Двойной функциональный электроактивный фильтр к одновременно Sb (III) Окисления и секвестрации
Summary
Сообщается о протоколе рационального проектирования двухфункционального электроактивного фильтра, состоящего из углеродных нанотрубок и титановых нанопроводов, и представлены их экологические применения в отношении окисления и секвестра Sb (III).
Abstract
Мы разработали поверхностный метод синтеза двухфункционального электрохимического фильтра, состоящего из двух 1-D материалов: титановых нанопроводов и углеродных нанотрубок. Гибридный титанат-CNT фильтр был подготовлен с помощью звуковой станции в сочетании с постфильтрационным маршрутом. Из-за синергетического воздействия увеличенного числа открытых мест поглощения, электрохимической реактивности, небольшого размера пор титановой сети CNT в сочетании с сквозной конструкцией, одновременное окисление и секвестрирование Sb (III) может быть легко Достигнуто. Технология атомного флуоресценции спектрометра показала, что прикладное электрическое поле ускоряет коэффициент конверсии Sb (III), а полученный Sb (V) был эффективно адсорбирован титановыми нанопроводами из-за их специфики Sb. Этот протокол обеспечивает практическое решение для удаления высокотоксичных Sb (III) и других подобных ионов тяжелых металлов.
Introduction
В последнее время загрязнение окружающей среды, вызванное возникающими сурьмы (Sb) привлекла большое внимание1,2. Обширные исследования показывают, что соединения Sb представляют высокую токсичность для человека и микроорганизмов, хотя и присутствуют в низких концентрациях в окружающей среде3,4. Еще хуже, обычные физико-химические или биологические методы, как правило, неэффективны для удаления этих новых загрязняющих веществ из-за их низкой концентрации и высокой токсичности5. Наиболее распространенными видами Sb являются Sb (V) и Sb (III), из которых последняя форма является более токсичной.
Среди доступных в настоящее время методов лечения, адсорбция считается перспективной и осуществимой альтернативой из-за его высокой эффективности, низкой стоимости и простоты6,7. До сих пор, несколько наноразмерных сорбентов с tunable микроструктур, большой конкретной площади поверхности и Sb специфичность были разработаны, такие как TiO28, MnO29, титанат10, нулевой железа11, оксидов железа и других бинарных оксидов металла12,13. Распространенной проблемой при работе с наномасштабными адсорбентами является проблема после разделения из-за их небольшого размера частиц. Одна из стратегий для решения этой проблемы заключается в том, чтобы загрузить эти нано-сорбенты на макро /микро-масштаб поддерживает14. Другой сложный вопрос, ограничивающий широкое применение технологии адсорбции является плохой массовый транспорт, вызванный ограниченной концентрацией целевых соединений / молекул15. Этот вопрос может быть частично решен путем принятия мембранного дизайна и конвенции может значительно расширить массовый транспорт. Последние усилия были направлены на разработку передовых систем лечения, которые сочетают адсорбцию и окисление в одном блоке для эффективного удаления Sb (III). Здесь мы покажем, как электроактивный титанат-углеродный нанотрубки (титанат-CNT) фильтр был рационально разработан и применен для одновременного адсорбции и поглощения токсичных Sb (III). Путем тонкой настройки титанового количества погрузки, прикладного напряжения и скорости потока мы демонстрируем, как скорость окисления Sb (III) и эффективность секвестра могут быть соответствующим образом адаптированы. Хотя изготовление и применение электроактивного фильтра показано в этом протоколе, аналогичные конструкции могут также применяться к обработке других ионов тяжелых металлов.
Незначительные изменения в процессе изготовления и реагентов могут привести к значительным изменениям в морфологии и производительности конечной системы. Например, гидротермическое время, температура и химическая чистота, как было показано, влияют на микроструктуры этих наномасштабных адсорбентов. Скорость потока решения адсорббата также определяет время проживания в системе, а также эффективность удаления целевых соединений. При четком определении этих ключевых влияющих параметров можно обеспечить протокол воспроизводимого синтеза и обеспечить стабильную эффективность удаления Sb (III). Этот протокол направлен на предоставление подробного опыта по изготовлению двухфункциональных гибридных фильтров, а также их применения к удалению токсичных ионов тяжелых металлов в потоке через образом.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ключом к этой технологии является изготовление электроактивного проводящего и пористого гибридного фильтра с высокой Sb-специфической. Для этого особое удовобожено процессу изготовления. Количество титановых нанопроводов необходимо точно контролировать из-за эффекта «торговли» меж…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Фондом естественных наук Шанхая, Китай (No 18’R114010000), Шанхайской пуцзянской программой (No 18PJ1400400), а также Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая (No 2018YFF0215703).
