Entfernung von Arsen mit einem kationischen Polymergel imprägniert mit Eisenhydroxid

Zusammenfassung

In dieser Arbeit haben wir ein Adsorbensausbau aus dem kationischen N,N-Dimethylamino Propylacrylamid methylchlorid quaternary (DMAPAAQ) Polymergel und Eisenhydroxid zur Adsorbierung von Arsen aus grundwasser hergestellt. Das Gel wurde mit einer neuartigen Methode hergestellt, die den maximalen Gehalt an Eisenpartikeln in seiner Struktur gewährleisten soll.

Zusammenfassung

In dieser Arbeit haben wir ein Adsorbensausbau aus einem kationischen Polymergel hergestellt, das Eisenhydroxid in seiner Struktur enthält, das Arsen aus dem Grundwasser adsorbieren soll. Das gel, das wir ausgewählt haben, war das N,N-Dimethylamino Propylacrylamid methylchlorid quaternary (DMAPAAQ) Gel. Ziel unserer Herstellungsmethode war es, den maximalen Gehalt an Eisenhydroxid in der Struktur des Gels zu gewährleisten. Dieser Designansatz ermöglichte die gleichzeitige Adsorption sowohl durch die Polymerstruktur des Gels als auch durch die Eisenhydroxidkomponente und verbesserte so die Adsorptionskapazität des Materials. Um die Leistung des Gels zu untersuchen, haben wir die Reaktionskinetik gemessen, pH-Empfindlichkeits- und Selektivitätsanalysen durchgeführt, die Arsenadsorptionsleistung überwacht und Regenerationsexperimente durchgeführt. Wir stellten fest, dass das Gel einen Chemisorptionsprozess durchläuft und das Gleichgewicht bei 10 h erreicht. Darüber hinaus adsorbierte das Gel Arsen effektiv bei neutralem pH-Wert und selektiv in komplexen Ionenumgebungen und erreichte ein maximales Adsorptionsvolumen von 1,63 mM/g. Das Gel könnte mit 87,6% Wirkungsgrad regeneriert werden und NaCl könnte für Desorption anstelle von schädlichen NaOH verwendet werden. Zusammengenommen ist die vorgestellte gelbasierte Designmethode ein effektiver Ansatz für die Konstruktion von Hochleistungs-Arsenadsorbentien.

Einleitung

Die Wasserverschmutzung ist ein großes Umweltproblem und motiviert die Forscher, Methoden zur Entfernung von Schadstoffen wie Arsen aus dem Abfallwassende¹zu entwickeln. Unter allen gemeldeten Methoden sind Adsorptionsprozesse ein relativ kostengünstiger Ansatz für die Schwermetallentfernung^2,3,4,5,6,7. Eisenoxyhydroxid pulvergelten als eines der effizientesten Adsorbentien für die Extraktion von Arsen aus wässrigen Lösungen^8,9. Dennoch leiden diese Materialien unter einer Reihe von Nachteilen, einschließlich früher Sättigungszeiten und toxischer synthetischer Vorläuferstoffe. Darüber hinaus gibt es eine schwerwiegende nachteilige Wirkung in der Wasserqualität, wenn diese Adsorbentien für einen langen Zeitraum verwendet werden¹⁰. Zur Reinigung des kontaminierten Wassers ist dann ein zusätzlicher Trennprozess, wie Sedimentation oder Filtration, erforderlich, was die Produktionskosten weiter erhöht^8,11.

