去除砷使用阳离子聚合物凝胶浸渍与氢氧化铁

摘要

在这项工作中,我们制备了一种吸附剂,由阳离子N、N-二甲基氨基丙烯酰胺甲基氯化物四元(DMAPAAQ)聚合物凝胶和氢氧化铁组成,用于从地下水中吸附砷。凝胶是通过一种新方法制备的,旨在确保其结构中铁颗粒的最大含量。

摘要

在这项工作中,我们制备了一种吸附剂,该凝胶由含有氢氧化铁的阳离子聚合物凝胶组成,其结构旨在从地下水中吸附砷。我们选择的凝胶是N,N-二甲基氨基丙烯酰胺甲基氯化物四元(DMAPAAQ)凝胶。我们制备方法的目的是确保凝胶结构中氢氧化铁的最大含量。这种设计方法使凝胶的聚合物结构和氢氧化铁成分同时吸附,从而提高了材料的吸附能力。为了检查凝胶的性能,我们测量了反应动力学,进行了pH敏感性和选择性分析,监测了砷吸附性能,并进行了再生实验。我们确定凝胶经过化学吸附过程,并在10小时达到平衡。此外,凝胶在中性pH值下有效吸附砷,并在复杂的电环境中选择性地吸附砷,达到1.63 mM/g的最大吸附量。凝胶可再生效率为87.6%,NaCl可用于解吸,而不是有害的NaOH。综合起来,提出的凝胶设计方法是构建高性能砷吸附剂的有效方法。

引言

水污染是一个很大的环境问题,促使研究人员开发方法,去除污染物,如砷从废物浪费1。在所有报告的方法中,吸附过程是重金属去除2、3、4、5、6、7等成本相对较低的方法。铁氧氢氧化粉被认为是从水溶液8、9中提取砷的最有效吸附剂之一。然而,这些材料存在许多缺点,包括早期饱和时间和有毒合成前体。此外,当这些吸附剂长时间使用时,对水质有严重^{的不利影响。}需要额外的分离过程,如沉淀或过滤,然后净化受污染的水,这增加了生产成本进一步8,11。

最近,研究人员已经开发出了具有高效吸附特性的聚合物凝胶,如阳离子水凝胶、微凝胶和冷冻凝胶。例如,阳离子冷冻凝胶、聚(3-丙烯酰胺)三甲基氯化铵[p(APTMACl)]12实现了96%的砷去除率。此外,在pH9,约99.7%的去除效率实现了这个阳离子水^凝胶13。在pH4,98.72mg/g的最大砷吸附能力是由微凝胶,基于三s(2-氨基乙酰)胺(TAEA)和甘油甘二甘二乙醚(GDE),p(TAEA-Co-GDE)14。虽然这些凝胶表现出良好的吸附性能,但它们未能在中性pH水平下有效地去除水中的砷,并且它们在所有研究环境中的选择性没有^报告15。当Fe(III)-Sn(IV)混合二氧化涂层沙在313K和pH值为7¹⁶时,测量的最大吸附能力为227mg/g。另外,Fe-Zr二氧化二涂层沙(IZBOCS)也用于去除砷,在318 K和pH值达到84.75毫克/克的最大吸附能力。其他报告的吸附剂受吸附性能低、缺乏可回收性、稳定性低、操作和维护成本高以及合成过程中危险化学品的使用等^影响。

我们寻求通过开发一种具有改进砷吸附性能、复杂环境中的高选择性、回收能力以及中性pH水平高效活性的材料来解决上述限制。因此,我们开发了N,N-二甲基氨基丙烯酰胺甲基氯化物四元(DMAPAAQ)凝胶和铁(III)氢氧化(FeOOH)颗粒的阳离子凝胶复合物,作为脱砷的吸附剂。我们选择将FeOOH与我们的凝胶相结合,因为FeOOH增加了两种^砷18的吸附。在这项研究中,我们的凝胶复合材料被设计成无孔,在制备过程中浸渍了FeOOH。在下一节中,进一步讨论了凝胶制备方法的细节,包括我们最大化FeOOH含量的策略。

