Eliminación del arsénico utilizando un gel de polímero catiónico impregnado con hidróxido de hierro

Resumen

En este trabajo, preparamos un adsorbente compuesto por el catiónico N,N-dimetilamino propilacrilamida cloruro de metilcloruro cuaternario (DMAPAAQ) gel de polímero e hidróxido de hierro para adsorbing arsénico de aguas subterráneas. El gel se preparó a través de un método novedoso diseñado para garantizar el máximo contenido de partículas de hierro en su estructura.

Resumen

En este trabajo, preparamos un adsorbente compuesto por un gel de polímero catiónico que contiene hidróxido de hierro en su estructura diseñada para adsorbelismo de aguas subterráneas. El gel que seleccionamos fue el gel De,N-dimetilamino propilcrilamida de cloruro de metilo cuaternario (DMAPAAQ). El objetivo de nuestro método de preparación era asegurar el máximo contenido de hidróxido de hierro en la estructura del gel. Este enfoque de diseño permitió la adsorción simultánea tanto por la estructura polimérica del gel como por el componente de hidróxido de hierro, mejorando así la capacidad de adsorción del material. Para examinar el rendimiento del gel, medimos la cinética de reacción, realizamos análisis de sensibilidad de pH y selectividad, monitoreamos el rendimiento de adsorción de arsénico y realizamos experimentos de regeneración. Determinamos que el gel se somete a un proceso de quimiosión y alcanza el equilibrio a 10 h. Además, el gel adsorbido arsénico de manera efectiva a niveles de pH neutros y selectivamente en entornos iónicos complejos, logrando un volumen máximo de adsorción de 1,63 mM/g. El gel podría ser regenerado con 87.6% de eficiencia y NaCl podría ser utilizado para la desorción en lugar de NaOH dañino. En conjunto, el método de diseño a base de gel presentado es un enfoque eficaz para la construcción de adsorbentes de arsénico de alto rendimiento.

Introducción

La contaminación del agua es una gran preocupación ambiental, motivando a los investigadores a desarrollar métodos para eliminar contaminantes como el arsénico de los residuos¹. Entre todos los métodos reportados, los procesos de adsorción son un enfoque de costo relativamente bajo para la eliminación de metales pesados^2,3,4,5,6,7. Polvos de oxihidróxido de hierro se consideran uno de los adsorbentes más eficientes para extraer arsénico de soluciones acuosas^8,9. Aún así, estos materiales sufren de una serie de inconvenientes, incluyendo los primeros tiempos de saturación y precursores sintéticos tóxicos. Además, hay un efecto adverso grave en la calidad del agua cuando estos adsorbentes se utilizan durante un largo período de tiempo¹⁰. A continuación, se necesita un proceso de separación adicional, como la sedimentación ola filtración, para purificar el agua contaminada, lo que aumenta el costo de la producción 8,¹¹.

Recientemente, los investigadores han desarrollado geles de polímero como hidrogeles catiónicos, microgeles y criogeles que han demostrado propiedades de adsorción eficientes. Por ejemplo, una tasa de eliminación de arsénico del 96% se logró mediante el cloruro de trimetil amonio de crisotilo catiónico, poli(3-acrylamidopropyl) [p(APTMACl)]¹². Además, a pH 9, aproximadamente 99.7% eficiencia de eliminación se logró por este hidrogel catiónico¹³. A pH 4, 98,72 mg/g de capacidad máxima de adsorción de arsénico se logró mediante el microgel, basado en tris(2-aminoetilo) amina (TAEA) y éter gliceroldiglycidyl (GDE), p(TAEA-co-GDE)¹⁴. Aunque estos geles demostraron buenos rendimientos de adsorción, no pudieron eliminar eficazmente el arsénico del agua a niveles de pH neutros, y sus selectividades en todos los ambientes estudiados no se notificaron¹⁵. Se midió una capacidad máxima de adsorción de 227 mg/g de cuando fe(III)-Sn(IV) se utilizó arena recubierta de óxido binario mixta a una temperatura de 313 K y un pH de 7¹⁶. Alternativamente, la arena recubierta de óxido binario Fe-Zr (IZBOCS) también se ha utilizado para eliminar el arsénico y alcanzó una capacidad máxima de adsorción de 84,75 mg/g a 318 K y un pH de 7¹⁷. Otros adsorbentes reportados sufren de bajo rendimiento de adsorción, falta de reciclabilidad, baja estabilidad, altos costos operativos y de mantenimiento, y el uso de productos químicos peligrosos en el proceso de síntesis⁴.

