Riciclaggio delle risorse della terra rossa per sintetizzare materiale composito di zeolite di tipo Fe2O3/FAU per la rimozione di metalli pesanti
Summary
Questo articolo presenta un nuovo e conveniente percorso per sintetizzare materiale composito di zeolite di tipo Fe2O3 / faujasite (FAU) dalla terra rossa. I parametri di sintesi dettagliati sono stati finemente sintonizzati. Il materiale composito ottenuto può essere utilizzato per un’efficiente bonifica delle acque contaminate da metalli pesanti, indicando le sue potenziali applicazioni nell’ingegneria ambientale.
Abstract
L’acqua inquinata da metalli pesanti è fonte di grande preoccupazione per la salute umana e l’ambiente ecologico. Le tecniche di bonifica delle acque in situ rese possibili da materiali di adsorbimento altamente efficienti sono di grande importanza in queste circostanze. Tra tutti i materiali utilizzati nella bonifica delle acque, i nanomateriali a base di ferro e i materiali porosi sono di grande interesse, beneficiando della loro ricca funzione di reattività redox e adsorbimento. Qui, abbiamo sviluppato un protocollo facile per convertire direttamente il suolo rosso ampiamente diffuso nel sud della Cina per fabbricare il materiale composito di zeolite di tipo Fe2O3 / faujasite (FAU).
La procedura di sintesi dettagliata e i parametri di sintesi, come la temperatura di reazione, il tempo di reazione e il rapporto Si/Al nelle materie prime, sono stati accuratamente regolati. I materiali compositi sintetizzati mostrano una buona capacità di adsorbimento per i tipici ioni di metalli pesanti (loid). Con 0,001 g/mL di materiale composito di zeolite di tipo Fe2O3/FAU aggiunto a diverse soluzioni acquose inquinate da metalli pesanti (loid) (concentrazione di singolo tipo di metallo pesante (loid): 1.000 mg/L [ppm]), la capacità di adsorbimento è risultata essere 172, 45, 170, 40, 429, 693, 94 e 133 mg/g per Cu (II), Cr (III), Cr (VI), Come (III), Cd (II), Pb (II), Zn (II) e Ni (II), rispettivamente, che possono essere ulteriormente ampliati per la bonifica dell’acqua inquinata da metalli pesanti e del suolo.
Introduction
I metalli pesanti (loid) provenienti da attività antropiche e naturali sono onnipresenti nell’aria, nell’acqua e nell’ambiente del suolo1. Sono ad alta mobilità e tossicità, e rappresentano un potenziale rischio per la salute umana per contatto diretto o attraverso il trasporto della catena alimentare2. L’acqua è vitale per la vita degli esseri umani poiché è la materia prima di ogni famiglia. Ripristinare la salute dell’acqua è fondamentale. Pertanto, è di grande importanza ridurre la mobilità e la biodisponibilità dei metalli pesanti tossici (loid) nell’acqua. Per mantenere una buona salute nell’acqua, i materiali di bonifica dell’acqua, come il biochar, i materiali a base di ferro e la zeolite, svolgono un ruolo essenziale nell’immobilizzare o rimuovere metalli pesanti (loid) da ambienti acquosi 3,4,5.
Le zeoliti sono materiali altamente cristallini con pori e canali unici nelle loro strutture cristalline. Sono composti da TO4 tetraedri (T è l’atomo centrale, di solito Si, Al o P) collegati da atomi O condivisi. La carica superficiale negativa e gli ioni scambiabili nei pori lo rendono un adsorbente popolare per la cattura ionica, che è stato ampiamente utilizzato nell’acqua inquinata da metalli pesanti e nella bonifica del suolo. Beneficiando delle loro strutture, i meccanismi di bonifica coinvolti nella rimozione dei contaminanti da parte delle zeoliti includono principalmente il legame chimico6, l’interazione elettrostatica superficiale7 e lo scambio ionico8.
La zeolite di tipo Faujasite (FAU) ha pori relativamente grandi, con un diametro massimo dei pori di 11,24 Å. Mostra alta efficienza e ampie applicazioni per la rimozione dei contaminanti 9,10. Negli ultimi anni, ricerche approfondite si sono dedicate allo sviluppo di routine verdi e a basso costo per la sintesi della zeolite, come l’utilizzo di rifiuti solidi industriali11 come materia prima per fornire fonti di silicio e alluminio o l’adozione di ricette senza agenti direttivi12. I rifiuti solidi industriali alternativi segnalati che possono essere fonti di silicio e alluminio includono ganga di carbone13, ceneri volanti 11, setacci molecolari di scarto 14, rifiuti minerari e metallurgici 15, suolo abbandonato dall’ingegneria 8 e suolo agricolo6, ecc.
Qui, la terra rossa, un materiale ricco di silicio e alluminio abbondante e facilmente ottenibile, è stata adottata come materia prima, ed è stato sviluppato un approccio di chimica verde facile per la sintesi di materiale composito zeolite di tipo Fe2O3 / FAU (Figura 1). I parametri di sintesi dettagliati sono stati finemente sintonizzati. Il materiale sintetizzato mostra un’elevata capacità di immobilizzazione per la bonifica dell’acqua contaminata da metalli pesanti. Il presente studio dovrebbe essere istruttivo per i ricercatori correlati che sono interessati a questo settore per utilizzare il suolo come materia prima per la sintesi di eco-materiali.
Protocol
Representative Results
Discussion
La zeolite è tipicamente un materiale alluminosilicato. In teoria, i materiali ricchi di silicato e alluminato possono essere scelti come materie prime per la sintesi della zeolite. Il rapporto Si/Al della materia prima deve essere simile a quello del tipo selezionato di zeolite per ridurre al minimo l’utilizzo di fonti aggiuntive di silicio/alluminio 6,8,16. Il rapporto Si/Al della zeolite di tipo FAU è 1,2 e il rapporto Si/A…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente dai fondi di scienze naturali per il giovane studioso distinto della provincia del Guangdong, Cina, n. 2020B151502094; National Natural Science Foundation of China, No. 21777045 e 22106064; Fondazione della Commissione per la scienza, la tecnologia e l’innovazione di Shenzhen, Cina, JCYJ20200109141625078; Progetto di innovazione giovanile 2019 delle università e dei college del Guangdong, Cina, n. 2019KQNCX133 e un fondo speciale per la strategia di innovazione scientifica e tecnologica della provincia del Guangdong (PDJH2021C0033). Questo lavoro è stato sponsorizzato dallo Shenzhen Key Laboratory of Interfacial Science and Engineering of Materials (No. ZDSYS20200421111401738), Guangdong Provincial Key Laboratory of Soil and Groundwater Pollution Control (2017B030301012) e State Environmental Protection Key Laboratory of Integrated Surface Water-Groundwater Pollution Control. In particolare, riconosciamo il supporto tecnico delle strutture di ricerca SUSTech Core.
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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