Un método eficiente para la desalinización selectiva de aniones de yodo radiactivo mediante el uso de filtro de membrana incorporado en nanopartículas de oro

Resumen

Se describe un método eficiente para la desalación rápido y selectivo de iones de yodo radiactivo en varias soluciones acuosas usando filtros de membrana de acetato de celulosa inmovilizado de nanopartículas de oro.

Resumen

Aquí, demostramos un protocolo de detalle para la preparación de membranas compuestas de nanomateriales integrados y su aplicación a la eliminación eficiente y selectivo de iones de yoduros radiactivos. Mediante el uso de nanopartículas de oro citrato-estabilizado (diámetro medio: 13 nm) y las membranas de acetato de celulosa, oro ha fabricar fácilmente membranas de acetato de celulosa incrustada de nanopartículas (Au-CAM). Los nano-adsorbentes en Au-CAM fueron altamente estables en presencia de alta concentración de sales inorgánicas y moléculas orgánicas. Los iones del yoduro en soluciones acuosas rápidamente podrían ser capturados por esta membrana ingeniería. A través de un proceso de filtración utilizando una unidad de filtro que contiene Au-CAM, eficiencia de remoción excelente (> 99%) resultado de desalación así como ion selectivo se logró en poco tiempo. Además, Au-CAM proporciona buena reutilización sin disminución significativa de sus actuaciones. Estos resultados sugirieron que la tecnología actual usando la membrana ingeniería híbrida será un proceso prometedor para la descontaminación en grande de yodo radioactivo de los desechos líquidos.

Introducción

Durante varias décadas, se ha generado gran cantidad de desechos radioactivos líquidos por institutos médicos, centros de investigación y reactores nucleares. Estos contaminantes han sido a menudo una amenaza palpable para el medio ambiente y salud humana^1,2,3. Especialmente, yodo radiactivo es reconocido como uno de los elementos más peligrosos de los accidentes de centrales nucleares. Por ejemplo, un medio ambiente informe de Fukushima y Chernobyl reactor nuclear demostró que la cantidad de liberados yodos radiactivos incluyendo ¹³¹I (t_1/2 = 8,02 días) y ¹²⁹I (t_1/2 = 15,7 millones de años) para el medio ambiente era más grande que los de otros radionúclidos^4,5. En particular, la exposición de estos radioisótopos resultó en alta absorción y enriquecimiento en la tiroides humana⁶. Por otra parte, yodos radiactivos liberados pueden causar severa contaminación de suelo, agua de mar y agua subterránea debido a su alta solubilidad en agua. Por lo tanto, muchos de los procesos de remediación utilizando diferentes adsorbentes inorgánicos y orgánicos han sido investigados para capturar yodos radiactivos en residuos acuosos^{7,8,9,10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20}. aunque se han dedicado grandes esfuerzos para el desarrollo de sistemas avanzados de adsorbente, el establecimiento de un método de descontaminación mostrando actuaciones satisfactorias bajo condición de flujo continuo fue muy limitado. Informó recientemente, un proceso de desalinización novela mostrando eficacia del buen retiro, ion selectivo, sostenibilidad y reutilización de materiales híbridos nano compuesto de nanopartículas de oro (AuNPs)^{21,22 , 23}. entre ellos, membranas de acetato de celulosa incrustada de nanopartículas oro (Au-CAM) facilitaron la desalinización eficiente de iones yoduro bajo un sistema de flujo continuo en comparación con los materiales existentes de adsorbente. Por otra parte, todo el procedimiento podría ser acabado en poco tiempo, que era otra de las ventajas para el tratamiento de los residuos nucleares generados por la utilización en aplicaciones médicas e industriales. El objetivo general de este manuscrito es proporcionar un protocolo paso a paso para la preparación de Au-CAM²⁴. También se demuestra un proceso de filtración rápida y conveniente para ion selectivo captura de yodo radiactivo con las membranas de compuesto ingeniería. El protocolo detallado en este informe ofrecerá una útil aplicación de nanomateriales en el campo de investigación de ciencias ambientales.