Buscamos abordar las limitaciones anteriores mediante el desarrollo de un material con un rendimiento mejorado de adsorción de arsénico, alta selectividad en entornos complejos, capacidad de reciclaje y actividad eficiente a niveles de pH neutros. Por lo tanto, desarrollamos un compuesto de gel catiónico de N,N-dimetilamino prometilamino proxilacrilamida de cloruro de metilcloruro cuaternario (DMAPAAQ) gel y hierro (III) hidróxido (FeOOH) partículas como un adsorbente para la eliminación de arsénico. Elegimos combinar FeOOH con nuestro gel porque FeOOH aumenta la adsorción de ambas formas de arsénico¹⁸. En este estudio, nuestro compuesto de gel fue diseñado para ser no poroso y fue impregnado con FeOOH durante la preparación. En la siguiente sección, se discuten más los detalles del método de preparación de gel, incluida nuestra estrategia para maximizar el contenido de FeOOH.

Protocolo

ADVERTENCIA: El arsénico es extremadamente tóxico. Por favor, use guantes, ropa de manga larga y gafas experimentales en todo momento durante el experimento para evitar cualquier contacto de la solución de arsénico con la piel y los ojos. Si el arsénico entra en contacto con cualquier parte del cuerpo, lávelo inmediatamente con jabón. Además, limpie el entorno experimental regularmente para que usted y otros no entren en contacto con arsénico, incluso cuando el experimento no se está realizando. Los síntomas de la exposición al arsénico pueden aparecer después de un largo período de tiempo. Antes de limpiar el equipo, primero enjuáguelo con agua limpia y deseche el agua por separado en un contenedor de residuos experimental designado para el arsénico. A continuación, limpie bien el equipo con detergente. Para prevenir la contaminación por arsénico del medio ambiente, tome precauciones mientras desecha muestras de arsénico. Deséchelos por separado en contenedores de residuos experimentales designados para el arsénico. Después de realizar el experimento de adsorción o desorción, los geles contienen una gran cantidad de arsénico. Por lo tanto, deseche los geles por separado en un cubo de residuos experimental designado solo para geles que contengan arsénico.

1. Síntesis del compuesto de gel DMAPAAQ+FeOOH

1. Seque dos matraces de medición de 20 ml y dos vasos de 20 ml equipados con barras de agitación magnéticas.
2. Transferencia 2,07 g de DMAPAAQ (75%), 0,15 g de N,N'-metileno bisacrilamida (MBAA), 0,25 g de sulfito sódico y 1,68 g de NaOH a un vaso de precipitados de 20 ml.
3. Disolver la solución torcida torcida en agua destilada como "solvente" y agitarla durante 30 minutos con una barra de agitación magnética.
4. Transfiera la mezcla del vaso de precipitados a un matraz de medición de 20 ml y añada agua destilada para generar una solución de 20 ml. Etiquete la solución como la "solución de monómero".
5. Del mismo modo, tomar 0,27 g de peroxodisulfato de amonio (APS) y 3,78 g de FeCl₃ en otro vaso de precipitados de 20 ml.
6. Disolver la solución completamente en agua destilada y agitarla durante 30 minutos con una barra de agitación magnética.
7. Transfiera la mezcla del vaso de precipitados a otro matraz de medición de 20 ml y añada agua destilada para componer una solución de 20 ml. Etiquete la solución como la "solución del iniciador".
8. Prepare la configuración experimental como se muestra en la Figura1.
9. Transfiera las soluciones a los respectivos embudos de separación de 20 ml.
10. Purgue las soluciones con gas N₂ durante 10 min.
11. Mezcle las soluciones, revuelva en un tubo de ensayo de 50 ml con un agitador eléctrico y, a continuación, coloque la mezcla en un enfriador mantenido a 10 oC durante 40 minutos.
12. Saque el bloque de gel del tubo de ensayo y colóquelo en una tabla de cortar plana.
13. Cortar el bloque de gel en forma cúbica, de 5 mm de longitud.
14. Remoje las rodajas de gel con agua desionizada durante 24 horas para eliminar las impurezas.
15. Después de 12 h, reemplace el agua y remoje las rodajas de gel de nuevo.
16. Esparce las rodajas de gel en un plato de Petri y sécalas a temperatura ambiente durante 24 horas.
17. Colocar el plato de Petri con las rodajas de gel en el horno a 50oC durante 24 h.

