Enlèvement de l'arsenic à l'aide d'un gel de polymère cationique imprégné d'hydroxyde de fer
Summary
Dans ce travail, nous avons préparé un adsorbent composé de l’adsorbent cationic N,N-dimethylamino propylacrylamide méthyl chlorure quaternary (DMAPAAQ) gel polymère et hydroxyde de fer pour adsorbing arsenic des eaux souterraines. Le gel a été préparé par une nouvelle méthode conçue pour assurer la teneur maximale en particules de fer dans sa structure.
Abstract
Dans le présent travail, nous avons préparé un adsorbent composé d’un gel de polymère cationique contenant de l’hydroxyde de fer dans sa structure conçue pour adsorbelidous de l’arsenic des eaux souterraines. Le gel que nous avons choisi était le gel N,N-dimethylamino propylacrylamide méthylide quaternary (DMAPAAQ). L’objectif de notre méthode de préparation était d’assurer la teneur maximale en hydroxyde de fer dans la structure du gel. Cette approche de conception a permis l’adsorption simultanée par la structure de polymère du gel et le composant d’hydroxyde de fer, augmentant ainsi la capacité d’adsorption du matériel. Pour examiner la performance du gel, nous avons mesuré la cinétique de réaction, effectué des analyses de sensibilité au pH et de sélectivité, surveillé les performances d’adsorption de l’arsenic et mené des expériences de régénération. Nous avons déterminé que le gel subit un processus de chimioption et atteint l’équilibre à 10 h. En outre, le gel adsorbed arsenic effectivement à des niveaux de pH neutres et sélectivement dans des environnements ioniques complexes, atteignant un volume d’adsorption maximum de 1,63 mM/g. Le gel pourrait être régénéré avec 87,6% d’efficacité et NaCl pourrait être utilisé pour la désorption au lieu de NaOH nocif. Pris ensemble, la méthode de conception à base de gel présentée est une approche efficace pour la construction d’adsorbents à l’arsenic haute performance.
Introduction
La pollution de l’eau est une grande préoccupation environnementale, motivant les chercheurs à mettre au point des méthodes pour éliminer les contaminants tels que l’arsenic dans le gaspillage1. Parmi toutes les méthodes signalées, les processus d’adsorption sont une approche relativement peu coûteuse pour l’enlèvement des métaux lourds2,3,4,5,6,7. Les poudres d’oxyhydroxyde de fer sont considérées comme l’un des adsorbents les plus efficaces pour extraire l’arsenic des solutions aqueuses8,9. Pourtant, ces matériaux souffrent d’un certain nombre d’inconvénients, y compris les temps de saturation précoce et les précurseurs synthétiques toxiques. En outre, il ya un effet négatif grave dans la qualité de l’eau lorsque ces adsorbents sont utilisés pendant une longue période de temps10. Un processus de séparation supplémentaire, comme la sédimentation ou la filtration, est alors nécessaire pour purifier l’eau contaminée, ce qui augmente le coût de la production8,11.
Récemment, des chercheurs ont mis au point des gels polymères tels que des hydrogels cationiques, des microgels et des cryogels qui ont démontré des propriétés d’adsorption efficaces. Par exemple, un taux d’élimination de l’arsenic de 96 % a été atteint par le cryogel cationique, poly(3-acrylamidopropyl) de chlorure d’ammonium de triméthyle [p(APTMACl)]12. En outre, au pH 9, environ 99,7% d’efficacité de suppression a été atteint par cet hydrogel cationic13. Au pH 4, 98,72 mg/g de capacité maximale d’adsorption d’arsenic a été atteint par le microgel, basé sur le tris(2-aminoéthyle) amine (TAEA) et l’éther de glyceroldiglycidyl (GDE), p(TAEA-co-GDE)14. Bien que ces gels aient démontré de bonnes performances d’adsorption, ils n’ont pas réussi à éliminer efficacement l’arsenic de l’eau à des niveaux neutres de pH, et leurs sélectivités dans tous les environnements étudiés n’ont pas été rapportées15. Une capacité maximale d’adsorption de 227 mg/g de fauché a été mesurée lorsque Fe(III)-Sn(IV) a été utilisé à une température de 313 K et un pH de 716. Alternativement, fe-Zr binaire de sable recouvert d’oxyde (IZBOCS) a également été utilisé pour éliminer l’arsenic et a atteint une capacité maximale d’adsorption de 84,75 mg/g à 318 K et un pH de 717. D’autres adsorbents rapportés souffrent de faibles performances d’adsorption, d’un manque de récyclabilité, d’une faible stabilité, de coûts d’exploitation et d’entretien élevés, et de l’utilisation de produits chimiques dangereux dans le processus de synthèse4.
Nous avons cherché à remédier aux limites ci-dessus en développant un matériau avec une meilleure performance d’adsorption de l’arsenic, une grande sélectivité dans des environnements complexes, la capacité de recyclage et une activité efficace à des niveaux de pH neutres. Par conséquent, nous avons développé un composite de gel cationique de N,N-dimethylamino propylacrylamide méthylle chlorure quaternary (DMAPAAQ) gel et fer(III) hydroxyde (FeOOH) particules comme adsorbent pour l’élimination de l’arsenic. Nous avons choisi de combiner FeOOH avec notre gel parce que FeOOH augmente l’adsorption des deux formes d’arsenic18. Dans cette étude, notre composite de gel a été conçu pour être non-poreux et a été imprégné avec FeOOH pendant la préparation. Dans la section suivante, les détails de la méthode de préparation du gel, y compris notre stratégie pour maximiser le contenu de FeOOH est discuté plus loin.
Protocol
Representative Results
Discussion
La principale avancée de notre méthode développée est la stratégie de conception unique du composite de gel. Le but de notre méthode de préparation de gel était de maximiser la quantité de teneur en fer dans le gel. Au cours de la préparation, nous avons ajouté FeCl3 et NaOH à la « solution initiatrice » et à la « solution monomère », respectivement. Une fois que la solution monomère a été mélangée avec la solution initiatrice, il y avait une réaction entre FeCl3 et NaOH, pro…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été appuyée par le numéro de subvention JSPS KAKENHI (26420764, JP17K06892). La contribution du Ministère de la Terre, de l’Infrastructure, des Transports et du Tourisme (MLIT), gouvernement du Japon dans le cadre du « Programme de subventions à la recherche et au développement en matière de technologie de la construction » à cette recherche est également reconnue. Nous reconnaissons également la contribution de M. Kiyotaka Senmoto à cette recherche. Mme Adele Pitkeathly, conseillère principale en rédaction du Writing Center de l’Université d’Hiroshima, est également reconnue pour ses corrections et ses suggestions en anglais. Cette recherche a été sélectionnée pour la présentation orale de la 7e Conférence IWA-Aspire, 2017 et de la Conférence sur les technologies de l’eau et de l’environnement, 2018.
Materials
| 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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