重金属除去用Fe2O3/FAU型ゼオライト複合材料合成のための赤土の資源循環
Summary
本稿では、赤色土からFe2O3/ファウジャサイト(FAU)型ゼオライト複合材料を合成するための斬新で便利なルートを紹介します。詳細な合成パラメータは微調整されています。得られた複合材料は、重金属汚染水処理の効率化に利用でき、環境工学への応用が期待されています。
Abstract
重金属で汚染された水は、人間の健康と生態環境にとって大きな懸念事項です。このような状況では、高効率の吸着材料によって可能になる原位置の水浄化技術が非常に重要です。水質浄化に使用されるすべての材料の中で、鉄ベースのナノ材料と多孔質材料は、それらの豊富な酸化還元反応性と吸着機能の恩恵を受けて、非常に興味深いものです。ここでは、中国南部に広く普及している赤い土壌を直接変換して、Fe2O3 /フォージャサイト(FAU)型ゼオライト複合材料を製造するための簡単なプロトコルを開発しました。
反応温度、反応時間、原料中のSi/Al比などの詳細な合成手順と合成パラメータは慎重に調整されています。合成された複合材料は、典型的な重金属(ロイド)イオンに対して良好な吸着能力を示します。0.001 g/mL Fe2O3/FAU型ゼオライト複合材料を異なる重金属(ロイド)汚染水溶液(単一タイプの重金属(ロイド)濃度:1,000 mg/L [ppm])に添加すると、Cu(II)、Cr(III)、Cr(VI)の吸着能力は172、45、170、40、429、693、94、および133 mg/gであることが示されました。 As(III)、Cd(II)、Pb(II)、Zn(II)、Ni(II)の除去は、それぞれ重金属汚染水および土壌浄化のためにさらに拡大することができる。
Introduction
人為的および自然活動からの重金属(ロイド)は、空気、水、土壌環境に遍在しています1。それらは高い移動性と毒性があり、直接接触または食物連鎖輸送を介して人間に潜在的な健康リスクをもたらします2。水はすべての家族の原料であるため、人間の生活に不可欠です。水の健康を回復することは非常に重要です。したがって、水中の有毒な重金属(ロイド)の移動性とバイオアベイラビリティを低下させることが非常に重要です。水中の健康を維持するために、バイオ炭、鉄ベースの材料、ゼオライトなどの水浄化材料は、水性環境からの重金属(ロイド)の固定化または除去に重要な役割を果たします3,4,5。
ゼオライトは、結晶構造に独特の細孔とチャネルを持つ高結晶材料です。それらは、共有O原子によって接続されたTO4 四面体(Tは中心原子、通常はSi、Al、またはP)で構成されています。細孔内の負の表面電荷と交換可能なイオンにより、重金属で汚染された水や土壌の浄化に広く使用されているイオン捕捉用の一般的な吸着剤となっています。それらの構造の恩恵を受けて、ゼオライトによる汚染物質除去に関与する修復メカニズムには、主に化学結合6、表面静電相互作用7、およびイオン交換8が含まれます。
フォージャサイト(FAU)型ゼオライトは比較的大きな細孔を有し、最大細孔径は11.24 Åである。これは、汚染物質除去のための高効率と幅広いアプリケーションを示しています9,10。近年、広範な研究が、シリコンおよびアルミニウム源を提供するための原料として工業用固形廃棄物11を使用すること、または指示剤フリーのレシピを採用するなど、ゼオライト合成のためのグリーンで低コストのルーチンの開発に専念しています12。シリコンおよびアルミニウム源となり得る代替産業固形廃棄物には、石炭脈石13、フライアッシュ11、廃モレキュラーシーブ14、鉱業および冶金廃棄物15、工学放棄土壌8、および農業土壌6などが含まれる。
ここでは、豊富で入手しやすいケイ素とアルミニウムに富む材料である赤土を原料とし、Fe2O3/FAU型ゼオライト複合材料合成のための簡単なグリーンケミストリーアプローチを開発しました(図1)。詳細な合成パラメータは微調整されています。合成されたままの材料は、重金属汚染水浄化のための高い固定化能力を示します。本研究は、この分野に関心のある関連研究者にとって、土壌をエコマテリアル合成の原料として使用するための有益であるはずです。
Protocol
Representative Results
Discussion
ゼオライトは通常、アルミノケイ酸塩材料です。理論的には、ケイ酸塩とアルミン酸塩が豊富な材料をゼオライト合成の原料として選択できます。原材料のSi / Al比は、追加のシリコン/アルミニウム源の使用を最小限に抑えるために、選択したタイプのゼオライトのそれと同様でなければなりません6,8,16。FAU型ゼオライト?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、中国広東省の著名な若手学者のための自然科学基金、No.2020B151502094によって財政的に支援されました。中国国家自然科学基金会、第21777045号および第22106064号。深セン科学技術イノベーション委員会の設立、中国、JCYJ20200109141625078;中国広東省大学およびカレッジの2019年ユースイノベーションプロジェクト、No.2019KQNCX133および広東省の科学技術イノベーション戦略のための特別基金(PDJH2021C0033)。この研究は、深セン界面科学工学研究所(No.ZDSYS20200421111401738)、広東省土壌および地下水汚染防止重点研究所(2017B030301012)、および統合地表水-地下水汚染防止の州環境保護主要研究所。特に、SUSTechコア研究施設からの技術支援を認めています。
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 |
Referenzen
- Qin, G., et al. Soil heavy metal pollution and food safety in China: Effects, sources and removing technology. Chemosphere. 267, 129205 (2021).
