterium, Deinococcus radiodurans R1. Chemical Communications. 53, 3937-3940 (2017).
- Kim, Y. H., et al. Tumor targeting and imaging using cyclic RGD-PEGylated gold nanoparticle probes with directly conjugated iodine-125. Small. 7, 2052-2060 (2011).
- Choi, M. H., et al. Gold-Nanoparticle-Immobilized Desalting Columns for Highly Efficient and Specific Removal of Radioactive Iodine in Aqueous Media. ACS Applied Materials & Interfaces. 8, 29227-29231 (2016).
- Mushtaq, S., et al. Efficient and selective removal of radioactive iodine anions using engineered nanocomposite membranes. Environmental Science: Nano. 4, 2157-2163 (2017).
- Awual, M. R., Ismael, M. Efficient gold(III) detection, separation and recovery from urban mining waste using a facial conjugate adsorbent. Sensors and Actuators B: Chemical. 196, 457-466 (2014).
- Awual, M. R., Hasan, M. M., Naushad, M., Shiwaku, H., Yaita, T. Preparation of new class composite adsorbent for enhanced palladium(II) detection and recovery. Sensors and Actuators B: Chemical. 209, 790-797 (2015).
- Awual, M. R., Hasan, M. M. Fine-tuning mesoporous adsorbent for simultaneous ultra-trace palladium(II) detection, separation and recovery. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 21, 507-515 (2015).
- Awual, M. R. Ring size dependent crown ether based mesoporous adsorbent for high cesium adsorption from wastewater. Chemical Engineering Journal. 303, 539-546 (2016).
- Awual, M. R., Miyazaki, Y., Taguchi, T., Shiwaku, H., Yaita, T. Encapsulation of cesium from contaminated water with highly selective facial organic-inorganic mesoporous hybrid adsorbent. Chemical Engineering Journal. 291, 128-137 (2016).
- Awual, M. R., Yaita, T., Taguchi, T., Shiwaku, H., Suzuki, S., Okamoto, Y. Selective cesium removal from radioactive liquid waste by crown ether immobilized new class conjugate adsorbent. Journal of Hazardous Materials. 278, 227-235 (2014).
- Awual, M. R., Suzuki, S., Taguchi, T., Shiwaku, H., Okamoto, Y., Yaita, T. Radioactive cesium removal from nuclear wastewater by novel inorganic and conjugate adsorbents. Chemical Engineering Journal. 242, 127-135 (2014).
- Awual, M. R., et al. Efficient detection and adsorption of cadmium (II) ions using innovative nano-composite materials. Chemical Engineering Journal. 343, 118-127 (2018).
- Awual, M. R. New type mesoporous conjugate material for selective optical copper(II) ions monitoring & removal from polluted waters. Chemical Engineering Journal. 307, 85-94 (2017).
- Awual, M. R. Novel nanocomposite materials for efficient and selective mercury ions capturing from wastewater. Chemical Engineering Journal. 307, 456-465 (2017).
- Awual, M. R. Solid phase sensitive palladium(II) ions detection and recovery using ligand based efficient conjugate nanomaterials. Chemical Engineering Journal. 300, 264-272 (2016).
- Awual, M. R. Assessing of lead(III) capturing from contaminated wastewater using ligand doped conjugate adsorbent. Chemical Engineering Journal. 289, 65-73 (2016).
- Awual, M. R. A novel facial composite adsorbent for enhanced copper (II) detection and removal from wastewater. Chemical Engineering Journal. 266, 368-375 (2015).
- Kaushik, M., Moores, A. Review: nanocelluloses as versatile supports for metal nanoparticles and their applications in catalysis. Green Chemistry. 18, 622-637 (2016).
- Jang, H., Kim, Y. K., Ryoo, S. R., Kim, M. H., Min, D. H. Facile synthesis of robust and biocompatible gold nanoparticles. Chemical Communication. 46, 583-585 (2010).
- Bolisetty, S., Mezzenga, R. Amyloid-carbon hybrid membranes for universal water purification. Nature Nanotechnology. 11, 365-371 (2016).
- Zakrzewska-Trznadel, G. Advances in membrane technologies for the treatment of liquid radioactive waste. Desalination. 321, 119-130 (2013).
- Rana, D., Matsuura, T., Kassim, M. A., Ismail, A. F. Radioactive decontamination of water by membrane processes – A review. Desalination. 321, 77-92 (2013).
