Ressourcenrecycling von roter Erde zur Synthese von Fe2O3/FAU-Zeolith-Verbundwerkstoff für die Schwermetallentfernung
Summary
Dieser Artikel stellt einen neuartigen und bequemen Weg zur Synthese von Fe2O3 / Faujasit (FAU) Zeolith-Verbundmaterial aus roter Erde vor. Die detaillierten Syntheseparameter wurden fein abgestimmt. Der erhaltene Verbundwerkstoff kann für eine effiziente schwermetallbelastete Wassersanierung eingesetzt werden, was auf seine Einsatzmöglichkeiten in der Umwelttechnik hinweist.
Abstract
Schwermetallbelastetes Wasser ist für die menschliche Gesundheit und die Umwelt von großer Bedeutung. In situ Wasseraufbereitungstechniken, die durch hocheffiziente Adsorptionsmaterialien ermöglicht werden, sind unter diesen Umständen von großer Bedeutung. Unter allen Materialien, die in der Wasseraufbereitung verwendet werden, sind eisenbasierte Nanomaterialien und poröse Materialien von großem Interesse, die von ihrer reichen Redoxreaktivität und Adsorptionsfunktion profitieren. Hier haben wir ein einfaches Protokoll entwickelt, um die weit verbreitete rote Erde in Südchina direkt in die Herstellung des Zeolith-Verbundmaterials vom Typ Fe2O3 / Faujasit (FAU) umzuwandeln.
Das detaillierte Syntheseverfahren und die Syntheseparameter wie Reaktionstemperatur, Reaktionszeit und Si/Al-Verhältnis in den Rohstoffen wurden sorgfältig abgestimmt. Die synthetisierten Verbundwerkstoffe zeigen eine gute Adsorptionskapazität für typische Schwermetall(loid)-Ionen. Mit 0,001 g/ml Fe2O3/FAU-Typ Zeolith-Verbundmaterial, das zu verschiedenen Schwermetall(loid)-verunreinigten wässrigen Lösungen (Einzeltyp von Schwermetall(loid)-Konzentration: 1.000 mg/L [ppm]) gegeben wurde, wurde die Adsorptionskapazität mit 172, 45, 170, 40, 429, 693, 94 und 133 mg/g für Cu (II), Cr (III), Cr (VI) gezeigt. As (III), Cd (II), Pb (II), Zn (II) und Ni (II) Entfernung, die für schwermetallbelastetes Wasser und Bodensanierung weiter ausgebaut werden können.
Introduction
Schwermetalle aus anthropogenen und natürlichen Aktivitäten sind in Luft, Wasser und Boden allgegenwärtig1. Sie sind von hoher Mobilität und Toxizität und stellen ein potenzielles Gesundheitsrisiko für den Menschen durch direkten Kontakt oder über den Transport in der Nahrungskette dar2. Wasser ist lebenswichtig für das Leben der Menschen, da es der Rohstoff jeder Familie ist. Die Wiederherstellung der Wassergesundheit ist von entscheidender Bedeutung. Daher ist es von großer Bedeutung, die Mobilität und Bioverfügbarkeit von toxischen Schwermetallen im Wasser zu verringern. Um eine gute Gesundheit im Wasser zu erhalten, spielen Wasseraufbereitungsmaterialien wie Pflanzenkohle, eisenbasierte Materialien und Zeolith eine wesentliche Rolle bei der Immobilisierung oder Entfernung von Schwermetallen aus wässrigen Umgebungen 3,4,5.
Zeolithe sind hochkristalline Materialien mit einzigartigen Poren und Kanälen in ihren Kristallstrukturen. Sie bestehen aus TO4-Tetraedern (T ist das Zentralatom, normalerweise Si, Al oder P), die durch gemeinsame O-Atome verbunden sind. Die negative Oberflächenladung und austauschbare Ionen in den Poren machen es zu einem beliebten Adsorbens für den Ioneneinfang, der in großem Umfang bei der schwermetallbelasteten Wasser- und Bodensanierung eingesetzt wurde. Die Sanierungsmechanismen, die an der Schadstoffentfernung durch Zeolithe beteiligt sind, profitieren von ihren Strukturen und umfassen hauptsächlich chemische Bindungen6, elektrostatische Oberflächenwechselwirkung7 und Ionenaustausch8.
Zeolith vom Typ Faujasit (FAU) hat relativ große Poren mit einem maximalen Porendurchmesser von 11,24 Å. Es zeigt eine hohe Effizienz und breite Anwendungen für die Fremdkörperentfernung 9,10. In den letzten Jahren wurden umfangreiche Forschungsarbeiten der Entwicklung umweltfreundlicher und kostengünstiger Routinen für die Zeolithsynthese gewidmet, wie z. B. die Verwendung industrieller fester Abfälle11 als Rohstoff zur Bereitstellung von Silizium- und Aluminiumquellen oder die Einführung von Rezepturen ohne Leitmittel12. Zu den gemeldeten alternativen industriellen festen Abfällen, bei denen es sich um Silizium- und Aluminiumquellen handeln kann, gehören Kohlegangart 13, Flugasche11, Abfallmolekularsiebe 14, Bergbau- und Hüttenabfälle 15, technisch aufgegebener Boden 8 und landwirtschaftlicher Boden6 usw.
Hier wurde rote Erde, ein reichlich vorhandenes und leicht erhältliches silizium- und aluminiumreiches Material, als Rohstoff angenommen, und es wurde ein einfacher grüner Chemieansatz für die Synthese von Zeolith-Verbundwerkstoffen vom Typ Fe2O3 / FAU entwickelt (Abbildung 1). Die detaillierten Syntheseparameter wurden fein abgestimmt. Das synthetisierte Material weist eine hohe Immobilisierungskapazität für die schwermetallbelastete Wassersanierung auf. Die vorliegende Studie sollte für verwandte Forscher, die sich für diesen Bereich interessieren, aufschlussreich sein, Boden als Rohstoff für die Ökomaterialsynthese zu verwenden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zeolith ist typischerweise ein Aluminosilikatmaterial. Theoretisch können silikat- und aluminatreiche Materialien als Rohstoffe für die Zeolithsynthese gewählt werden. Das Si/Al-Verhältnis des Rohmaterials muss dem des ausgewählten Zeolithtyps ähnlich sein, um den Einsatz zusätzlicher Silizium/Aluminium-Quellenzu minimieren 6,8,16. Das Si / Al-Verhältnis von Zeolith vom Typ FAU beträgt 1,2 und das Si / Al-Verhältnis vo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch den Natural Science Funds for Distinguished Young Scholar der Provinz Guangdong, China, Nr. 2020B151502094; National Natural Science Foundation of China, Nr. 21777045 und 22106064; Gründung der Shenzhen Science, Technology and Innovation Commission, China, JCYJ20200109141625078; 2019 Jugendinnovationsprojekt der Universitäten und Hochschulen von Guangdong, China, Nr. 2019KQNCX133 und ein Sonderfonds für die Innovationsstrategie für Wissenschaft und Technologie der Provinz Guangdong (PDJH2021C0033). Diese Arbeit wurde vom Shenzhen Key Laboratory of Interfacial Science and Engineering of Materials (No. ZDSYS20200421111401738), Guangdong Provincial Key Laboratory of Soil and Groundwater Pollution Control (2017B030301012) und State Environmental Protection Key Laboratory of Integrated Surface Water-Groundwater Pollution Control. Insbesondere danken wir der technischen Unterstützung durch die SUSTech Core Research Facilities.
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
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