- Xu, D. M., Fu, R. B., Liu, H. Q., Guo, X. P. Current knowledge from heavy metal pollution in Chinese smelter contaminated soils, health risk implications and associated remediation progress in recent decades: A critical review. Journal of Cleaner Production. 286, 124989 (2021).
- Dong, X., Ma, L. Q., Li, Y. Characteristics and mechanisms of hexavalent chromium removal by biochar from sugar beet tailing. Journal of Hazardous Materials. 190 (1-3), 909-915 (2011).
- El-Mekkawi, D. M., Selim, M. M. Removal of Pb2+ from water by using Na-Y zeolites prepared from Egyptian kaolins collected from different sources. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2 (1), 723-730 (2014).
- Perego, C., Bagatin, R., Tagliabue, M., Vignola, R. Zeolites and related mesoporous materials for multi-talented environmental solutions. Microporous and Mesoporous Materials. 166, 37-49 (2013).
- Zheng, R., et al. Converting loess into zeolite for heavy metal polluted soil remediation based on "soil for soil-remediation" strategy. Journal of Hazardous Materials. 412, 125199 (2021).
- Cheng, Y., et al. Feasible low-cost conversion of red mud into magnetically separated and recycled hybrid SrFe12O19@NaP1 zeolite as a novel wastewater adsorbent. Chemical Engineering Journal. 417, 128090 (2021).
- Yang, D., et al. Remediation of Cu-polluted soil with analcime synthesized from engineering abandoned soils through green chemistry approaches. Journal of Hazardous Materials. 406, 124673 (2021).
- Song, W., Li, G., Grassian, V. H., Larsen, S. C. Development of improved materials for environmental applications: Nanocrystalline NaY zeolites. Environmental Science & Technology. 39 (5), 1214-1220 (2005).
- Cheng, H., Reinhard, M. Sorption of trichloroethylene in hydrophobic micropores of dealuminated Y zeolites and natural minerals. Environmental Science & Technology. 40 (24), 7694-7701 (2006).
- Rayalu, S. S., Bansiwal, A. K., Meshram, S. U., Labhsetwar, N., Devotta, S. Fly ash based zeolite analogues: Versatile materials for energy and environment conservation. Catalysis Surveys from Asia. 10 (2), 74-88 (2006).
- Borel, M., et al. SDA-free hydrothermal synthesis of high-silica ultra-nanosized zeolite Y. Crystal Growth & Design. 17 (3), 1173-1179 (2017).
- Jin, Y., Li, L., Liu, Z., Zhu, S., Wang, D. Synthesis and characterization of low-cost zeolite NaA from coal gangue by hydrothermal method. Advanced Powder Technology. 32 (3), 791-801 (2021).
- Huiyu, S., Weiming, L., Zheng, Z. Current situation of comprehensive utilization of waste industrial molecular sieve and agricultural rice husk. Liaoning Chemical Industry. 49 (12), 1555 (2020).
- Azizi, D., et al. Microporous and macroporous materials state-of-the-art of the technologies in zeolitization of aluminosilicate bearing residues from mining and metallurgical industries: A comprehensive review. Microporous and Mesoporous Materials. 318, 111029 (2021).
- Yang, D., et al. Transferring waste red mud into ferric oxide decorated ANA-type zeolite for multiple heavy metals polluted soil remediation. Journal of Hazardous Materials. 424, 127244 (2022).
- Kirdeciler, S. K., Akata, B. One pot fusion route for the synthesis of zeolite 4A using kaolin). Advanced Powder Technology. 31 (10), 4336-4343 (2020).
- Rubtsova, M., et al. Nanoarchitectural approach for synthesis of highly crystalline zeolites with a low Si/Al ratio from natural clay nanotubes. Microporous and Mesoporous Materials. 330, 111622 (2022).
- Setthaya, N., Chindaprasirt, P., Pimraksa, K. Preparation of zeolite nanocrystals via hydrothermal and solvothermal synthesis using of rice husk ash and metakaolin. Materials Science Forum. 872, 242-247 (2016).
- Belviso, C., et al. Red mud as aluminium source for the synthesis of magnetic zeolite. Microporous and Mesoporous Materials. 270, 24-29 (2018).
- Zhao, Y., et al. Removal of ammonium from wastewater by pure form low-silica zeolite Y synthesized from halloysite mineral. Separation Science and Technology. 45 (8), 1066-1075 (2010).
- Meng, Q., Chen, H., Lin, J., Lin, Z., Sun, J. Zeolite A synthesized from alkaline assisted pre-activated halloysite for efficient heavy metal removal in polluted river water and industrial wastewater. Journal of Environmental Sciences (China). 56, 254-262 (2017).
- Wang, X., et al. Synthesis of substrate-bound Au nanowires via an active surface growth mechanism. Journal of Visualized Experiments. (137), e57808 (2018).
- Asundi, A. S., et al. Understanding structure-property relationships of MoO3-promoted Rh catalysts for syngas conversion to alcohols. Journal of the American Chemical Society. 141 (50), 19655-19668 (2019).
- Zhu, Q., et al. Solvent-free crystallization of ZSM-5 zeolite on SiC foam as a monolith catalyst for biofuel upgrading. Chinese Journal of Catalysis. 41 (7), 1118-1124 (2020).
- Ghrear, T. M. A., et al. low-pressure, low-temperature microwave synthesis of ABW cesium aluminosilicate zeolite nanocatalyst in organotemplate-free hydrogel system. Materials Research Bulletin. 122, 110691 (2020).