In jüngster Zeit haben Forscher Polymergele wie kationische Hydrogele, Mikrogele und Kryogel entwickelt, die effiziente Adsorptionseigenschaften nachgewiesen haben. Beispielsweise wurde eine Arsenentfernungsrate von 96% durch das kationische Kryogel, Poly(3-Acrylamidopropyl) Trimethylammoniumchlorid [p(APTMACl)]¹²erreicht. Zusätzlich wurde bei pH 9 mit diesem kationischen Hydrogel¹³ein Entfernungswirkungsgrad von ca. 99,7 % erreicht. Bei pH 4 wurde 98,72 mg/g maximale Arsenadsorptionskapazität durch das Mikrogel erreicht, basierend auf Tris(2-Aminoethyl)-Amin (TAEA) und Glyceroldiglycidylether (GDE), p(TAEA-co-GDE)¹⁴. Obwohl diese Gele gute Adsorptionsleistungen zeigten, gelang es ihnen nicht, Arsen bei neutralem pH-Wert effektiv aus Wasser zu entfernen, und ihre Selektivitäten in allen untersuchten Umgebungen wurden nicht gemeldet¹⁵. Eine maximale Adsorptionskapazität von 227 mg/g von wurde gemessen, als Fe(III)-Sn(IV) gemischter binären oxidbeschichteten Sand bei einer Temperatur von 313 K und einem pH-Wert von 7¹⁶verwendet wurde. Alternativ wurde fe-Zr binären oxidbeschichteten Sand (IZBOCS) auch verwendet, um Arsen zu entfernen und erreichte eine maximale Adsorptionskapazität von 84,75 mg/g bei 318 K und einem pH-Wert von 7¹⁷. Andere gemeldete Adsorbentien leiden unter geringen Adsorptionsleistungen, mangelnder Recyclingfähigkeit, geringer Stabilität, hohen Betriebs- und Wartungskosten sowie dem Einsatz gefährlicher Chemikalien im Syntheseprozess⁴.

Wir versuchten, die oben genannten Einschränkungen zu beheben, indem wir ein Material mit verbesserter Arsenadsorptionsleistung, hoher Selektivität in komplexen Umgebungen, Recyclingfähigkeit und effizienter Aktivität bei neutralem pH-Wert entwickelten. Daher haben wir einen kationischen Gelverbund aus N,N-Dimethylamino-Propylacrylamidmethylchlorid-Quaternary (DMAPAAQ)-Gel und Eisen(III)-Hydroxid (FeOOH)-Partikeln als Adsorbentier zur Arsenentfernung entwickelt. Wir haben uns entschieden, FeOOH mit unserem Gel zu kombinieren, da FeOOH die Adsorption beider Formen von Arsen¹⁸erhöht. In dieser Studie wurde unser Gel-Verbundwerkstoff als nicht porös konzipiert und während der Zubereitung mit FeOOH imprägniert. Im nächsten Abschnitt werden die Details der Gelaufbereitungsmethode, einschließlich unserer Strategie zur Maximierung des FeOOH-Gehalts, weiter erläutert.

Protokoll

VORSICHT: Arsen ist extrem giftig. Bitte verwenden Sie während des Experiments jederzeit Handschuhe, Langarmkleidung und eine experimentelle Brille, um jeglichen Kontakt von Arsenlösung mit Haut und Augen zu verhindern. Wenn Arsen mit einem Teil Ihres Körpers in Kontakt kommt, waschen Sie es sofort mit Seife. Bitte reinigen Sie die experimentelle Umgebung regelmäßig, damit Sie und andere nicht mit Arsen in Berührung kommen, auch wenn das Experiment nicht durchgeführt wird. Die Symptome einer Arsenexposition können nach einer langen Zeit auftreten. Vor der Reinigung der Anlage zuerst mit sauberem Wasser abspülen und das Wasser separat in einen für Arsen bestimmten Versuchsabfallbehälter entsorgen. Reinigen Sie dann das Gerät gut mit Reinigungsmittel. Um eine Arsenkontamination der Umwelt zu verhindern, treffen Sie Vorsichtsmaßnahmen, während Sie Arsenproben entsorgen. Entsorgen Sie sie getrennt in versuchsweise Abfallbehälter, die für Arsen bestimmt sind. Nachdem das Adsorptions- oder Desorptionsexperiment durchgeführt wurde, enthalten die Gele eine hohe Menge an Arsen. Entsorgen Sie die Gele daher separat in einer ausgewiesenen Versuchsabfalltonne nur für arsenhaltige Gele.