研究方案

注意:砷毒性极强。在实验过程中,请随时使用手套、长袖衣服和实验护目镜,以防止砷溶液与皮肤和眼睛接触。如果砷与身体的任何部位接触,请立即用肥皂清洗。此外,请定期清理实验环境,这样您和其他人就不会接触砷,即使实验没有进行。砷暴露的症状可能在很长一段时间后出现。在清洁设备之前,首先用清水冲洗,并将水分别放入指定用于砷的实验废物容器中。然后用洗涤剂清洁设备。为了防止砷污染环境,在处理砷样本时应采取预防措施。将它们分别放入指定用于砷的实验废物容器中。进行吸附或脱吸实验后,凝胶中含有大量砷。因此,将凝胶单独处理到指定的实验垃圾箱中,只用于含砷凝胶。

1. DMAPAAQ_FeOOH凝胶复合材料的合成

1. 干燥两个 20 mL 测量瓶和两个配备磁性搅拌棒的 20 mL 烧杯。
2. 将 2.07 g 的 DMAPAAQ (75%))、0.15 克N、N'- 甲基双丙酰胺 (MBAA)、0.25 克亚硫酸钠和 1.68 克 NaOH 转移到一个 20 mL 烧杯。
3. 将溶液完全溶解在蒸馏水中作为"溶剂",用磁力搅拌棒搅拌30分钟。
4. 将混合物从烧杯转移到一个 20 mL 测量瓶中,并加入蒸馏水以生成 20 mL 溶液。将解决方案标记为"单体解决方案"。
5. 同样,在另一个 20 mL 烧杯中服用 0.27 克过氧硫酸铵 (APS) 和 3.78 g 的 FeCl_3。
6. 将溶液完全溶解在蒸馏水中,用磁力搅拌棒搅拌30分钟。
7. 将混合物从烧杯转移到另一个 20 mL 测量瓶中,加入蒸馏水以组成 20 mL 溶液。将解决方案标记为"开始解决方案"。
8. 准备实验设置,如图1所示。
9. 将溶液转移到相应的 20 mL 分离漏斗中。
10. 使用 N₂气体清除溶液 10 分钟。
11. 将溶液混合在一起,用电动搅拌器将其搅拌在 50 mL 试管中,然后将混合物放入保持在 10°C 的冷水机组中 40 分钟。
12. 从试管中拿出凝胶块,放在平切割板上。
13. 将凝胶块切成立方形状,长度为 5 mm。
14. 用去离子水浸泡凝胶片24小时,以去除杂质。
15. 12小时后,更换水并再次浸泡凝胶片。
16. 将凝胶片涂在培养皿上,在室温下干燥24小时。
17. 将培养皿与凝胶片一起放入烤箱50°C,24小时。

2. pH灵敏度分析

1. 干燥 9 个 40 mL 塑料容器。
2. 测量9个20毫克的干胶片,并把它们放在一个单独的40 mL塑料容器中。
3. 在每个容器中加入20 mM二钠氢酸二分氰酸二分氰酸(Na₂HasO₄+7H₂O)溶液。
4. 要控制pH水平,在相应容器中加入20 mL的NaOH溶液或不同浓度的HCL溶液(0.1、0.01、0.001、0.001 M),以保持2、6、8、10、12、13的pH水平,并贴上标签。
5. 将容器放在搅拌器中 20°C 和 120 rpm 24 小时。
6. 从每个容器中收集 5 mL 样品,并使用微移液器将每个样品放入塑料管中。
7. 测量所有样品的平衡pH值。
8. 使用高性能液相色谱 (HPLC) 测量溶液中残留的砷浓度。使用分析柱(4 x 200 mm)、防护柱(4 x 50 mm)和 4 mm 抑制器,具有以下条件:
   流速:1.5 mL/min;
   注射样品量:10 mL;
   柱温: 30 °C;
   溶液: 2.7 mM Na₂CO₃和 0.3 mM NaHCO₃;
   泵压力:2000 psi;
   电导率检测:抑制器方法。
   注:我们采购了1 mL的样品到1 mL一次性注射器。注射器与注射器膜过滤器(孔径:0.22毫米,直径:13毫米)结合,从样品中分离凝胶的微小片段。约0.7 mL的样品被注入柱中。蒸馏水在作为空白样品注入样品之前被注入。在13分钟内检测到样本中砷含量的峰值。
   注意:注射样品后,请将注射器放入HPLC吸头近2分钟,其中剩余约0.2-0.3 mL的样品。因为灰尘和空气可以穿透柱子,改变其熟练度,这可能导致错误的结果。