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Protocolo

1. síntesis de nanopartículas de oro estabilizado con citrato de

1. Lave un matraz de fondo redondo cuello dos (250 mL) y una barra de agitación magnética con agua regia, una mezcla de ácido clorhídrico concentrado y ácido nítrico concentrado en una proporción de 3:1 volumen.
   PRECAUCIÓN: solución de regia del Aqua es muy corrosivo y puede causar explosión o piel quemaduras si no se maneja con extrema precaución.
2. Lavar la cristalería con agua desionizada para eliminar ácido acuoso residual.
3. Añadir 120 mL de solución de ácido chloroauric (HAuCl₄, 1 mM) al matraz de fondo redondo cuello dos (250 mL) y calentar a reflujo con agitación constante.
4. Agregar 12 mL de solución de citrato de sodio tribásico (35 mM) rápidamente al matraz de fondo redondo cuello dos y reflujo de la mezcla resultante por otro 20 min para la reducción completa de la sal del oro.
5. Permite la suspensión coloidal de nanopartículas (rojo oscuro) enfriar a temperatura ambiente.
6. Medir la concentración de las nanopartículas de oro (AuNPs) con espectroscopia UV-vis a una longitud de onda de 520 nm (coeficiente de extinción de 2.8 x 10⁸) utilizando una cubeta de cuarzo (1 cm de longitud de ruta de acceso).
7. Añadir una sola gota de la suspensión de AuNPs en una rejilla de cobre recubiertas de carbón (400 mesh) y secar a temperatura ambiente. Medir el tamaño de AuNPs con microscopía electrónica de transmisión (TEM).
8. Mantener la suspensión de nanopartículas de oro coloidal a 4 ° C.

2. preparación de membrana híbrida (Au-CAM)

1. Preparación del filtro de membrana incorporado en nanopartículas de oro utilizando una unidad de jeringa
   1. Lavar una membrana de acetato de celulosa (tamaño de poro: 0,45 μm, diámetro: 25 mm) apoyado por una unidad de filtro con agua desionizada (10 mL) tres veces.
   2. Retirar 10 mL de AuNPs estabilizadas de citrato (10 nM) con una jeringa estéril (20 mL) y añadir poco a poco en un filtro de membrana de acetato de celulosa previamente lavada (figura 1).
   3. Lavar la unidad de filtro con 10 mL de agua desionizada tres veces para quitar AuNPs no inmovilizados.
      Nota: AuNPs inmovilizadas en la membrana de acetato de celulosa son muy estables, y así Au-CAM puede almacenarse bajo condiciones ambientales durante varias semanas sin la pérdida de sus propiedades químicas o estabilidad.
2. Preparación de nanopartículas de oro filtro de membrana de la bomba de vacío
   1. Coloque la membrana de acetato de celulosa (tamaño de poro: 0,45 μm, diámetro: 47 mm) entre un filtro sinterizado cristal soporte (diámetro: 40 mm) y un embudo graduado (300 mL).
   2. Conecte una unidad combinada del soporte de vidrio sinterizado y se graduó el embudo a un matraz de recuperar (500 mL) y una bomba de vacío.
   3. Añadir 10 mL de AuNPs estabilizadas de citrato (10 nM) en el graduado del embudo y luego aplique vacío hasta que AuNPs todos pasan a través de la membrana de acetato de celulosa (aproximadamente 20 s).
   4. Repita el mismo procedimiento (paso 2.2.3) en el otro lado de la membrana para inmovilizar AuNPs en ambos lados de la membrana.
   5. Analizar la superficie de Au-CAM mediante microscopio electrónico de barrido (SEM) en las condiciones de alto rendimiento con las aceleración tensiones hasta 15 kV (figura 2d).
      Nota: Para comprobar la estabilidad de nanopartículas de Au-CAM en una alta condición de sal, la membrana compuesta de se sumergió en solución de NaCl de 1,0 M para 2 h y luego se realizó inspección visual para confirmar la estabilidad de la Au-CAM.

3. adsorción de yodo radiactivo mediante Au-CAM en un sistema Batch

1. Diluir el yodo radiactivo ([¹²⁵I] NaI, 2.2 MBq) en 3 mL de agua pura, 1,0 M de NaCl y 10 nM NaI y agregar cada solución en una placa Petri (50 mm de diámetro × 15 mm de altura).
   PRECAUCIÓN: Oxidado yodo radiactivo puede ser volátil y debe ser manipulado con escudos de plomo adecuado y llevar frascos. Todos los pasos de radioquímicos deben realizarse en una campana bien ventilada de filtrado de carbón, y los procedimientos experimentales deben ser monitoreados por los detectores de radiactividad.
2. Coloque la leva Au que es preparada usando un filtro de vacío en las soluciones de yodo radiactivo y sacúdalas suavemente a temperatura ambiente.
3. Retirar 10 μL de la solución de yodo radiactivo de la caja Petri en dado tiempo de puntos (0, 5, 10, 30, 60, 120 minutos) y medir la radiactividad de la alícuota con γ-contador automático.
4. Enjuague la Au-CAM con agua purificada después de 120 min y luego se mide la cantidad de radiactividad capturado en la membrana usando γ-contador automático (figura 3).