2. Análisis de sensibilidad del pH

1. Seque nueve recipientes de plástico de 40 ml.
2. Mida nueve piezas de gel seco de 20 mg y coloque cada una de ellas en un recipiente de plástico separado de 40 ml.
3. Añadir 20 ml de una solución de 4 mM de hidrógeno arsenatehehehidrato de sodio (Na₂HAsO₄x 7H₂O) a cada recipiente.
4. Para controlar los niveles de pH, añada 20 ml de solución NaOH o solución HCL con diferentes concentraciones (0,1, 0,01, 0,001, 0,0001 M) en los respectivos recipientes para mantener los niveles de pH de 2, 6, 8, 10, 12, 13 y etiquetarlos.
5. Conservar los recipientes en el agitador a 20oC y 120 rpm durante 24 h.
6. Recoja una muestra de 5 ml de cada recipiente y coloque cada muestra en un tubo de plástico utilizando un micropipeta.
7. Mida el pH de equilibrio para todas las muestras.
8. Mida la concentración restante de arsénico en la solución utilizando una cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC). Utilice una columna analítica (4 x 200 mm), una columna de protección (4 x 50 mm) y un supresor de 4 mm con las siguientes condiciones:
   Caudal: 1,5 mL/min;
   Cantidad de muestra inyectada: 10 ml;
   Temperatura de la columna: 30 oC;
   Solución eluyente: 2,7 mM Na₂CO₃ y 0,3 mM NaHCO₃;
   Presión de la bomba: 2000 psi;
   Detección de conductividad eléctrica: Método supresor.
   NOTA: Adquirimos 1 ml de la muestra en una jeringa de un solo uso de 1 ml. La jeringa se acoplaba con un filtro de membrana de jeringa (tamaño de los poros: 0,22 mm, diámetro: 13 mm) para discretar los fragmentos microscópicos del gel de la muestra. Alrededor de 0,7 ml de muestra se inculcó en la columna. El agua destilada se infundeba antes del inicio de la inyección de las muestras como muestra en blanco. Los picos que denotan la existencia de arsénico en la muestra se detectaron a los 13 min.
   ADVERTENCIA: Después de inyectar la muestra, deje la jeringa en el cabezal de aspiración de HPLC durante casi 2 minutos con aproximadamente 0,2-0,3 ml de muestra restante en ella. Porque el polvo y el aire podrían penetrar en la columna y alterar su adepto, lo que posiblemente resultará en un resultado erróneo.

3. Experimento de adsorción de arsénico

1. Seque cinco recipientes de plástico de 40 ml.
2. Mida y coloque 20 mg de gel seco en cada recipiente de plástico de 40 ml.
3. Añadir 40 ml de solución de hidrogenarsesenate heptahidrato disódico (Na₂HAsO₄x 7H₂O) a cada recipiente a las siguientes concentraciones: 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2 mM.
4. Conservar los recipientes en el agitador a 20oC y 120 rpm durante 24 h.
5. Recoger una muestra de 5 ml de cada recipiente y colocar en un tubo de plástico utilizando un micropipeta.
6. Siga el paso 2.8 para evaluar los niveles de arsénico de equilibrio en las soluciones que utilizan HPLC.

