수산화철에 침수된 양이온성 폴리머 젤을 이용한 비소 제거
Summary
이 작품에서, 우리는 지하수에서 비소를 흡착하기위한 양이온 N,N-디메틸아미노 프로필라미드 메틸 염화물 사분수 (DMAPAAQ) 폴리머 젤 및 철 수산화로 구성된 흡착제를 준비했습니다. 겔은 그 구조에서 철 입자의 최대 함량을 보장하도록 설계된 새로운 방법을 통해 제조되었다.
Abstract
이 작품에서, 우리는 지하수에서 비소를 흡착하도록 설계된 구조에 수산화 철을 포함하는 양이온 폴리머 젤로 구성된 흡착제를 준비했습니다. 우리가 선택한 겔은 N,N-디메틸아미노 프로필라크릴라미드 메틸 염화염 쿼터니(DMAPAAQ) 겔이었다. 우리의 제조 방법의 목적은 겔의 구조에서 수산화 철의 최대 함량을 보장하는 것이었습니다. 이러한 설계 접근법은 겔의 중합체 구조와 수산화철 성분 모두에 의한 동시 흡착을 가능하게 하여 재료의 흡착 능력을 향상시킨다. 겔의 성능을 조사하기 위해 반응 역학을 측정하고, pH 감도 및 선택성 분석을 수행하고, 비소 흡착 성능을 모니터링하고, 재생 실험을 수행했습니다. 우리는 젤이 화학 흡기 과정을 거치고 10 시간에서 평형에 도달한다는 것을 결정했습니다. 또한, 겔은 중성 pH 수준에서 비소를 효과적으로 흡착하고 복잡한 이온 환경에서 선택적으로 흡착하여 최대 흡착 량 1.63 mM/g를 달성했습니다. 젤은 87.6 % 효율로 재생 될 수 있으며 NaCl은 유해한 NaOH 대신 탈착에 사용될 수 있습니다. 종합하면, 제시된 겔 기반 설계 방법은 고성능 비소 흡착제 를 시공하기 위한 효과적인 접근법이다.
Introduction
수질 오염은 환경문제로, 연구자들이 폐기물 처리기에서 비소와 같은 오염물질을 제거하는 방법을개발하도록 동기를 부여한다 1. 보고된 모든 방법 중에서 흡착 공정은 중금속 제거2,3,4,5,6,7에대해 비교적 저렴한 비용으로 접근한다. 철 옥시 하이드록시드 분말은 수성 용액8,9에서비소를 추출하기위한 가장 효율적인 흡착제 중 하나로 간주됩니다. 여전히, 이러한 재료는 초기 포화 시간 및 독성 합성 전구체를 포함하여 여러 가지 단점으로 고통받고 있습니다. 부가적으로, 이러한 흡착제가 장기간 사용될 때 수질에 심각한 악영향이있다(10). 침전 또는 여과와 같은 추가분리 공정은 오염된 물을 정화하기 위해 필요하며, 이는 생산 비용을 더증가시킨다 8,11.
최근 연구자들은 양이온 하이드로겔, 마이크로겔 및 크라이오겔과 같은 폴리머 겔을 개발하여 효율적인 흡착 특성을 입증했습니다. 예를 들어, 96%의 비소 제거율은 양이온성 저온질, 폴리(3-아크릴라미도프로필) 트리메틸 염화암모늄 [p(APTMACl)]12에의해 달성되었다. 부가적으로, pH 9에서, 약 99.7% 제거 효율은 이 양이온하이드로겔(13)에의해 달성되었다. pH 4에서, 98.72 mg/g의 최대 비소 흡착 용량은 마이크로겔에 의해 달성되었고, 트리스(2-아미노에틸) 아민(TAEA) 및 글리세롤디글리시딜 에테르(GDE), p(TAEA-co-GDE)14를기초로 하였다. 이들 겔은 좋은 흡착 성능을 보였지만, 중성 pH 수준에서 물에서 비소를 효과적으로 제거하는 데 실패했으며, 모든 연구 환경에서의 선택성은15로보고되지 않았다. Fe(III)-Sn(IV) 혼합 이진 산화물 코팅 모래가 313 K 및 716의pH의 온도에서 사용되었을 때 227 mg/g의 최대 흡착 용량을 측정하였다. 양자택일로, Fe-Zr 이진 산화물 코팅 모래 (IZBOCS)는 또한 비소를 제거하기 위하여 이용되고 318 K및 717의pH에서 84.75 mg/g의 최대 흡착 용량을 달성했습니다. 기타 보고된 흡착제는 낮은 흡착 성능, 재활용성 부족, 낮은 안정성, 높은 운영 및 유지 관리 비용,합성 공정에서 유해 화학물질의 사용으로 고통받고 4.