Materials
| Atomic fluorescence spectrometer | Ruili Co., Ltd | ||
| Carbon nanotubes (CNT) | TimesNano Co., Ltd | ||
| DC power supply | Dahua Co., Ltd | ||
| Ethanol, 96% | Sinopharm | ||
| Hydrochloric acid, 36% | Sinopharm | Corrosive | |
| L-antimony potassium tartrate | Sigma-Aldrich | Highly toxic | |
| N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), 99.5% | Sinopharm | Highly toxic | |
| Potassium hydroxide, 85% | Sinopharm | Corrosive | |
| Peristaltic pump | Ismatec Co., Ltd | ||
| Titanium dioxide powders | Sinopharm |
References
- Sun, W. M., et al. Profiling microbial community in a watershed heavily contaminated by an active antimony (Sb) mine in Southwest China. Science of the Total Environment. 550, 297-308 (2016).
- Herath, I., Vithanage, M., Bundschuh, J. Antimony as a global dilemma: geochemistry, mobility, fate and transport. Environmental Pollution. 223, 545-559 (2017).
- Pan, L. B., et al. Assessments of levels, potential ecological risk, and human health risk of heavy metals in the soils from a typical county in Shanxi Province, China. Environmental Science and Pollution Research. 23, 19330-19340 (2016).
- Huang, S. S., et al. Sulfide-modified zerovalent iron for enhanced antimonite sequestration: characterization, performance, and reaction mechanisms. Chemical Engineering Journal. 338, 539-547 (2018).
- Ungureanu, G., Santos, S., Boaventura, R., Botelho, C. Arsenic and antimony in water and wastewater: Overview of removal techniques with special reference to latest advances in adsorption. Journal of Environmental Management. 151, 326-342 (2015).
- Zou, J. P., et al. Three-dimensional reduced graphene oxide coupled with Mn3O4 for highly efficient removal of Sb(III) and Sb(V) from water. Acs Applied Materials & Interfaces. 8, 18140-18149 (2016).
- Saleh, T. A., Sari, A., Tuzen, M. Effective adsorption of antimony(III) from aqueous solutions by polyamide-graphene composite as a novel adsorbent. Chemical Engineering Journal. 307, 230-238 (2017).
- Yan, Y. Z., An, Q. D., Xiao, Z. Y., Zheng, W., Zhai, S. G. Flexible core-shell/bead-like alginate@PEI with exceptional adsorption capacity, recycling performance toward batch and column sorption of Cr(VI). Chemical Engineering Journal. 313, 475-486 (2017).
- Fu, L., Shozugawa, K., Matsuo, M. Oxidation of antimony (III) in soil by manganese (IV) oxide using X-ray absorption fine structure. Journal of Environmental Sciences. 73, 31-37 (2018).
- Liu, W., et al. Adsorption of Pb2+, Cd2+, Cu2+ and Cr3+ onto titanate nanotubes: competition and effect of inorganic ions. Science of the Total Environment. 456, 171-180 (2013).
- Wu, B., et al. Dynamic study of Cr(VI) removal performance and mechanism from water using multilayer material coated nanoscale zerovalent iron. Environmental Pollution. 240, 717-724 (2018).
- Shan, C., Ma, Z. Y., Tong, M. P. Efficient removal of trace antimony(III) through adsorption by hematite modified magnetic nanoparticles. Journal of Hazardous Materials. 268, 229-236 (2014).
- Luo, J. M., et al. Removal of antimonite (Sb(III)) and antimonate (Sb(V)) from aqueous solution using carbon nanofibers that are decorated with zirconium oxide (ZrO2). Environmental Science & Technology. 49, 11115-11124 (2015).
- Liu, Y. B., et al. Golden carbon nanotube membrane for continuous flow catalysis. Industrial & Engineering Chemistry Research. 56, 2999-3007 (2017).
- Ma, B. W., et al. Enhanced antimony(V) removal using synergistic effects of Fe hydrolytic flocs and ultrafiltration membrane with sludge discharge evaluation. Water Research. 121, 171-177 (2017).
- Yuan, Z. Y., Zhang, X. B., Su, B. L. Moderate hydrothermal synthesis of potassium titanate nanowires. Applied Physics a-Materials Science & Processing. 78, 1063-1066 (2004).
- Liu, Y. B., et al. Electroactive modified carbon nanotube filter for simultaneous detoxification and sequestration of Sb(III). Environmental Science & Technology. 53, 1527-1535 (2019).
- Gao, G., Vecitis, C. D. Electrochemical carbon nanotube filter oxidative performance as a function of surface chemistry. Environmental Science & Technology. 45, 9726-9734 (2011).
- Liu, Y. B., et al. Simultaneous oxidation and sorption of highly toxic Sb(III) using a dual-functional electroactive filter. Environmental Pollution. 251, 72-80 (2019).
