إعادة تدوير موارد التربة الحمراء لتوليف المواد المركبة من نوع Fe2O3 / FAU لإزالة المعادن الثقيلة
Summary
تقدم هذه المقالة طريقا جديدا ومناسبا لتوليف مادة مركب الزيوليت من نوع Fe2O3 / faujasite (FAU) من التربة الحمراء. تم ضبط معلمات التوليف التفصيلية بدقة. يمكن استخدام المواد المركبة التي تم الحصول عليها لمعالجة المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة بكفاءة ، مما يشير إلى تطبيقاتها المحتملة في الهندسة البيئية.
Abstract
تشكل المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة مصدر قلق كبير لصحة الإنسان والبيئة الإيكولوجية. وتكتسي تقنيات معالجة المياه في الموقع التي تتيحها مواد الامتزاز العالية الكفاءة أهمية كبيرة في هذه الظروف. من بين جميع المواد المستخدمة في معالجة المياه ، تعد المواد النانوية القائمة على الحديد والمواد المسامية ذات أهمية كبيرة ، حيث تستفيد من تفاعلها الغني بالأكسدة والاختزال ووظيفة الامتزاز. هنا ، قمنا بتطوير بروتوكول سهل لتحويل التربة الحمراء المنتشرة على نطاق واسع في جنوب الصين مباشرة لتصنيع مادة الزيوليت الزيتوليت من نوع Fe2O3 / faujasite (FAU).
تم ضبط إجراء التوليف التفصيلي ومعلمات التوليف ، مثل درجة حرارة التفاعل ووقت التفاعل ونسبة Si / Al في المواد الخام بعناية. تظهر المواد المركبة كما تم تصنيعها قدرة امتزاز جيدة لأيونات المعادن الثقيلة (loid) النموذجية. مع 0.001 جم / مل Fe2O3 / FAU – مادة مركبة من نوع الزيوليت المضافة إلى محاليل مائية مختلفة ملوثة بالمعادن الثقيلة (loid) (نوع واحد من تركيز المعادن الثقيلة (loid): 1000 mg / L [ppm]) ، تبين أن قدرة الامتزاز هي 172 و 45 و 170 و 40 و 429 و 693 و 94 و 133 mg / g لل Cu (II) و Cr (III) و Cr (VI) ، كما إزالة (III) و Cd (II) و Pb (II) و Zn (II) و Ni (II) ، على التوالي ، والتي يمكن توسيعها بشكل أكبر من أجل معالجة المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة والتربة.
Introduction
المعادن الثقيلة (loid) من الأنشطة البشرية والطبيعية موجودة في كل مكان في الهواء والماء وبيئة التربة1. فهي ذات قدرة عالية على الحركة والسمية، مما يشكل خطرا صحيا محتملا على البشر عن طريق الاتصال المباشر أو عن طريق نقل السلسلة الغذائية2. الماء أمر حيوي لحياة البشر لأنه المادة الخام لكل أسرة. استعادة صحة المياه أمر بالغ الأهمية. لذلك ، من الأهمية بمكان تقليل التنقل والتوافر البيولوجي للمعادن الثقيلة السامة (loid) في الماء. للحفاظ على صحة جيدة في الماء ، تلعب مواد معالجة المياه ، مثل biochar والمواد القائمة على الحديد والزيوليت ، دورا أساسيا في شل أو إزالة المعادن الثقيلة (loid) من البيئات المائية3،4،5.
الزيوليت هي مواد بلورية للغاية مع مسام وقنوات فريدة من نوعها في هياكلها الكريستالية. وهي تتكون من TO4 رباعي السطوح (T هي الذرة المركزية ، وعادة ما تكون Si أو Al، أو P) متصلة بذرات O مشتركة. الشحنة السطحية السالبة والأيونات القابلة للتبادل في المسام تجعلها ممتزة شائعة لالتقاط الأيونات ، والتي تم استخدامها على نطاق واسع في معالجة المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة والتربة. وبالاستفادة من هياكلها، تشمل آليات المعالجة المشاركة في إزالة الملوثات بواسطة الزيوليت بشكل رئيسي الترابط الكيميائي6 والتفاعل الكهروستاتيكي السطحي7 والتبادل الأيوني8.
يحتوي الزيوليت من نوع Faujasite (FAU) على مسام كبيرة نسبيا ، بقطر أقصى للمسام يبلغ 11.24 Å. يظهر كفاءة عالية وتطبيقات واسعة لإزالة الملوثات 9,10. في السنوات الأخيرة ، كرست أبحاث مكثفة لتطوير روتين أخضر ومنخفض التكلفة لتخليق الزيوليت ، مثل استخدام النفايات الصلبة الصناعية11 كمواد خام لتوفير مصادر السيليكون والألومنيوم ، أو اعتماد وصفات موجهة خالية من العوامل12. تشمل النفايات الصلبة الصناعية البديلة المبلغ عنها والتي يمكن أن تكون مصادر السيليكون والألومنيوم الفحم 13 ، والرماد المتطاير 11 ، والمناخل الجزيئيةللنفايات 14 ، ونفايات التعدين والمعادن 15 ، والتربة المهجورة هندسيا 8 ، والتربة الزراعية6 ، إلخ.
وهنا، اعتمدت التربة الحمراء، وهي مادة وفيرة وغنية بالسيليكون والألومنيوم يسهل الحصول عليها، كمادة خام، وتم تطوير نهج كيمياء خضراء سهلة لتخليق المواد الزيتوليت المركبة من نوع Fe2O3/FAU (الشكل 1). تم ضبط معلمات التوليف التفصيلية بدقة. وتظهر المادة المركبة قدرة عالية على التجميد لمعالجة المياه الملوثة بالمعادن الثقيلة. يجب أن تكون هذه الدراسة مفيدة للباحثين ذوي الصلة المهتمين بهذا المجال لاستخدام التربة كمادة خام لتوليف المواد البيئية.
Protocol
Representative Results
Discussion
الزيوليت هو عادة مادة الألومينوسيليكات. من الناحية النظرية ، يمكن اختيار المواد الغنية بالسيليكات والألومينات كمواد خام لتخليق الزيوليت. يجب أن تكون نسبة Si / Al للمواد الخام مماثلة لتلك الخاصة بالنوع المحدد من الزيوليت لتقليل استخدام مصادر السيليكون / الألومنيوم الإضافية6?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل ماليا من قبل صناديق العلوم الطبيعية للباحث الشاب المتميز في مقاطعة قوانغدونغ ، الصين ، رقم 2020B151502094 ؛ () المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين، رقم 21777045 و 22106064؛ مؤسسة لجنة شنتشن للعلوم والتكنولوجيا والابتكار ، الصين ، JCYJ20200109141625078 ؛ 2019 مشروع الابتكار الشبابي لجامعات وكليات قوانغدونغ ، الصين ، رقم 2019KQNCX133 وصندوق خاص لاستراتيجية الابتكار في العلوم والتكنولوجيا لمقاطعة قوانغدونغ (PDJH2021C0033). وقد رعى هذا العمل مختبر شنتشن الرئيسي للعلوم والهندسة البينية للمواد (No. ZDSYS20200421111401738) ، والمختبر الرئيسي لمقاطعة قوانغدونغ لمكافحة تلوث التربة والمياه الجوفية (2017B030301012) ، والمختبر الرئيسي لحماية البيئة في الولاية للتحكم المتكامل في تلوث المياه السطحية والمياه الجوفية. على وجه الخصوص ، نعترف بالدعم الفني المقدم من مرافق الأبحاث الأساسية في SUSTech.
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 |
References
- 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).