1. Synthese des DMAPAAQ+FeOOH Gel-Composites

1. Trocknen Sie zwei 20 ml Messkolben und zwei 20 ml Becher mit magnetischen Rührstäben.
2. Transfer 2,07 g DMAPAAQ (75%), 0,15 g N,N'-Methylen-Bisacrylamid (MBAA), 0,25 g Natriumsulfit und 1,68 g NaOH auf ein 20 ml Becherglas.
3. Lösen Sie die Lösung vollständig in destilliertem Wasser als "Lösungsmittel" auf und rühren Sie sie 30 min mit einem magnetischen Rührstab.
4. Übertragen Sie das Gemisch aus dem Becherauf einen 20 ml Messkolben und fügen Sie destilliertes Wasser hinzu, um eine 20 ml Lösung zu erzeugen. Beschriften Sie die Lösung als "Monomerlösung".
5. In ähnlicher Weise nehmen Sie 0,27 g Ammoniumperoxodisulfat (APS) und 3,78 g FeCl₃ in einem weiteren 20 ml Becher.
6. Lösen Sie die Lösung vollständig in destilliertem Wasser auf und rühren Sie sie 30 min mit einem magnetischen Rührstab.
7. Die Mischung aus dem Becheraufschlag in einen weiteren 20 ml Messkolben geben und destilliertes Wasser zu einer 20 ml Lösung hinzufügen. Beschriften Sie die Lösung als "Initiatorlösung".
8. Bereiten Sie den Versuchsaufbau vor, wie in Abbildung 1dargestellt.
9. Übertragen Sie die Lösungen in die jeweiligen 20 ml Trenntrichter.
10. Reinigen Sie die Lösungen mit N₂ Gas für 10 min.
11. Mischen Sie die Lösungen zusammen, rühren Sie sie in einem 50 ml Reagenzglas mit einem elektrischen Rührer, und legen Sie die Mischung dann in einen Kühler, der bei 10 °C für 40 min gehalten wird.
12. Nehmen Sie den Gelblock aus dem Reagenzglas und legen Sie ihn auf ein flaches Schneidebrett.
13. Schneiden Sie den Gelblock in eine kubische Form, 5 mm lang.
14. Die Gelscheiben mit entionisiertem Wasser 24 h einweichen, um die Verunreinigungen zu entfernen.
15. Nach 12 h das Wasser austauschen und die Gelscheiben wieder einweichen.
16. Die Gelscheiben auf eine Petrischale verteilen und bei Raumtemperatur 24 h trocknen.
17. Die Petrischale mit den Gelscheiben bei 50 °C für 24 h in den Ofen geben.