우리는 비소 흡착 성능 향상, 복잡한 환경에서의 높은 선택성, 재활용 능력 및 중성 pH 수준에서의 효율적인 활동을 갖춘 재료를 개발하여 위의 한계를 해결하기 위해 노력했습니다. 따라서, 우리는 비소 제거를 위한 흡착제로서 N,N-디메틸아미노 프로필라크릴라미드 메틸 염화물 쿼터너리(DMAPAAQ) 젤 및 철(III) 수산화물(FeOOH) 입자의 양이온 겔 복합체를 개발하였다. 우리는 FeOOH가 비소18의두 가지 형태의 흡착을 증가시키기 때문에 FeOOH를 우리의 젤과 결합하기로 결정했습니다. 이 연구에서, 우리의 젤 복합체는 비다공성으로 설계되었으며 준비 중에 FeOOH를 함침시켰습니다. 다음 섹션에서는 FeOOH의 함량을 최대화하기위한 전략을 포함하여 겔 제제 방법의 세부 사항에 대해 더 논의합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
우리가 개발 한 방법의 주요 발전은 젤 복합체의 독특한 디자인 전략입니다. 겔 제제 방법의 목적은 겔 내의 철 분 함량을 최대화하는 것이었다. 준비 과정에서 FeCl3와 NaOH를 각각 “이니시에이터 솔루션”과 “단량체 용액”에 추가했습니다. 단량체 용액을 이니시에이터 용액과 혼합한 후, FeCl 3와 NaOH 사이에 반응이 있었고, 겔 내부에 FeOOH를 생성한다. 이러한 현상은 겔 복합체의 최대 ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 JSPS 카켄히 교부금 번호 (26420764, JP17K06892)에 의해 지원되었습니다. ‘건설기술 연구개발 보조금 제도’를 통해 일본 정부인 국토교통관광부(MLIT)의 공헌도 인정받고 있습니다. 우리는 또한 이 연구에 센모토 기요타카 씨의 공헌을 인정합니다. 히로시마대학 글쓰기센터의 선임 글쓰기 고문인 아델 피트케리(Adele Pitkeathly)도 영어 교정 및 제안에 대해 인정받고 있습니다. 이 연구는 2017년제7회 IWA-Aspire 컨퍼런스와 2018년 수자원 환경 기술 컨퍼런스에서 구두 발표로 선정되었습니다.
Materials
| N,N’-dimethylamino propylacrylamide, methyl chloride quaternary (DMAPAAQ) (75% in H2O) | KJ Chemicals Corporation, Japan | 150707 | |
| N,N’-Methylene bisacrylamide (MBAA) | Sigma-Aldrich, USA | 1002040622 | |
| Sodium sulfite (Na2SO3) | Nacalai Tesque, Inc., Japan | 31922-25 | |
| Sodium sulfate (Na2SO4) | Nacalai Tesque, Inc., Japan | 31916-15 | |
| Di-sodium hydrogenarsenate heptahydrate(Na2HAsO4.7H20) | Nacalai Tesque, Inc., Japan | 10048-95-0 | |
| Ferric chloride(FeCl3) | Nacalai Tesque, Inc., Japan | 19432-25 | |
| Sodium hydroxide(NaOH) | Kishida Chemicals Corporation, Japan | 000-75165 | |
| Ammonium peroxodisulfate (APS) | Kanto Chemical Co. Inc., Japan | 907W2052 | |
| Hydrochloric acid (HCl) | Kanto Chemical Co. Inc., Japan | 18078-01 | |
| Sodium Chloride (NaCl) | Nacalai Tesque, Inc., Japan | 31320-05 |
Riferimenti
- Oremland, R. S., Stolz, J. F. The Ecology of Arsenic. Science. 300 (5621), 939-944 (2003).
- Bibi, I., Icenhower, J., Niazi, N. K., Naz, T., Shahid, M., Bashir, S. Chapter 21 – Clay Minerals: Structure, Chemistry, and Significance in Contaminated Environments and Geological {CO2} Sequestration. Environmental Materials and Waste. , 543-567 (2016).
- He, R., Peng, Z., Lyu, H., Huang, H., Nan, Q., Tang, J. Synthesis and characterization of an iron-impregnated biochar for aqueous arsenic removal. Science of the Total Environment. 612, 1177-1186 (2018).
