Fjerning av arsen bruke en kationiske polymer gel impregnert med jern natriumhydroksid
Summary
I dette arbeidet, utarbeidet vi en adsorbent sammensatt av kationiske N, n-dimetylamino propylacrylamide metyl klorid KVARTÆR (DMAPAAQ) polymer gel og jern natriumhydroksid for adsorbere arsen fra grunnvann. Gelen ble utarbeidet via en ny metode utviklet for å sikre maksimalt innhold av jern partikler i sin struktur.
Abstract
I dette arbeidet, utarbeidet vi en adsorbent sammensatt av en kationiske polymer gel inneholder jern natriumhydroksid i sin struktur designet for å adsorbere arsen fra grunnvann. Gelen vi valgte var n, n-dimetylamino propylacrylamide methyl klorid KVARTÆR (DMAPAAQ) gel. Målet med vår forberedelse metoden var å sikre maksimalt innhold av jern natriumhydroksid i strukturen av gel. Denne designen tilnærmingen aktivert samtidig absorpsjon av både polymer struktur av gel og jern natriumhydroksid komponent, og dermed øke absorpsjons kapasiteten av materialet. For å undersøke resultatene av gelen, målte vi reaksjons Kinetics, utførte pH-følsomhet og selektivitet analyser, overvåket arsen absorpsjons ytelse, og gjennomførte regenerering eksperimenter. Vi bestemte at gelen gjennomgår en chemisorption prosess og når likevekt på 10 timer. Videre, gel adsorberes arsen effektivt på nøytrale pH-nivåer og selektivt i komplekse ion miljøer, oppnå et maksimalt absorpsjons volum på 1,63 mM/g. Gelen kan bli fornyet med 87,6% effektivitet og NaCl kan brukes til desorpsjon istedenfor skadelige NaOH. Til sammen er den presenterte gel-baserte design metoden en effektiv tilnærming for å konstruere høy ytelse arsen adsorbenter.
Introduction
Vannforurensning er en stor miljø bekymring, motiverende forskere for å utvikle metoder for å fjerne forurensninger som arsen fra wastewaster1. Blant alle de rapporterte metodene er absorpsjons prosessene en relativt lavkostnads tilnærming for fjerning av heavy metal2,3,4,5,6,7. Jern oxyhydroxide pulver anses å være en av de mest effektive adsorbenter for å utvinne arsen fra vandige løsninger8,9. Likevel, disse materialene lider av en rekke ulemper, inkludert tidlig metning ganger og giftige syntetiske forløpere. I tillegg er det en alvorlig negativ effekt i vannkvaliteten når disse adsorbenter brukes over lengre tid10. En ekstra separasjon prosess, for eksempel sedimentering eller filtrering, er da nødvendig for å rense forurenset vann, noe som øker kostnadene for produksjonen ytterligere8,11.
Nylig har forskerne utviklet polymer gels som kationiske hydrogeler, microgels og cryogels som har vist effektive absorpsjons egenskaper. For eksempel, en arsen fjerning rate på 96% ble oppnådd ved kationiske cryogel, Poly (3-acrylamidopropyl) trimethyl ammonium klorid [p (APTMACl)]12. I tillegg, ved pH 9, ca 99,7% fjerning effektivitet ble oppnådd ved denne kationiske hydrogel13. Ved pH 4, 98,72 mg/g av maksimal arsen absorpsjonskapasitet ble oppnådd ved mikrogel, basert på Tris (2-aminoethyl) Amin (TAEA) og glyceroldiglycidyl Eter (GDE), p (TAEA-co-GDE)14. Selv om disse gels viste gode absorpsjons prestasjoner, klarte de ikke å effektivt fjerne arsen fra vann ved nøytrale pH-nivåer, og deres selektiviteter i alle studerte miljøer ble ikke rapportert15. En maksimal absorpsjonskapasitet på 227 mg/g ble målt når fe (III)-sn (IV) blandet binær oksid-belagt sand ble brukt ved en temperatur på 313 K og en pH på 716. Alternativt, Fe-zr binære oksid-belagt sand (IZBOCS) har også blitt brukt til å fjerne arsen og oppnådde en maksimal absorpsjonskapasitet på 84,75 mg/g ved 318 K og en pH på 717. Andre rapporterte adsorbenter lider av lav absorpsjons ytelse, mangel på gjenvinnbarhet, lav stabilitet, høye drifts-og vedlikeholdskostnader, og bruk av farlige kjemikalier i syntese prosessen4.