2. pH-Empfindlichkeitsanalysen

1. Neun 40 ml Kunststoffbehälter trocknen.
2. Messen Sie neun 20 mg getrocknete Gelstücke und legen Sie sie jeweils in einen separaten 40 ml Kunststoffbehälter.
3. Fügen Sie jedem Behälter 20 ml einer 4 mM Dinatrium-Hydrogenarsenat-Heptahydrat(Na₂HAsO 4-7H₂O)-Lösung hinzu.
4. Um die pH-Werte zu kontrollieren, fügen Sie 20 ml NaOH-Lösung oder HCL-Lösung mit unterschiedlichen Konzentrationen (0,1, 0,01, 0,001, 0,0001 M) in die jeweiligen Behälter ein, um den pH-Wert von 2, 6, 8, 10, 12, 13 beizubehalten und zu kennzeichnen.
5. Bewahren Sie die Behälter im Rührwerk bei 20 °C und 120 Umdrehungen pro Minute für 24 h auf.
6. Sammeln Sie eine 5 ml Probe aus jedem Behälter und legen Sie jede Probe in einem Kunststoffrohr mit einer Mikropipette.
7. Messen Sie den Gleichgewichts-pH-Wert für alle Proben.
8. Messen Sie die verbleibende Arsenkonzentration in der Lösung mit einer Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC). Verwenden Sie eine analytische Säule (4 x 200 mm), eine Schutzsäule (4 x 50 mm) und einen 4 mm Unterdrücker mit folgenden Bedingungen:
   Durchfluss: 1,5 ml/min;
   Menge der injizierten Probe: 10 ml;
   Säulentemperatur: 30 °C;
   Eluentenlösung: 2,7 mM Na₂CO₃ und 0,3 mM NaHCO₃;
   Pumpendruck: 2000 psi;
   Elektrische Leitfähigkeitserkennung: Suppressor-Methode.
   HINWEIS: Wir haben 1 ml der Probe in eine 1 ml Einwegspritze beschafft. Die Spritze wurde mit einem Spritzenmembranfilter (Porengröße: 0,22 mm, Durchmesser: 13 mm) gekoppelt, um die mikroskopischen Fragmente des Gels aus der Probe zu diskretisieren. Etwa 0,7 ml der Probe wurden in die Säule eingeflößt. Destilliertes Wasser wurde vor Beginn der Injektion der Proben als Leere infundiert. Nach 13 min wurde eine Höhe von Arsen in der Probe nachgewiesen.
   VORSICHT: Nach der Injektion der Probe lassen Sie die Spritze bitte für fast 2 min in den Saugkopf von HPLC mit etwa 0,2-0,3 ml probe verbleiben. Denn Staub und Luft könnten in die Säule eindringen und ihre Unfähigkeit verändern, was möglicherweise zu einem fehlerhaften Ergebnis führen wird.

3. Arsenadsorptionsexperiment

1. Trocknen Sie fünf 40 ml Kunststoffbehälter.
2. Messen und legen Sie 20 mg getrocknetes Gel in jedem 40 ml Kunststoffbehälter.
3. Fügen Sie jedem Behälter 40 ml Dinatriumhydrogen-Hydrogenarsenat-Heptahydrat (Na₂HAsO 4-7H₂O) in den folgenden Konzentrationen hinzu: 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2 mM.
4. Bewahren Sie die Behälter im Rührwerk bei 20 °C und 120 Umdrehungen pro Minute für 24 h auf.
5. Sammeln Sie eine 5 ml Probe aus jedem Behälter und legen Sie in einem Kunststoffrohr mit einer Mikropipette.
6. Folgen Sie Schritt 2.8, um den Gleichgewichts-Arsengehalt in den Lösungen mit HPLC zu bewerten.

4. Selektivitätsanalysen des DMAPAAQ+FeOOH Gels

1. Trocknen Sie fünf 40 ml Kunststoffbehälter.
2. 20 mg getrocknetes Gel in jeden der fünf 40 ml Kunststoffbehälter geben.
3. Fügen Sie jedem Behälter 20 ml einer 0,4 mM Dinatrium-Hydrogenarsenat-Heptahydrat(Na₂HAsO 4-7H₂O) -Lösung hinzu.
4. 20 ml bei Konzentrationen von 0,5, 1, 2, 5, 10 mM Na₂SO₄ zu den fünf Behältern hinzufügen.
5. Bewahren Sie die Behälter im Rührwerk bei 20 °C und 120 Umdrehungen pro Minute für 24 h auf.
6. Sammeln Sie eine 5 ml Probe aus jedem Behälter und legen Sie in separaten Kunststoffröhren mit Mikropipetten.
7. Folgen Sie Schritt 2.8, um die verbleibende Arsenkonzentration in der Lösung mit HPLC zu quantifizieren.

5. Gleichgewichtsratenanalysen

1. Sieben 40 ml Kunststoffbehälter trocknen.
2. 20 mg getrocknetes Gel in jeden der 40 ml Kunststoffbehälter geben.
3. Fügen Sie jedem der Behälter 40 ml einer 0,2 mM Dinatrium-Hydrogenarsenat-Heptahydrat(Na₂HAsO 4-7H₂O) -Lösung hinzu.
4. Bewahren Sie die Behälter im Rührwerk bei 20 °C bei 120 Umdrehungen pro Minute für die Dauer der vorgesehenen Zeiten auf.
5. Sammeln Sie 5 ml Proben in Kunststoffröhren mit Mikropipetten nach 0,5, 1, 3, 7, 11, 24 und 48 h.
6. Folgen Sie Schritt 2.8, um den Gleichgewichtsarsengehalt in jeder Lösung mit HPLC zu bestimmen.

