Ressursgjenvinning av rød jord for å syntetisere Fe2O3 / FAU-type Zeolite kompolittmateriale for fjerning av tungmetall
Summary
Denne artikkelen presenterer en ny og praktisk rute for å syntetisere Fe2O3 / faujasite (FAU) -type zeolitt kompolitt kompositt fra rød jord. De detaljerte synteseparametrene er finjustert. Det oppnådde komposittmaterialet kan brukes til effektiv tungmetallforurenset vannrensing, noe som indikerer potensielle anvendelser innen miljøteknikk.
Abstract
Tungmetallforurenset vann er av stor bekymring for menneskers helse og øko-miljøet. In situ vannsaneringsteknikker muliggjort av svært effektive adsorpsjonsmaterialer er av stor betydning under disse omstendighetene. Blant alle materialene som brukes i vannrensing, er jernbaserte nanomaterialer og porøse materialer av stor interesse, og drar nytte av deres rike redoksreaktivitet og adsorpsjonsfunksjon. Her utviklet vi en lettvint protokoll for direkte konvertering av den utbredte røde jorda i Sør-Kina for å fremstille Fe2O3 / faujasite (FAU) -type zeolitt kompolittmateriale.
Den detaljerte synteseprosedyren og synteseparametrene, som reaksjonstemperatur, reaksjonstid og Si / Al-forholdet i råmaterialene, er nøye justert. De as-syntetiserte komposittmaterialene viser god adsorpsjonskapasitet for typiske tungmetall (loid) ioner. Med 0,001 g / ml Fe2O3 / FAU-type zeolitt kompolittmateriale tilsatt forskjellige tungmetall (loid) -forurensede vandige løsninger (enkelt type tungmetall (loid) konsentrasjon: 1,000 mg / L [ppm]), ble adsorpsjonskapasiteten vist å være 172, 45, 170, 40, 429, 693, 94 og 133 mg / g for Cu (II), Cr (III), Cr (VI), Som (III), Cd (II), Pb (II), Zn (II) og Ni (II) fjerning, henholdsvis, som kan utvides ytterligere for tungmetallforurenset vann og jordrensing.
Introduction
Tungmetaller fra menneskeskapte og naturlige aktiviteter er allestedsnærværende i luft-, vann- og jordmiljøet1. De er av høy mobilitet og toksisitet, og utgjør en potensiell helserisiko for mennesker ved direkte kontakt eller via matkjedetransport2. Vann er viktig for menneskers liv siden det er råstoffet til hver familie. Å gjenopprette vannhelsen er avgjørende. Derfor er det av stor betydning å redusere mobiliteten og biotilgjengeligheten av giftige tungmetaller i vann. For å opprettholde god helse i vann, spiller vannsaneringsmaterialer, som biokull, jernbaserte materialer og zeolitt, en viktig rolle i immobilisering eller fjerning av tungmetall (loid) s fra vandige miljøer 3,4,5.
Zeolitter er svært krystallinske materialer med unike porer og kanaler i krystallstrukturene. De består av TO4 tetraeder (T er det sentrale atomet, vanligvis Si, Al eller P) forbundet med delte O-atomer. Den negative overflateladningen og utskiftbare ioner i porene gjør det til et populært adsorbent for ionfangst, som har blitt mye brukt i tungmetallforurenset vann og jordrensing. Ved å dra nytte av deres strukturer inkluderer utbedringsmekanismene involvert i forurensningsfjerning av zeolitter hovedsakelig kjemisk binding6, overflateelektrostatisk interaksjon7 og ionbytter8.
Faujasitt (FAU)-type zeolitt har relativt store porer, med en maksimal porediameter på 11,24 Å. Det viser høy effektivitet og brede applikasjoner for forurensningsfjerning 9,10. I de senere år har omfattende forskning viet til å utvikle grønne og rimelige rutiner for zeolittsyntese, for eksempel å bruke industrielt fast avfall11 som råmateriale for å gi silisium- og aluminiumkilder, eller vedta direkte agentfrie oppskrifter12. De rapporterte alternative industrielle faste avfallene som kan være silisium- og aluminiumskilder inkluderer kullgangue13, flyveaske 11, avfallsmolekylsikter 14, gruvedrift og metallurgisk avfall 15, ingeniørforlatt jord8 og landbruksjord6, etc.
