Denne artikel præsenterer en ny og bekvem rute til at syntetisere Fe2O3 / faujasite (FAU) -type zeolitkompositmateriale fra rød jord. De detaljerede synteseparametre er blevet finjusteret. Det opnåede kompositmateriale kan anvendes til effektiv afhjælpning af tungmetalforurenet vand, hvilket indikerer dets potentielle anvendelser inden for miljøteknik.
Tungmetalforurenet vand er af stor betydning for menneskers sundhed og miljømiljøet. In situ vandrensningsteknikker muliggjort af meget effektive adsorptionsmaterialer er af stor betydning under disse omstændigheder. Blandt alle de materialer, der anvendes til vandrensning, er jernbaserede nanomaterialer og porøse materialer af stor interesse og drager fordel af deres rige redoxreaktivitet og adsorptionsfunktion. Her udviklede vi en letkøbt protokol til direkte at omdanne den udbredte røde jord i Sydkina til fremstilling af Fe2O3/faujasite (FAU)-type zeolitkompositmateriale.
Den detaljerede synteseprocedure og synteseparametre, såsom reaktionstemperatur, reaktionstid og Si / Al-forholdet i råmaterialerne, er blevet nøje indstillet. De as-syntetiserede kompositmaterialer viser god adsorptionskapacitet for typiske tungmetal (loid) ioner. Med 0,001 g/ml Fe2O3/FAU-type zeolitkompositmateriale tilsat forskellige tungmetal(loid)-forurenede vandige opløsninger (enkelttype tungmetal(loid)-koncentration: 1.000 mg/l [ppm]) blev adsorptionskapaciteten påvist at være 172, 45, 170, 40, 429, 693, 94 og 133 mg/g for Cu (II), Cr (III), Cr (VI), Fjernelse af henholdsvis (III), Cd (II), Pb (II), Zn (II) og Ni (II), som kan udvides yderligere til tungmetalforurenet vand og jordrensning.
Tungmetaller fra menneskeskabte og naturlige aktiviteter er allestedsnærværende i luft-, vand- og jordmiljøet1. De er af høj mobilitet og toksicitet og udgør en potentiel sundhedsrisiko for mennesker ved direkte kontakt eller via transport i fødekæden2. Vand er afgørende for menneskers liv, da det er råmaterialet i enhver familie. Det er afgørende at genoprette vandets sundhed. Derfor er det af stor betydning at mindske mobiliteten og biotilgængeligheden af giftige tungmetaller (loid) i vand. For at opretholde et godt helbred i vand spiller vandrensningsmaterialer, såsom biokul, jernbaserede materialer og zeolit, en væsentlig rolle i immobilisering eller fjernelse af tungmetal (loid) fra vandige miljøer 3,4,5.
Zeolitter er meget krystallinske materialer med unikke porer og kanaler i deres krystalstrukturer. De er sammensat afTO 4 tetraedre (T er det centrale atom, normalt Si, Al eller P) forbundet med delte O-atomer. Den negative overfladeladning og udskiftelige ioner i porerne gør det til et populært adsorbent til ionfangst, som i vid udstrækning er blevet brugt i tungmetalforurenet vand og jordrensning. Ved at drage fordel af deres strukturer omfatter de afhjælpningsmekanismer, der er involveret i fjernelse af forurenende stoffer af zeolitter, hovedsageligt kemisk binding6, overfladeelektrostatisk interaktion7 og ionbytning8.
Zeolit af Faujasit (FAU)-typen har relativt store porer med en maksimal porediameter på 11,24 Å. Det viser høj effektivitet og brede anvendelser til fjernelse af forurenende stoffer 9,10. I de senere år har omfattende forskning viet til udvikling af grønne og billige rutiner til zeolitsyntese, såsom at bruge industrielt fast affald11 som råmateriale til at levere silicium- og aluminiumskilder eller vedtage dirigerende agentfrie opskrifter12. Det rapporterede alternative industrielle faste affald, der kan være silicium- og aluminiumskilder, omfatter kulportal13, flyveaske 11, affaldsmolekylære sigter 14, minedrift og metallurgisk affald 15, ingeniørforladt jord8 og landbrugsjord6 osv.
Heri blev rød jord, et rigeligt og let opnået silicium- og aluminiumrigt materiale, vedtaget som råmateriale, og der blev udviklet en letkøbt grøn kemimetode til Fe2O3/FAU-type zeolitkompositmaterialesyntese (figur 1). De detaljerede synteseparametre er blevet finjusteret. Det as-syntetiserede materiale viser høj immobiliseringskapacitet til afhjælpning af tungmetalforurenet vand. Denne undersøgelse bør være lærerig for beslægtede forskere, der er interesseret i dette område, til at bruge jord som råmateriale til syntese af miljømaterialer.
Zeolit er typisk et aluminosilikatmateriale. I teorien kan materialer, der er rige på silikat og aluminat, vælges som råmaterialer til zeolitsyntese. Si/Al-forholdet mellem råmaterialet skal svare til forholdet mellem den valgte type zeolit for at minimere brugen af yderligere silicium-/aluminiumskilder 6,8,16. Si/Al-forholdet mellem zeolit af FAU-typen er 1,2, og Si/Al-forholdet mellem rød jord er 1,3. Derfor er rød jord …
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev økonomisk støttet af Natural Science Funds for Distinguished Young Scholar of Guangdong-provinsen, Kina, nr. 2020B151502094; National Natural Science Foundation of China, nr. 21777045 og 22106064; Grundlæggelsen af Shenzhen Science, Technology and Innovation Commission, Kina, JCYJ20200109141625078; 2019 ungdomsinnovationsprojekt fra Guangdong universiteter og gymnasier, Kina, nr. 2019KQNCX133 og en særlig fond til videnskabs- og teknologiinnovationsstrategien i Guangdong-provinsen (PDJH2021C0033). Dette arbejde blev sponsoreret af Shenzhen Key Laboratory of Interfacial Science and Engineering of Materials (nr. ZDSYS20200421111401738), Guangdong Provincial Key Laboratory of Soil and Groundwater Pollution Control (2017B030301012) og State Environmental Protection Key Laboratory of Integrated Surface Water-Grundvand forureningskontrol. Vi anerkender især den tekniske støtte fra SUSTech Core Research Facilities.
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 |