Um filtro eletroativo dual-funcional para simultaneamente sb (III) oxidação e sequestro
Summary
Um protocolo para o projeto racional de um filtro eletroativo dual-funcional que consiste em nanotubos de carbono e nanofios titanatos é relatado e suas aplicações ambientais para a oxidação e sequestro sb (III) são apresentadas.
Abstract
Nós projetamos um método fácil para sintetizar um filtro eletroquímico dual-funcional composto por dois materiais 1-D: nanofios titanatos e nanotubos de carbono. O filtro híbrido titanate-CNT foi preparado por uma sonorização juntamente com uma rota pós-filtragem. Devido aos efeitos sinérgicos do aumento do número de locais de sorção expostos, a reatividade eletroquímica, o pequeno tamanho dos poros da rede titanato-CNT, juntamente com um design de fluxo, oxidação simultânea de Sb (III) e sequestro podem ser prontamente Alcançado. A tecnologia do espectrômetro de fluorescência atômica demonstrou que o campo elétrico aplicado acelera a taxa de conversão sb (III) e o Sb (V) obtido como obtiveram efetivamente pelos nanofios titanatos devido à sua especificidade Sb. Este protocolo fornece uma solução prática para a remoção de Sb altamente tóxico (III) e outros íons similares do metal pesado.
Introduction
Recentemente, a poluição ambiental causada pela antimônia emergente (Sb) tem atraído muita atenção1,2. Estudos extensivos demonstram que compostos Sb apresentam alta toxicidade para humanos e microorganismos, embora presentes em baixas concentrações no ambiente3,4. Pior ainda, métodos fisicoquímicos ou biológicos convencionais são geralmente ineficazes para remover esses contaminantes emergentes devido às suas baixas concentrações e alta toxicidade5. As espécies mais abundantes de Sb são Sb (V) e Sb (III), das quais esta última forma é mais tóxica.
Entre os métodos de tratamento atualmente disponíveis, acredita-se que a adsorção seja uma alternativa promissora e viável devido à sua alta eficiência, baixo custo e simplicidade6,7. Até agora, vários sorventes nanoescala com microestruturas tunable, grande área de superfície específica e especificidade Sb foram desenvolvidos, como TiO28, MnO29, titanate10, zerovalent ferro11, óxidos de ferro e outros óxidos de metal binário12,13. Um problema comum ao lidar com adsorventes em nanoescala é o problema pós-separação devido ao seu pequeno tamanho de partículas. Uma estratégia para resolver esta questão é carregar esses nano-sorbents em suportes macro/microescala14. Outra questão desafiadora que restringe a ampla aplicação da tecnologia de adsorção é o mau transporte de massa causado pela concentração limitada de compostos/moléculas alvo15. Esta questão pode ser parcialmente abordada apelando a um design de membrana e convenção poderia melhorar o transporte de massa significativamente. Esforços recentes têm sido dedicados ao desenvolvimento de sistemas de tratamento avançados que combinam adsorção e oxidação em uma única unidade para remoção efetiva de Sb (III). Aqui, mostramos como um filtro eletroativo de nanotubos de carbono-titanato (titanato-CNT) foi concebido racionalmente e aplicado para a adsorção e sequestro simultaneamente de Sb tóxico (III). Ao ajustar a quantidade de carregamento de titânito, tensão aplicada e taxa de fluxo, demonstramos como a taxa de oxidação e a eficiência de sequestro do Sb (III) podem ser adaptadas correspondentemente. Embora a fabricação e a aplicação do filtro eletroativo sejam mostradas neste protocolo, projetos similares também podem ser aplicados ao tratamento de outros íons de heavy metal.
Pequenas mudanças no processo de fabricação e reagentes podem causar mudanças significativas na morfologia e desempenho do sistema final. Por exemplo, o tempo hidrotermal, a temperatura e a pureza química têm demonstrado afetar as microestruturas desses adsorventes em nanoescala. A taxa de fluxo da solução adsorbate também determina o tempo de residência dentro de um sistema de fluxo, bem como a eficiência de remoção de compostos-alvo. Com a identificação clara desses parâmetros-chave de impacto, um protocolo de síntese reproduzível pode ser garantido e uma eficiência de remoção estável de Sb (III) pode ser alcançada. Este protocolo visa proporcionar uma experiência detalhada sobre a fabricação de filtros híbridos dual-funcionais, bem como suas aplicações para a remoção de íons tóxicos de metais pesados de forma fluida.
Protocol
Representative Results
Discussion
A chave para esta tecnologia é fabricar um filtro híbrido eletroativo condutor e poroso com alta especificidade Sb. Para isso, um cuidado especial deve ser prestado ao processo de fabricação. A quantidade de nanofios titanatos precisa ser controlada com precisão devido ao efeito “trade-off” entre a condutividade elétrica do filtro e a área de superfície.
Além disso, deve-se também notar que é necessária uma tensão aplicada adequada. Uma vez que a tensão aplicada é muito alta (po…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela Fundação de Ciências Naturais de Xangai, China (Nº 18ZR1401000), pelo Programa Pujiang de Xangai (nº 18PJ14004000) e pelo Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Da China (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 |
Referencias
- 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).
