Ein dual-funktionaler elektroaktiver Filter zur gleichzeitigen Sb(III) Oxidation und Sequestrierung
Summary
Ein Protokoll für die rationelle Konstruktion eines dual-funktionalen elektroaktiven Filters bestehend aus Kohlenstoff-Nanoröhren und Titanat-Nanodrähten wird gemeldet und ihre Umweltanwendungen für die Oxidation und Sequestrierung von Sb(III) vorgestellt.
Abstract
Wir haben eine einfache Methode entwickelt, um einen zweifunktionalen elektrochemischen Filter zu synthetisieren, der aus zwei 1-D-Materialien besteht: Titanat-Nanodrähte und Kohlenstoff-Nanoröhren. Der Hybrid-Titanat-CNT-Filter wurde durch eine Beschallung in Verbindung mit einer Postfiltrationsroute hergestellt. Aufgrund der synergistischen Effekte der erhöhten Anzahl exponierter Sorptionsstellen, der elektrochemischen Reaktivität, der geringen Porengröße des Titanat-CNT-Netzwerks in Verbindung mit einer Durchflusskonstruktion kann die gleichzeitige Sb(III)-Oxidation und -Sequestrierung leicht Erreicht. Die Atomfluoreszenzspektrometertechnologie zeigte, dass das angewandte elektrische Feld die Umwandlungsrate von Sb(III) beschleunigt und die erhaltene Sb(V) aufgrund ihrer Sb-Spezifität von den Titanat-Nanodrähten effektiv adsorbiert wurde. Dieses Protokoll bietet eine praktische Lösung für die Entfernung hochgiftiger Sb(III) und anderer ähnlicher Schwermetallionen.
Introduction
In letzter Zeit hat die Umweltverschmutzung durch aufkommende Antimon (Sb) viel Aufmerksamkeit erregt1,2. Umfangreiche Studien zeigen, dass Sb-Verbindungen eine hohe Toxizität für menschliche und Mikroorganismen darstellen, obwohl sie in niedrigen Konzentrationen in der Umwelt3,4vorhanden sind. Schlimmer noch, herkömmliche physikalisch-chemische oder biologische Methoden sind in der Regel unwirksam, um diese entstehenden Verunreinigungen aufgrund ihrer niedrigen Konzentrationen und hohe Toxizität zu entfernen5. Die am häufigsten vorkommenden Arten von Sb sind Sb(V) und Sb(III), von denen die letztgenannte Form giftiger ist.
Unter den derzeit verfügbaren Behandlungsmethoden, Adsorption wird geglaubt, um eine vielversprechende und praktikable Alternative aufgrund seiner hohen Effizienz, niedrige Kosten, und Einfachheit6,7. Bisher wurden mehrere nanoskalige Sorbens mit abstimmbaren Mikrostrukturen, großer spezifischer Oberfläche und Sb-Spezifität entwickelt, wie TiO28, MnO29, titanate10, zerovalentes Eisen11, Eisenoxide und andere binäre Metalloxide12,13. Ein häufiges Problem im Umgang mit nanoskaligen Adsorbentien ist das Problem nach der Trennung aufgrund ihrer geringen Partikelgröße. Eine Strategie, um dieses Problem anzugehen, besteht darin, diese Nano-Sorbenten auf Makro-/Mikro-Skalierungshilfen zu laden14. Ein weiteres schwieriges Problem, das die breite Anwendung der Adsorptionstechnologie einschränkt, ist der schlechte Massentransport, der durch eine begrenzte Konzentration von Zielverbindungen/Molekülen verursacht wird15. Dieses Problem kann teilweise durch die Annahme eines Membrandesigns angegangen werden, und Konventionen könnten den Massentransport erheblich verbessern. Jüngste Anstrengungen wurden unternommen, um fortschrittliche Behandlungssysteme zu entwickeln, die Adsorption und Oxidation in einer Einheit für eine effektive Sb(III)-Entfernung kombinieren. Hier zeigen wir, wie ein elektroaktiver Titanat-Kohlenstoff-Nanorohr-Filter (Titanat-CNT) rationell für die gleichzeitige Adsorption und Sequestrierung von toxischem Sb(III) konzipiert und angewendet wurde. Durch die Feinabstimmung der Titanatbelastungsmenge, der angelegten Spannung und der Durchflussrate zeigen wir, wie die Oxidationsrate und Sequestrierungseffizienz von Sb(III) entsprechend angepasst werden kann. Obwohl die Herstellung und Anwendung des elektroaktiven Filters in diesem Protokoll dargestellt ist, können ähnliche Konstruktionen auch für die Behandlung anderer Schwermetallionen gelten.
Geringfügige Änderungen im Herstellungsprozess und in reagenzien können zu erheblichen Veränderungen in der Morphologie und Leistung des endendgültigen Systems führen. So haben sich beispielsweise die hydrothermale Zeit, Temperatur und chemische Reinheit als Auswirkungen auf die Mikrostrukturen dieser nanoskaligen Adsorbentien erwiesen. Die Durchflussrate der Adsorbatlösung bestimmt auch die Verweilzeit innerhalb eines Durchflusssystems sowie die Entfernungseffizienz von Zielverbindungen. Mit einer eindeutigen Identifizierung dieser wichtigen Aufprallparameter kann ein reproduzierbares Syntheseprotokoll gesichert und eine stabile Entfernungseffizienz von Sb(III) erreicht werden. Dieses Protokoll zielt darauf ab, detaillierte Erfahrungen mit der Herstellung von dual-funktionalen Hybridfiltern sowie deren Anwendungen zur Entfernung toxischer Schwermetallionen in durchgehender Weise zu vermitteln.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der Schlüssel zu dieser Technologie ist die Herstellung eines elektroaktiven leitfähigen und porösen Hybridfilters mit hoher Sb-Spezifität. Um dies zu tun, sollte besondere Sorgfalt auf den Herstellungsprozess bezahlt werden. Die Menge der Titanat-Nanodrähte muss aufgrund des “Trade-off”-Effekts zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Oberfläche des Filters genau gesteuert werden.
Darüber hinaus ist zu beachten, dass eine ordnungsgemäß angelegte Spannung erforderlich ist. Sobald die …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Natural Science Foundation of Shanghai, China (Nr. 18ZR1401000), dem Shanghai Pujiang Program (Nr. 18PJ1400400) und dem National Key Research and Development Program of China (Nr. 2018YFF0215703) unterstützt.
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 |
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