중금속 제거를 위한 Fe2O3/FAU형 제올라이트 복합재료 합성을 위한 적색 토양의 자원 재활용
Summary
이 기사는 붉은 토양에서 Fe2O3 / 파우 자사이트 (FAU) 유형 제올라이트 복합 재료를 합성하는 새롭고 편리한 경로를 제시합니다. 자세한 합성 파라미터가 미세 조정되었습니다. 얻어진 복합 재료는 효율적인 중금속 오염 된 물 정화에 사용될 수 있으며, 이는 환경 공학에서의 잠재적 인 응용을 나타냅니다.
Abstract
중금속으로 오염 된 물은 인체 건강과 생태 환경에 큰 관심사입니다. 고효율 흡착 재료로 가능한 현장 수질 정화 기술은 이러한 상황에서 매우 중요합니다. 수질 정화에 사용되는 모든 재료 중에서 철 기반 나노 물질 및 다공성 물질은 풍부한 산화 환원 반응성 및 흡착 기능의 이점을 활용하여 큰 관심을 끌고 있습니다. 여기에서 우리는 Fe2O3 / faujasite (FAU) 유형 제올라이트 복합 재료를 제조하기 위해 중국 남부에 널리 퍼진 붉은 토양을 직접 변환하는 손쉬운 프로토콜을 개발했습니다.
반응 온도, 반응 시간 및 원료의 Si / Al 비율과 같은 상세한 합성 절차 및 합성 매개 변수가 신중하게 조정되었습니다. 합성 된 복합 재료는 일반적인 중금속 (loid) 이온에 대해 우수한 흡착 능력을 보여줍니다. 0.001 g / mL Fe2O3 / FAU 형 제올라이트 복합 재료를 다른 중금속 (loid) 오염 수용액 (단일 유형의 중금속 (loid) 농도 : 1,000 mg / L [ppm])에 첨가 한 경우, 흡착 용량은 Cu (II), Cr (III), Cr (VI)에 대해 172, 45, 170, 40, 429, 693, 94 및 133 mg / g으로 나타났습니다. 각각 (III), Cd(II), Pb(II), Zn(II) 및 Ni(II)를 제거하며, 이는 중금속 오염수 및 토양 복원을 위해 추가로 확장될 수 있다.
Introduction
인위적 및 자연적 활동으로 인한 중금속 (loid)은 공기, 물 및 토양 환경에서 어디에나 있습니다1. 그들은 이동성과 독성이 높아 직접 접촉이나 먹이 사슬 운송2을 통해 인간에게 잠재적 인 건강 위험을 초래합니다. 물은 모든 가족의 공급 원료이기 때문에 인간의 삶에 필수적입니다. 물의 건강을 회복하는 것이 중요합니다. 따라서 물에서 독성 중금속 (loid)의 이동성과 생체 이용률을 감소시키는 것이 매우 중요합니다. 물에서 건강을 유지하기 위해 바이오 숯, 철계 재료 및 제올라이트와 같은 수질 정화 재료는 수성 환경에서 중금속 (loid)을 고정화하거나 제거하는 데 필수적인 역할을합니다 3,4,5.
제올라이트는 결정 구조에 독특한 기공과 채널을 가진 고결정질 물질입니다. 그들은 공유 O 원자로 연결된 TO4 사면체 (T는 중심 원자, 일반적으로 Si, Al 또는 P)로 구성됩니다. 기공의 음전하와 교환 가능한 이온은 중금속 오염 된 물 및 토양 복원에 광범위하게 사용되는 이온 포획을위한 인기있는 흡착제입니다. 제올라이트에 의한 오염 물질 제거와 관련된 개선 메커니즘은 주로 화학 결합6, 표면 정전기 상호 작용7 및 이온 교환8을 포함합니다.
파우 자사이트 (FAU) 형 제올라이트는 최대 기공 직경이 11.24 Å 인 비교적 큰 기공을 가지고 있습니다. 오염 물질 제거를 위한 고효율 및 광범위한 적용을 보여줍니다 9,10. 최근 몇 년 동안, 실리콘 및 알루미늄 공급원을 제공하기 위해 산업 고형 폐기물11을 원료로 사용하거나 지시제가 없는 레시피12를 채택하는 것과 같이 제올라이트 합성을 위한 친환경 및 저비용 루틴을 개발하는 데 광범위한 연구가 전념하고 있습니다. 실리콘 및 알루미늄 공급원이 될 수 있는보고 된 대체 산업 고형 폐기물에는 석탄 맥석13, 플라이 애쉬 (11), 폐기물 분 자체 (14), 광업 및 야금 폐기물(15), 엔지니어링 포기 토양8 및 농업 토양6 등이 포함됩니다.
여기에서는 풍부하고 쉽게 얻을 수있는 실리콘 및 알루미늄이 풍부한 물질 인 적색 토양을 원료로 채택하고 Fe2O3 / FAU 형 제올라이트 복합 재료 합성을위한 손쉬운 녹색 화학 접근법을 개발했습니다 (그림 1). 자세한 합성 파라미터가 미세 조정되었습니다. 합성 된 물질은 중금속 오염 된 물 정화를위한 높은 고정 능력을 보여줍니다. 본 연구는이 분야에 관심이있는 관련 연구자들이 토양을 생태 재료 합성의 원료로 사용하는 데 유익해야합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
제올라이트는 전형적으로 알루미노실리케이트 물질이다. 이론적으로, 규산염과 알루미 네이트가 풍부한 물질은 제올라이트 합성을위한 원료로서 선택 될 수있다. 원료의 Si / Al 비율은 추가 실리콘 / 알루미늄 소스 6,8,16의 사용을 최소화하기 위해 선택한 유형의 제올라이트와 유사해야합니다. FAU 형 제올라이트의 Si / Al 비율?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 중국 광동성 저명한 젊은 학자를 위한 자연 과학 기금, No. 2020B151502094의 재정 지원을 받았습니다. 중국 국립 자연 과학 재단, No. 21777045 및 22106064; 심천 과학, 기술 및 혁신위원회 재단, 중국, JCYJ20200109141625078; 2019 광동 대학 및 대학의 청소년 혁신 프로젝트, 중국, No. 2019KQNCX133 및 광동성 과학 기술 혁신 전략 특별 기금 (PDJH2021C0033). 이 연구는 심천 계면 과학 및 재료 공학 핵심 연구소 (No. ZDSYS20200421111401738), 광동성 토양 및 지하수 오염 통제 핵심 실험실 (2017B030301012) 및 통합 지표수-지하수 오염 제어의 주 환경 보호 핵심 실험실. 특히, 우리는 SUSTech 핵심 연구 시설의 기술 지원을 인정합니다.
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
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