Vi søkte å ta opp begrensningene ovenfor ved å utvikle et materiale med bedre absorpsjons ytelse for arsen, høy selektivitet i komplekse miljøer, resirkulerings muligheter og effektiv aktivitet på nøytrale pH-nivåer. Derfor har vi utviklet en kationiske gel kompositt av n, n-dimetylamino propylacrylamide metyl klorid KVARTÆR (DMAPAAQ) gel og Iron (III) natriumhydroksid (FeOOH) partikler som en adsorbent for arsen fjerning. Vi valgte å kombinere FeOOH med vår gel fordi FeOOH øker absorpsjon av begge formene for arsen18. I denne studien, vår gel kompositt var designet for å være ikke-porøse og ble impregnert med FeOOH under forberedelse. I neste avsnitt, detaljene i gel forberedelse metoden, inkludert vår strategi for å maksimere innholdet i FeOOH er diskutert videre.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den viktigste fremme av våre utviklet metoden er den unike design strategi av gel kompositt. Formålet med vår gel forberedelse metoden var å maksimere mengden av jerninnhold i gel. Under forberedelsene, la vi til FeCl3 og NaOH til “initiativtaker løsning” og “monomer løsning,” hhv. Når den monomer løsningen ble blandet med initiativtaker løsning, var det en reaksjon mellom FeCl3 og NaOH, produsere FeOOH inne i gelen. Dette fenomenet sikret maksimalt jerninnhold i gel kompositt. Til tross fo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av JSP KAKENHI Grant Number (26420764, JP17K06892). Bidraget fra Ministry of land, Insfrastructure, transport og turisme (MLIT), regjeringen i Japan under “Construction Technology forskning og utvikling tilskuddet program” til denne forskningen er også anerkjent. Vi erkjenner også bidraget fra Mr. Kiyotaka Senmoto til denne forskningen. MS Adele Pitkeathly, senior skrive Advisor Fellow fra Writing Center of Hiroshima University er også anerkjent for engelsk rettelser og forslag. Denne forskningen ble valgt for muntlig presentasjon i 7th IWA-Aspire Conference, 2017 og vann og miljø Technology Conference, 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 |
References
- Oremland, R. S., Stolz, J. F. The Ecology of Arsenic. Science. 300 (5621), 939-944 (2003).
- Bibi, I., Icenhower, J., Niazi, N. K., Naz, T., Shahid, M., Bashir, S. Chapter 21 – Clay Minerals: Structure, Chemistry, and Significance in Contaminated Environments and Geological {CO2} Sequestration. Environmental Materials and Waste. , 543-567 (2016).
- He, R., Peng, Z., Lyu, H., Huang, H., Nan, Q., Tang, J. Synthesis and characterization of an iron-impregnated biochar for aqueous arsenic removal. Science of the Total Environment. 612, 1177-1186 (2018).
- Niazi, N. K., et al. Arsenic removal by Japanese oak wood biochar in aqueous solutions and well water: Investigating arsenic fate using integrated spectroscopic and microscopic techniques. Science of the Total Environment. 621, 1642-1651 (2017).
- Shaheen, S. M., Eissa, F. I., Ghanem, K. M., Gamal El-Din, H. M., Al Anany, F. S. Heavy metals removal from aqueous solutions and wastewaters by using various byproducts. Journal of Environmental Management. 128, 514-521 (2013).
- Shakoor, M. B., et al. Remediation of arsenic-contaminated water using agricultural wastes as biosorbents. Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 46 (5), 467-499 (2016).