- Niazi, N. K., et al. Arsenic removal by Japanese oak wood biochar in aqueous solutions and well water: Investigating arsenic fate using integrated spectroscopic and microscopic techniques. Science of the Total Environment. 621, 1642-1651 (2017).
- Shaheen, S. M., Eissa, F. I., Ghanem, K. M., Gamal El-Din, H. M., Al Anany, F. S. Heavy metals removal from aqueous solutions and wastewaters by using various byproducts. Journal of Environmental Management. 128, 514-521 (2013).
- Shakoor, M. B., et al. Remediation of arsenic-contaminated water using agricultural wastes as biosorbents. Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 46 (5), 467-499 (2016).
- Vithanage, M., et al. Interaction of arsenic with biochar in soil and water: A critical review. Carbon. 113, 219-230 (2017).
- Hu, X., Ding, Z., Zimmerman, A. R., Wang, S., Gao, B. Batch and column sorption of arsenic onto iron-impregnated biochar synthesized through hydrolysis. Water Research. 68, 206-216 (2015).
- Saharan, P., Chaudhary, G. R., Mehta, S. K., Umar, A. Removal of Water Contaminants by Iron Oxide Nanomaterials. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 14 (1), 627-643 (2014).
- Siddiqui, S. I., Chaudhry, S. A. Iron oxide and its modified forms as an adsorbent for arsenic removal: A comprehensive recent advancement. Process Safety and Environmental Protection. 111, 592-626 (2017).
- Tuna, A. &. #. 2. 1. 4. ;. A., özdemir, E., şimşek, E. B., Beker, U. Removal of As(V) from aqueous solution by activated carbon-based hybrid adsorbents: Impact of experimental conditions. Chemical Engineering Journal. 223, 116-128 (2013).
- Sahiner, N., Demirci, S., Sahiner, M., Yilmaz, S., Al-Lohedan, H. The use of superporous p(3-acrylamidopropyl)trimethyl ammonium chloride cryogels for removal of toxic arsenate anions. Journal of Environmental Management. 152, 66-74 (2015).
- Barakat, M. A. A., Sahiner, N. Cationic hydrogels for toxic arsenate removal from aqueous environment. Journal of Environmental Management. 88 (4), 955-961 (2008).
- ur Rehman, S., et al. Removal of arsenate and dichromate ions from different aqueous media by amine based p(TAEA-co-GDE) microgels. Journal of Environmental Management. 197, 631-641 (2017).
- Safi, S. R., Gotoh, T., Iizawa, T., Nakai, S. Development and regeneration of composite of cationic gel and iron hydroxide for adsorbing arsenic from ground water. Chemosphere. 217, 808-815 (2019).
- Chaudhry, S. A., Ahmed, M., Siddiqui, S. I., Ahmed, S. Fe(III)-Sn(IV) mixed binary oxide-coated sand preparation and its use for the removal of As(III) and As(V) from water: Application of isotherm, kinetic and thermodynamics. Journal of Molecular Liquids. 224, 431-441 (2016).
- Chaudhry, S. A., Zaidi, Z., Siddiqui, S. I. Isotherm, kinetic and thermodynamics of arsenic adsorption onto Iron-Zirconium Binary Oxide-Coated Sand (IZBOCS): Modelling and process optimization. Journal of Molecular Liquids. 229, 230-240 (2017).
- Lin, S., Yang, H., Na, Z., Lin, K. A novel biodegradable arsenic adsorbent by immobilization of iron oxyhydroxide (FeOOH) on the root powder of long-root Eichhornia crassipes. Chemosphere. 192, 258-266 (2018).
- Allen, K. D., et al. Hsp70 chaperones as modulators of prion life cycle: Novel effects of Ssa and Ssb on the Saccharomyces cerevisiae prion [PSI+]. Genetica. 169 (3), 1227-1242 (2005).
- Chaplin, B. P., Roundy, E., Guy, K. A., Shapley, J. R., Werth, C. I. Effects of natural water ions and humic acid on catalytic nitrate reduction kinetics using an alumina supported Pd-Cu catalyst. Environmental Science and Technology. 40 (9), 3075-3081 (2006).
- Zhang, Y., Cremer, P. S. Interactions between macromolecules and ions: the Hofmeister series. Current Opinion in Chemical Biology. 10 (6), 658-663 (2006).
- Fawell, J. K., Ohanian, E., Giddings, M., Toft, P., Magara, Y., Jackson, P. Sulfate in Drinking-water Background document for development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality. World Health Organization. , 8 (2004).
- ur Rehman, S., et al. Fast removal of high quantities of toxic arsenate via cationic p(APTMACl) microgels. Journal of Environmental Management. 166, 217-226 (2016).