4. desalinización de agua de yodo radiactivo bajo condición en flujo continuo

1. Eliminación de aniones de yodo radiactivo (¹²⁵I^–) utilizando un filtro de Au-CAM
   1. Disolver el yodo radiactivo (3.7 MBq) en 50 mL de agua pura, PBS 1 x, 1.0 M NaCl, 0,1 M NaOH, 0.1 M HCl, 10 mM CsCl, 10 mM SrCl₂, orina sintética o agua de mar.
   2. Retirar 50 mL de cada solución con una jeringa estéril (50 mL) y pasar a través de la unidad de filtro de Au-CAM con un caudal de aproximadamente 1,5 mL/s con una bomba de jeringa (figura 1).
   3. Transferir 5 mL del filtrado en un frasco de plástico para la cuantificación de la radiactividad en la solución.
   4. Medir la cantidad de radiactividad residual en la solución de filtrado usando γ-contador automático (figura 4).
2. Prueba de la reutilización de filtro Au-CAM
   1. Disolver el yodo radiactivo en la orina sintética o agua de mar (3,7 MBq/50 mL).
   2. Retirar 50 mL de solución con una jeringa estéril (50 mL) y añada a la unidad de filtro de Au-CAM con un caudal de aproximadamente 1,5 mL/s con una bomba de jeringa.
   3. Repita el mismo procedimiento de filtración (paso 4.2.2) para siete veces utilizando una sola unidad de filtro de Au-CAM.
   4. Transferir 5 mL del filtrado en un frasco de plástico para la cuantificación de la radiactividad en la solución.
   5. Miden la cantidad de radiactividad en siete soluciones de filtrado con γ-contador automático.

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Resultados

Hemos demostrado que métodos simples para la fabricación de Au-CAM con citrato-estabilizado AuNPs y acetato de celulosa membranas (figura 1a). La superficie de Au-CAM fue observada por SEM que demostró que los nanomateriales se incorporaron de forma estable en las nanofibras de celulosa (figura 2). Las nanopartículas encarceladas en la membrana se mantuvieron estable y no eran liberadas de la membrana por el ...

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Discusión

En años recientes, varios nanomateriales modificados y las membranas se han desarrollado para quitar metales radioactivos peligrosos y metales pesados en agua basado en su funcionalidad específica en técnicas de adsorción^{25,26, 27 , 28 , 29 , 30 , 31 , 32}

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Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Hydrochloric acid	DUKSAN	1129
Nitric acid	JUNSEI	37335-1250
Chloroautic chloride trihydrate (HAuCl4·3H2O)	Sigma Aldrich	254169
Sodium citrate tribasic dihydrate	Sigma Aldrich	71402
[125I]NaI	Perkin-Elmer	NEZ033A010MC
Sodium chloride	Sigma Aldrich	S9888
Sodium iodide	Sigma Aldrich	383112
Sodium hydroxide	Sigma Aldrich	S5881
Lithium L-lactate	Sigma Aldrich	L2250	Synthetic urine
Citric acid	Sigma Aldrich	C1909	Synthetic urine
Sodium hydrogen carbonate	JUNSEI	43305-1250	Synthetic urine
Urea	Sigma Aldrich	U1250	Synthetic urine
Calcium chloride	JUNSEI	18230-0301	Synthetic urine
Magnesium sulfate	SAMCHUN	M0146	Synthetic urine
Potassium dihydrogen phosphate	JUNSEI	84185A1250	Synthetic urine
Dipotassium hydrogen phosphate	JUNSEI	84120-1250	Synthetic urine
Sodium sulfate	JUNSEI	83260-1250	Synthetic urine
Ammonium chloride	Sigma Aldrich	A9434	Synthetic urine
Sea water	Sigma Aldrich	S9148
1x PBS	Thermo	SH30256.01
Cellulose acetate membranes (pore size: 0.20 μm, diameter: 25 mm)	Advantec MFS	25CS045AS
Cellulose acetate membranes (pore size: 0.20 μm, diameter: 47 mm)	Advantec MFS	C045A047A
47 mm Glass Microanalysis Holders	Advantec MFS	KG47(311400)
Petri dish (50 mm diameter ´ 15 mm height)	SPL	10050
Gamma counter	Perkin-Elmer	2480 WIZARD2	Model number
UV-vis spectrophotometer	Thermo	GENESYS 10	Model number
Transmission electron microscopy	Hitachi	H-7650	Model number
Field Emission Scanning electron microscope	FEI	Verios 460L	Model number