- Vithanage, M., et al. Interaction of arsenic with biochar in soil and water: A critical review. Carbon. 113, 219-230 (2017).
- Hu, X., Ding, Z., Zimmerman, A. R., Wang, S., Gao, B. Batch and column sorption of arsenic onto iron-impregnated biochar synthesized through hydrolysis. Water Research. 68, 206-216 (2015).
- Saharan, P., Chaudhary, G. R., Mehta, S. K., Umar, A. Removal of Water Contaminants by Iron Oxide Nanomaterials. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 14 (1), 627-643 (2014).
- Siddiqui, S. I., Chaudhry, S. A. Iron oxide and its modified forms as an adsorbent for arsenic removal: A comprehensive recent advancement. Process Safety and Environmental Protection. 111, 592-626 (2017).
- Tuna, A. &. #. 2. 1. 4. ;. A., özdemir, E., şimşek, E. B., Beker, U. Removal of As(V) from aqueous solution by activated carbon-based hybrid adsorbents: Impact of experimental conditions. Chemical Engineering Journal. 223, 116-128 (2013).
- Sahiner, N., Demirci, S., Sahiner, M., Yilmaz, S., Al-Lohedan, H. The use of superporous p(3-acrylamidopropyl)trimethyl ammonium chloride cryogels for removal of toxic arsenate anions. Journal of Environmental Management. 152, 66-74 (2015).
- Barakat, M. A. A., Sahiner, N. Cationic hydrogels for toxic arsenate removal from aqueous environment. Journal of Environmental Management. 88 (4), 955-961 (2008).
- ur Rehman, S., et al. Removal of arsenate and dichromate ions from different aqueous media by amine based p(TAEA-co-GDE) microgels. Journal of Environmental Management. 197, 631-641 (2017).
- Safi, S. R., Gotoh, T., Iizawa, T., Nakai, S. Development and regeneration of composite of cationic gel and iron hydroxide for adsorbing arsenic from ground water. Chemosphere. 217, 808-815 (2019).
- Chaudhry, S. A., Ahmed, M., Siddiqui, S. I., Ahmed, S. Fe(III)-Sn(IV) mixed binary oxide-coated sand preparation and its use for the removal of As(III) and As(V) from water: Application of isotherm, kinetic and thermodynamics. Journal of Molecular Liquids. 224, 431-441 (2016).
- Chaudhry, S. A., Zaidi, Z., Siddiqui, S. I. Isotherm, kinetic and thermodynamics of arsenic adsorption onto Iron-Zirconium Binary Oxide-Coated Sand (IZBOCS): Modelling and process optimization. Journal of Molecular Liquids. 229, 230-240 (2017).
- Lin, S., Yang, H., Na, Z., Lin, K. A novel biodegradable arsenic adsorbent by immobilization of iron oxyhydroxide (FeOOH) on the root powder of long-root Eichhornia crassipes. Chemosphere. 192, 258-266 (2018).
- Allen, K. D., et al. Hsp70 chaperones as modulators of prion life cycle: Novel effects of Ssa and Ssb on the Saccharomyces cerevisiae prion [PSI+]. Genetics. 169 (3), 1227-1242 (2005).
- Chaplin, B. P., Roundy, E., Guy, K. A., Shapley, J. R., Werth, C. I. Effects of natural water ions and humic acid on catalytic nitrate reduction kinetics using an alumina supported Pd-Cu catalyst. Environmental Science and Technology. 40 (9), 3075-3081 (2006).
- Zhang, Y., Cremer, P. S. Interactions between macromolecules and ions: the Hofmeister series. Current Opinion in Chemical Biology. 10 (6), 658-663 (2006).
- Fawell, J. K., Ohanian, E., Giddings, M., Toft, P., Magara, Y., Jackson, P. Sulfate in Drinking-water Background document for development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality. World Health Organization. , 8 (2004).
- ur Rehman, S., et al. Fast removal of high quantities of toxic arsenate via cationic p(APTMACl) microgels. Journal of Environmental Management. 166, 217-226 (2016).