6. Regenerationsanalyse

1. Adsorptionsanalyse
   1. Trocknen Sie einen 40 ml Kunststoffbehälter.
   2. Nehmen Sie 20 mg getrocknetes Gel und legen Sie es in den 40 ml Kunststoffbehälter.
   3. 40 ml einer 0,2 mM Dinatrium-Hydrogenarsenat-Heptahydrat-Lösung (Na₂HAsO₄7H₂O) in den Behälter geben.
   4. Den Behälter 24 h bei 20 °C und 120 Umdrehungen min im Rührer aufbewahren.
   5. Sammeln Sie eine 5 ml Probe in einem Kunststoffrohr mit einer Mikropipette.
   6. Siehe Schritt 2.8, um den Gleichgewichtsarsengehalt in der Lösung mit HPLC zu bewerten.
2. Reinigung des Gels
   1. Besorgen Sie sich ein Netzsieb.
   2. Sammeln Sie die Gelstücke vorsichtig nacheinander, damit sie nicht brechen und in das Netzsieb legen.
   3. Waschen Sie das Gel mehrmals (mindestens fünfmal) mit entionisiertem Wasser, so dass alle verbleibenden Arsen auf der Oberfläche des Gels weggewaschen werden.
      VORSICHT: Die Gelstücke sind zerbrechlich. Behandeln Sie sie beim Waschen und Übertragen von der Arsenlösung auf die NaCl-Lösung mit Vorsicht.
3. Desorptionsanalysen
   1. Trocknen Sie einen 40 ml Kunststoffbehälter.
   2. Die Gelteile ab Schritt 6.2 in einen 40 ml Kunststoffbehälter geben.
   3. Fügen Sie 40 ml einer 0,5 M NaCl-Lösung in den Behälter ein.
   4. Den Behälter 24 h bei 20 °C und 120 Umdrehungen min im Rührer aufbewahren.
   5. Sammeln Sie eine 5 ml Probe in einem Kunststoffrohr mit einer Mikropipette.
   6. Folgen Sie dem Schritt 2.8, um den Gleichgewichtsarsengehalt in der Lösung mit HPLC zu bewerten.
4. Wiederholung des Prozesses
   1. Nach dem Sammeln des Gels aus Schritt 6.3 wiederholen Sie den Vorgang in der folgenden Reihenfolge für acht komplette Zyklen: 6,2 > 6,1 > 6,2 > 6,3 > 6,2 > 6,1 > 6,2 > 6,3.

Ergebnisse

Abbildung 1 beschreibt den Versuchsaufbau zur Herstellung des DMAPAAQ+FeOOH Gels. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzungen der Materialien, die an der Herstellung des Gels beteiligt sind.

Abbildung 2 zeigt das Verhältnis der Kontaktzeit mit der Adsorption von Arsen durch das DMAPAAQ+FeOOH Gel. In der Abbildung wurde die Höhe der Adsorption von Arsen bei ...

Diskussion

Die Wichtigste Weiterentwicklung unserer entwickelten Methode ist die einzigartige Designstrategie des Gel-Composites. Der Zweck unserer Gelaufbereitungsmethode war es, den Eisengehalt im Gel zu maximieren. Während der Vorbereitung haben wir FeCl₃ und NaOH der "Initiatorlösung" bzw. der "Monomerlösung" hinzugefügt. Nachdem die Monomerlösung mit der Initiatorlösung vermischt wurde, gab es eine Reaktion zwischen FeCl₃ und NaOH, die FeOOH im Gel produzierte. Dieses Phänomen sorgte für einen max...

Materialien

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