Et dobbelt funktionelt elektro aktivt filter mod samtidig SB (III) oxidation og Sequestration
Summary
Der rapporteres om en protokol for rationel udformning af et dobbelt funktionelt elektro aktivt filter bestående af carbonnanorør og titanat-nanoledninger, og deres miljø anvendelser i retning af SB (III) oxidation og binding præsenteres.
Abstract
Vi har designet en facile metode til at syntetisere en dual-funktionelle elektrokemisk filter bestående af to 1-D materialer: titanat nanoledninger og Carbon Nanorør. Hybrid titanate-CNT-filteret blev fremstillet ved en sonikering kombineret med en post-filtrerings rute. På grund af de synergistiske virkninger af det øgede antal eksponerede sorptionssteder, elektrokemisk reaktivitet, lille porestørrelse af titanat-CNT-netværket kombineret med et gennemstrømnings design, kan samtidig SB (III) oxidation og binding let Opnåede. Atomisk fluorescens-spektrometer teknologi viste, at det anvendte elektriske felt accelererer SB (III) konverteringsraten, og den as-opnåede SB (V) blev adsorbet effektivt af titanat-nanoledningerne på grund af deres SB-specificitet. Denne protokol giver en praktisk løsning til fjernelse af meget giftige SB (III) og andre lignende tungmetaller ioner.
Introduction
For nylig har den miljømæssige forurening forårsaget af spirende antimon (SB) tiltrukket meget opmærksomhed1,2. Omfattende undersøgelser viser, at SB-forbindelser udgør en høj toksicitet for mennesker og mikroorganismer, selv om de er til stede i lave koncentrationer i miljøet3,4. Endnu værre, konventionelle fysisk-kemiske eller biologiske metoder er normalt ineffektive til at fjerne disse nye forurenende stoffer på grund af deres lave koncentrationer og høj toksicitet5. De mest udbredte arter af SB er SB (V) og SB (III), hvoraf sidstnævnte form er mere giftig.
Blandt de nuværende tilgængelige behandlingsmetoder, er adsorptions menes at være en lovende og realistisk alternativ på grund af sin høje effektivitet, lave omkostninger, og enkelhed6,7. Indtil nu er flere nanoskala sorbenter med justerbare mikrostrukturer, stort specifikt overfladeareal og SB specificitet blevet udviklet, såsom TiO28, MnO29, titanat10, zerovalent Iron11, jernoxider og andre binære metaloxider12,13. Et fælles problem, når der beskæftiger sig med nanoskala adsorbenter er post-separation problem på grund af deres lille partikelstørrelse. En strategi til at løse dette problem er at indlæse disse Nano-sorbents på makro/mikro-skala understøtter14. Et andet udfordrende spørgsmål, der begrænser den brede anvendelse af adsorptions teknologi, er den dårlige masse transport forårsaget af begrænset koncentration af målforbindelser/molekyler15. Dette spørgsmål kan delvist afhjælpes ved at vedtage en membran design og konventionen kunne øge massetransporten betydeligt. Nylige bestræbelser har været afsat til at udvikle avancerede behandlingssystemer, der kombinerer adsorptions og oxidation i en enkelt enhed for effektiv SB (III) fjernelse. Her viser vi hvordan et elektro aktivt titanat-Carbon Nanorør (titanate-CNT) filter var rationelt konstrueret og anvendt til samtidig adsorptions og binding af toksisk SB (III). Ved at finjustere titanatlastnings mængden, den anvendte spænding og strømningshastigheden viser vi, hvordan SB (III) oxidations hastigheden og binding-effektiviteten kan skræddersys tilsvarende. Selv om fremstilling og anvendelse af det elektro aktive filter er vist i denne protokol, kan lignende design også gælde for behandling af andre tungmetaller ioner.
Mindre ændringer i fabrikationsprocessen og reagenser kan forårsage betydelige ændringer i morfologien og ydeevnen af det endelige system. For eksempel har hydrotermiske tid, temperatur og kemisk renhed vist sig at påvirke mikrostrukturerne i disse nanoskala adsorbenter. Strømningshastigheden af adsorbatopløsningen bestemmer også opholdstiden inden for et gennemstrømningssystem samt fjernelses effektiviteten af målforbindelser. Med tydelig identifikation af disse nøgle virkende parametre, kan en reproducerbar syntese protokol sikres og en stabil fjernelse effektivitet af SB (III) kan opnås. Denne protokol har til formål at give detaljerede erfaringer om fremstilling af Dual-funktionelle hybrid filtre samt deres applikationer til fjernelse af giftige tungmetaller ioner i en gennemstrømnings måde.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nøglen til denne teknologi er at fabrikere et elektro aktivt ledende og porøst hybrid filter med høj SB-specificitet. For at gøre dette skal der udvises særlig omhu ved fabrikationsprocessen. Mængden af titanat nanoledninger skal styres præcist på grund af “trade-off”-effekten mellem filterens elektriske ledningsevne og overfladeareal.
Desuden bør det også bemærkes, at en korrekt anvendt spænding er nødvendig. Når den anvendte spænding er for høj (f. eks. > 3 V), kan andre konk…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Natural Science Foundation i Shanghai, Kina (no. 18ZR1401000), Shanghai Pujiang program (no. 18PJ1400400), og det nationale centrale forsknings-og udviklingsprogram i Kina (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).