Her ble rød jord, et rikelig og lett oppnådd silisium- og aluminiumrikt materiale, vedtatt som råmateriale, og en lettvint grønn kjemitilnærming ble utviklet for Fe2O3 / FAU-type zeolitt komposittmaterialesyntese (figur 1). De detaljerte synteseparametrene er finjustert. Det as-syntetiserte materialet viser høy immobiliseringskapasitet for tungmetallforurenset vannrensing. Denne studien bør være lærerik for relaterte forskere som er interessert i dette området for å bruke jord som råmateriale for øko-materialsyntese.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zeolitt er vanligvis et aluminosilikatmateriale. I teorien kan materialer som er rike på silikat og aluminat velges som råmaterialer for zeolittsyntese. Si / Al-forholdet mellom råmaterialet må være lik det for den valgte typen zeolitt for å minimere bruken av ytterligere silisium / aluminiumkilder 6,8,16. Si / Al-forholdet mellom FAU-type zeolitt er 1,2, og Si / Al-forholdet mellom rød jord er 1,3. Derfor er rød jord en…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble økonomisk støttet av Natural Science Funds for Distinguished Young Scholar of Guangdong-provinsen, Kina, nr. 2020B151502094; National Natural Science Foundation of China, nr. 21777045 og 22106064; Stiftelsen av Shenzhen Science, Technology and Innovation Commission, Kina, JCYJ20200109141625078; 2019 ungdomsinnovasjonsprosjekt av Guangdong universiteter og høyskoler, Kina, nr. 2019KQNCX133 og et spesialfond for vitenskaps- og teknologiinnovasjonsstrategien i Guangdong-provinsen (PDJH2021C0033). Dette arbeidet ble sponset av Shenzhen Key Laboratory of Interfacial Science and Engineering of Materials (nr. ZDSYS20200421111401738), Guangdong Provincial Key Laboratory of Soil and Groundwater Pollution Control (2017B030301012) og State Environmental Protection Key Laboratory of Integrated Surface Water-Groundwater Pollution Control. Spesielt anerkjenner vi den tekniske støtten fra SUSTech kjerneforskningsfasiliteter.
Materials
| Chemicals | |||
| Cadmium nitrate tetrahydrate | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | C102676 | AR, 99%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Chromium(III) nitrate nonahydrate | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | C116446 | AR, 99%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Copper sulfate pentahydrate | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | C112396 | AR, 99%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Lead nitrate | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | L112118 | AR, 99%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Nickel nitrate hexahydrate | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | N108891 | AR, 98%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Nitric acid | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | N116238 | AR, 69.2%. Used as solvent in ICP-MS test. |
| Potassium dichromate | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | P112163 | AR, 99.8%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Silicon dioxide | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | S116482 | AR, 99%. For synthesis of zeolite. |
| Sodium (meta)arsenite | Sigma-aldrich | S7400-100G | AR, 90%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Sodium hydroxide | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | S111502 | Pellets. For the synthesis of zeolite. |
| Zinc nitrate hexahydrate | Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD | Z111703 | AR, 99%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite. |
| Equipment | |||
| Air-dry oven | Shanghai Yiheng Technology Instrument Co.,LTD. | DHG-9075A | Used for hydrothermal crystallization and drying of sample |
| Analytical balance | Sartorius Scientific Instruments Co.LTD | BSA224S-CW | Used for weighing samples |
| Centrifuge tubes | Nantong Supin Experimental Equipment Co., LTD | ||
| High speed centrifuge | Hunan Xiang Yi Laboratory Instrument Development Co.,LTD | H1850 | Used for separation of solid and liquid samples |
| Multipoint magnetic stirrer | IKA Equipment Co.,LTD. | RT15 | Used for stirring samples |
| Oscillator | Changzhou Guohua Electric Appliances Co.,LTD. | SHA-B | For uniform mixing of samples |
| Syringe-driven filter | Tianjin Jinteng Experimental Equipment Co.,LTD. | 0.22 μm. For filtration. | |
| Softwares | |||
| JADE 6.5 | Materials Data& (MDI) | ||
| Mercury | Cambridge Crystallographic Data Centre (CCDC) | ||
| Materials Studio | Accelrys Software Inc. | ||
| Websites | |||
| Database of Zeolite Structures: http://www.iza-structure.org/databases/ | |||
| ICSD: https://icsd.products.fiz-karlsruhe.de/en |
References
- Qin, G., et al. Soil heavy metal pollution and food safety in China: Effects, sources and removing technology. Chemosphere. 267, 129205 (2021).
- Xu, D. M., Fu, R. B., Liu, H. Q., Guo, X. P. Current knowledge from heavy metal pollution in Chinese smelter contaminated soils, health risk implications and associated remediation progress in recent decades: A critical review. Journal of Cleaner Production. 286, 124989 (2021).
- Dong, X., Ma, L. Q., Li, Y. Characteristics and mechanisms of hexavalent chromium removal by biochar from sugar beet tailing. Journal of Hazardous Materials. 190 (1-3), 909-915 (2011).
- El-Mekkawi, D. M., Selim, M. M. Removal of Pb2+ from water by using Na-Y zeolites prepared from Egyptian kaolins collected from different sources. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2 (1), 723-730 (2014).