3. 砷吸附实验

1. 干燥五个 40 mL 塑料容器。
2. 测量并放入每个40 mL塑料容器中的20毫克干凝胶。
3. 以以下浓度向每个容器添加 40 mL 的二钠氢酸二分氰酸二氢合物(Na₂HAsO₄+7H₂O)溶液:0.1、0.2、0.5、1、2 mM。
4. 将容器放在搅拌器中 20°C 和 120 rpm 24 小时。
5. 从每个容器中收集 5 mL 样品,并使用微移液器放入塑料管中。
6. 按照步骤2.8评估使用HPLC溶液中的均衡砷含量。

4. DMAPAAQ_FeOOH凝胶的选择性分析

1. 干燥五个 40 mL 塑料容器。
2. 将20毫克干胶放入5个40 mL塑料容器中。
3. 在每个容器中加入20 mL的0.4 mM二钠氢酸二分氰酸二分氰酸(Na₂HAsO₄+7H₂O)溶液。
4. 在浓度为 0.5、1、2、5、10 mM Na₂SO₄时,将 20 mL 添加到 5 个容器中。
5. 将容器放在搅拌器中 20°C 和 120 rpm 24 小时。
6. 从每个容器中收集 5 mL 样品,并使用微移液器放入单独的塑料管中。
7. 按照步骤2.8,使用HPLC量化溶液中剩余的砷浓度。

5. 均衡率分析

1. 干燥 7 个 40 mL 塑料容器。
2. 将20毫克干胶放入每个40 mL塑料容器中。
3. 在每个容器中加入40 mM二钠氢酸二分氰酸二分氰酸(Na₂HAsO₄+7H₂O)溶液。
4. 在指定时间内,将搅拌器中的容器保持在 20°C,转速为 120 rpm。
5. 在 0.5、1、3、7、11、24 和 48 小时后,使用微移液器在塑料管中收集 5 mL 样品。
6. 按照步骤2.8,使用HPLC确定每个溶液中的均衡砷含量。

6. 再生分析

结果

图1描述了DMAPAAQ_FeOOH凝胶制备的实验设置。表1说明了凝胶制备中涉及的材料的组成。

图2显示了接触时间与DMAPAAQ_FeOOH凝胶对砷的吸附的关系。在图中,在0.5、1、3、7、11、24和48小时检查了砷的吸附量。结果表明,砷的吸附在10小时后达到平衡,24小时吸附后,检测到砷吸附量?...

讨论

我们开发的方法的主要进步是凝胶复合材料的独特设计策略。我们的凝胶制备方法的目的是最大化凝胶中的铁含量。在准备过程中,我们分别在"发射器解决方案"和"单体解决方案"中添加了 FeCl₃和 NaOH。一旦单体溶液与起激反应器溶液混合,FeCl₃和 NaOH 之间出现反应,在凝胶内产生 FeOOH。这种现象确保了凝胶复合材料中最大的铁含量。尽管这种方法有其优点,但凝胶在以下条件下不会形成...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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