4. Análisis de selectividad del gel DMAPAAQ+FeOOH

1. Seque cinco recipientes de plástico de 40 ml.
2. Coloque 20 mg de gel seco en cada uno de los cinco envases de plástico de 40 ml.
3. Añadir 20 ml de una solución de 0,4 mMde hidrógenoarsenate heptasenate de 0,4 mM a cada recipiente.
4. Añadir 20 ml a concentraciones de 0,5, 1, 2, 5, 10 mM Na₂SO₄ a los cinco contenedores.
5. Conservar los recipientes en el agitador a 20oC y 120 rpm durante 24 h.
6. Recoger una muestra de 5 ml de cada recipiente y colocar en tubos de plástico separados utilizando micropipetas.
7. Siga el paso 2.8 para cuantificar la concentración restante de arsénico en la solución utilizando HPLC.

5. Análisis de la tasa de equilibrio

1. Seque siete recipientes de plástico de 40 ml.
2. Coloque 20 mg de gel seco en cada uno de los envases de plástico de 40 ml.
3. Añadir 40 ml de una solución de 0,2 mM de hidrógeno arsenateílico de hidrógeno sódico (Na₂HAsO₄x 7H₂O) a cada uno de los recipientes.
4. Conservar los recipientes en el agitador a 20 oC a 120 rpm durante la duración de los tiempos indicados.
5. Recoger muestras de 5 ml en tubos de plástico utilizando micropipetas después de 0,5, 1, 3, 7, 11, 24 y 48 h.
6. Siga el paso 2.8 para determinar el nivel de arsénico de equilibrio en cada solución utilizando HPLC.

6. Análisis de regeneración

1. Análisis de adsorción
   1. Seque un recipiente de plástico de 40 ml.
   2. Tomar 20 mg de gel seco y colocarlo en el recipiente de plástico de 40 ml.
   3. Añadir 40 ml de una solución de 0,2 mMde hidrógenoarsenate heptasenate de 0,2 mM al recipiente.
   4. Conservar el recipiente en el agitador a 20oC y 120 rpm durante 24 h.
   5. Recoger una muestra de 5 ml en un tubo de plástico utilizando un micropipeta.
   6. Consulte el paso 2.8 para evaluar el nivel de arsénico de equilibrio en la solución utilizando HPLC.
2. Limpieza del gel
   1. Consigue un tamiz de malla.
   2. Recoger cuidadosamente las piezas de gel de una en una para que no se rompan y colocarlas en el tamiz de malla.
   3. Lave el gel varias veces (mínimo cinco veces) con agua desionizada para que se lave el arsénico restante en la superficie del gel.
      ADVERTENCIA: Las piezas de gel son frágiles. Manéjalos con cuidado mientras los lava y los transfiere de la solución de arsénico a la solución de NaCl.
3. Análisis de desorción
   1. Seque un recipiente de plástico de 40 ml.
   2. Coloque las piezas de gel del paso 6.2 en un recipiente de plástico de 40 ml.
   3. Agregue 40 ml de una solución NaCl de 0,5 M al contenedor.
   4. Conservar el recipiente en el agitador a 20oC y 120 rpm durante 24 h.
   5. Recoger una muestra de 5 ml en un tubo de plástico utilizando un micropipeta.
   6. Siga el paso 2.8 para evaluar el nivel de arsénico de equilibrio en la solución utilizando HPLC.
4. Repetición del proceso
   1. Después de recoger el gel del paso 6.3, repita el proceso en la siguiente secuencia para ocho ciclos completos: 6.2 > 6.1 > 6.2 > 6.3 > 6.2 > 6.1 > 6.2 > 6.3.

Resultados

La Figura 1 describe la configuración experimental para la preparación del gel DMAPAAQ+FeOOH. La Tabla 1 ilustra las composiciones de los materiales implicados en la preparación del gel.

La Figura 2 muestra la relación del tiempo de contacto con la adsorción del arsénico por el gel DMAPAAQ+FeOOH. En la cifra, la cantidad de adsorción de arsénico...

Discusión

El principal avance de nuestro método desarrollado es la estrategia de diseño única del compuesto de gel. El propósito de nuestro método de preparación de gel era maximizar la cantidad de contenido de hierro en el gel. Durante la preparación, añadimos FeCl₃ y NaOH a la "solución de iniciador" y a la "solución de monómero", respectivamente. Una vez que la solución de monómero se mezcló con la solución del iniciador, hubo una reacción entre FeCl₃ y NaOH, produciendo FeOOH dentro del ge...

Materiales

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