- Perego, C., Bagatin, R., Tagliabue, M., Vignola, R. Zeolites and related mesoporous materials for multi-talented environmental solutions. Microporous and Mesoporous Materials. 166, 37-49 (2013).
- Zheng, R., et al. Converting loess into zeolite for heavy metal polluted soil remediation based on "soil for soil-remediation" strategy. Journal of Hazardous Materials. 412, 125199 (2021).
- Cheng, Y., et al. Feasible low-cost conversion of red mud into magnetically separated and recycled hybrid SrFe12O19@NaP1 zeolite as a novel wastewater adsorbent. Chemical Engineering Journal. 417, 128090 (2021).
- Yang, D., et al. Remediation of Cu-polluted soil with analcime synthesized from engineering abandoned soils through green chemistry approaches. Journal of Hazardous Materials. 406, 124673 (2021).
- Song, W., Li, G., Grassian, V. H., Larsen, S. C. Development of improved materials for environmental applications: Nanocrystalline NaY zeolites. Environmental Science & Technology. 39 (5), 1214-1220 (2005).
- Cheng, H., Reinhard, M. Sorption of trichloroethylene in hydrophobic micropores of dealuminated Y zeolites and natural minerals. Environmental Science & Technology. 40 (24), 7694-7701 (2006).
- Rayalu, S. S., Bansiwal, A. K., Meshram, S. U., Labhsetwar, N., Devotta, S. Fly ash based zeolite analogues: Versatile materials for energy and environment conservation. Catalysis Surveys from Asia. 10 (2), 74-88 (2006).
- Borel, M., et al. SDA-free hydrothermal synthesis of high-silica ultra-nanosized zeolite Y. Crystal Growth & Design. 17 (3), 1173-1179 (2017).
- Jin, Y., Li, L., Liu, Z., Zhu, S., Wang, D. Synthesis and characterization of low-cost zeolite NaA from coal gangue by hydrothermal method. Advanced Powder Technology. 32 (3), 791-801 (2021).
- Huiyu, S., Weiming, L., Zheng, Z. Current situation of comprehensive utilization of waste industrial molecular sieve and agricultural rice husk. Liaoning Chemical Industry. 49 (12), 1555 (2020).
- Azizi, D., et al. Microporous and macroporous materials state-of-the-art of the technologies in zeolitization of aluminosilicate bearing residues from mining and metallurgical industries: A comprehensive review. Microporous and Mesoporous Materials. 318, 111029 (2021).
- Yang, D., et al. Transferring waste red mud into ferric oxide decorated ANA-type zeolite for multiple heavy metals polluted soil remediation. Journal of Hazardous Materials. 424, 127244 (2022).
- Kirdeciler, S. K., Akata, B. One pot fusion route for the synthesis of zeolite 4A using kaolin). Advanced Powder Technology. 31 (10), 4336-4343 (2020).
- Rubtsova, M., et al. Nanoarchitectural approach for synthesis of highly crystalline zeolites with a low Si/Al ratio from natural clay nanotubes. Microporous and Mesoporous Materials. 330, 111622 (2022).
- Setthaya, N., Chindaprasirt, P., Pimraksa, K. Preparation of zeolite nanocrystals via hydrothermal and solvothermal synthesis using of rice husk ash and metakaolin. Materials Science Forum. 872, 242-247 (2016).
- Belviso, C., et al. Red mud as aluminium source for the synthesis of magnetic zeolite. Microporous and Mesoporous Materials. 270, 24-29 (2018).
- Zhao, Y., et al. Removal of ammonium from wastewater by pure form low-silica zeolite Y synthesized from halloysite mineral. Separation Science and Technology. 45 (8), 1066-1075 (2010).
- Meng, Q., Chen, H., Lin, J., Lin, Z., Sun, J. Zeolite A synthesized from alkaline assisted pre-activated halloysite for efficient heavy metal removal in polluted river water and industrial wastewater. Journal of Environmental Sciences (China). 56, 254-262 (2017).
- Wang, X., et al. Synthesis of substrate-bound Au nanowires via an active surface growth mechanism. Journal of Visualized Experiments. (137), e57808 (2018).
- Asundi, A. S., et al. Understanding structure-property relationships of MoO3-promoted Rh catalysts for syngas conversion to alcohols. Journal of the American Chemical Society. 141 (50), 19655-19668 (2019).
- Zhu, Q., et al. Solvent-free crystallization of ZSM-5 zeolite on SiC foam as a monolith catalyst for biofuel upgrading. Chinese Journal of Catalysis. 41 (7), 1118-1124 (2020).
- Ghrear, T. M. A., et al. low-pressure, low-temperature microwave synthesis of ABW cesium aluminosilicate zeolite nanocatalyst in organotemplate-free hydrogel system. Materials Research Bulletin. 122, 110691 (2020).
