Ein dual-funktionaler elektroaktiver Filter zur gleichzeitigen Sb(III) Oxidation und Sequestrierung

In letzter Zeit hat die Umweltverschmutzung durch aufkommende Antimon (Sb) viel Aufmerksamkeit erregt^1,2. Umfangreiche Studien zeigen, dass Sb-Verbindungen eine hohe Toxizität für menschliche und Mikroorganismen darstellen, obwohl sie in niedrigen Konzentrationen in der Umwelt^3,4vorhanden 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 Einfachheit^6,7. 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 Metalloxide^12,13. 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.