Recyclage des ressources de la terre rouge pour synthétiser un matériau composite zéolite de type Fe2O3 / FAU pour l’élimination des métaux lourds

Résumé

Cet article présente une voie nouvelle et pratique pour synthétiser un matériau composite de zéolite de type Fe₂O₃ / faujasite (FAU) à partir de sol rouge. Les paramètres de synthèse détaillés ont été finement réglés. Le matériau composite obtenu peut être utilisé pour l’assainissement efficace de l’eau contaminée par des métaux lourds, indiquant ses applications potentielles en génie de l’environnement.

Résumé

L’eau polluée par les métaux lourds est très préoccupante pour la santé humaine et l’écoenvironnement. Les techniques d’assainissement de l’eau in situ rendues possibles par des matériaux d’adsorption très efficaces sont d’une grande importance dans ces circonstances. Parmi tous les matériaux utilisés dans la dépollution de l’eau, les nanomatériaux à base de fer et les matériaux poreux présentent un grand intérêt, bénéficiant de leur riche fonction de réactivité et d’adsorption redox. Ici, nous avons développé un protocole facile pour convertir directement le sol rouge largement répandu dans le sud de la Chine pour fabriquer le matériau composite zéolite de type Fe₂O₃ / faujasite (FAU).

La procédure de synthèse détaillée et les paramètres de synthèse, tels que la température de réaction, le temps de réaction et le rapport Si/Al dans les matières premières, ont été soigneusement réglés. Les matériaux composites tels que synthétisés présentent une bonne capacité d’adsorption pour les ions métaux lourds (loid) typiques. Avec 0,001 g/mL de matériau composite zéolite de type Fe₂O3/FAU ajouté à différentes solutions aqueuses polluées par des métaux lourds (loïdes) (concentration d’un seul type de métal lourd (loïde) : 1 000 mg/L [ppm]), la capacité d’adsorption a été démontrée à 172, 45, 170, 40, 429, 693, 94 et₁₃₃ mg/g pour Cu(II), Cr (III), Cr (VI), Comme (III), Cd (II), Pb (II), Zn (II) et Ni (II), respectivement, qui peuvent être étendus à l’eau et à l’assainissement des sols pollués par les métaux lourds.

Introduction

Les métaux lourds provenant d’activités anthropiques et naturelles sont omniprésents dans l’air, l’eau et l’environnement du sol¹. Ils sont d’une grande mobilité et d’une grande toxicité, présentant un risque potentiel pour la santé humaine par contact direct ou par transport de la chaîne alimentaire². L’eau est vitale pour la vie des êtres humains car elle est la matière première de chaque famille. Le rétablissement de la santé de l’eau est crucial. Par conséquent, il est très important de réduire la mobilité et la biodisponibilité des métaux lourds toxiques (loïdes) dans l’eau. Pour maintenir une bonne santé dans l’eau, les matériaux d’assainissement de l’eau, tels que le biochar, les matériaux à base de fer et la zéolithe, jouent un rôle essentiel dans l’immobilisation ou l’élimination des métaux lourds (loïdes) des environnements aqueux ^3,4,5.

Les zéolithes sont des matériaux hautement cristallins avec des pores et des canaux uniques dans leurs structures cristallines. Ils sont composés de tétraèdres TO₄ (T est l’atome central, généralement Si, Al ou P) reliés par des atomes O partagés. La charge de surface négative et les ions échangeables dans les pores en font un adsorbant populaire pour la capture d’ions, qui a été largement utilisé dans l’assainissement de l’eau et des sols pollués par les métaux lourds. Bénéficiant de leurs structures, les mécanismes de remédiation impliqués dans l’élimination des contaminants par les zéolithes comprennent principalement la liaison chimique⁶, l’interaction électrostatique de surface⁷ et l’échange d’ions⁸.

La zéolite de type faujasite (FAU) a des pores relativement grands, avec un diamètre de pores maximal de 11,24 Å. Il montre une efficacité élevée et de vastes applications pour l’élimination des contaminants ^9,10. Ces dernières années, des recherches approfondies ont été consacrées à la mise au point de routines écologiques et peu coûteuses pour la synthèse de zéolithes, telles que l’utilisation de déchets solides industriels¹¹ comme matière première pour fournir des sources de silicium et d’aluminium, ou l’adoption de recettes directes sans agent¹². Les déchets solides industriels de remplacement signalés qui peuvent être des sources de silicium et d’aluminium comprennent la gangue de charbon 13, les cendres volantes¹¹, les tamis moléculaires de déchets 14, les déchets miniers et métallurgiques ¹⁵, les sols abandonnés par l’ingénierie 8 et les sols agricoles⁶, etc.

Ici, la terre rouge, un matériau riche en silicium et en aluminium abondant et facile à obtenir, a été adoptée comme matière première, et une approche de chimie verte facile a été développée pour la synthèse de matériaux composites zéolithes de type Fe₂O₃ / FAU (Figure 1). Les paramètres de synthèse détaillés ont été finement réglés. Le matériau tel que synthétisé montre une grande capacité d’immobilisation pour l’assainissement de l’eau contaminée par des métaux lourds. La présente étude devrait être instructive pour les chercheurs concernés qui s’intéressent à ce domaine afin d’utiliser le sol comme matière première pour la synthèse d’écomatériaux.

Protocole

1. Collecte et traitement des matières premières

1. Collecte de terre rouge
   1. Ramassez la terre rouge. Enlevez la couche supérieure de 30 cm du sol contenant des plantes et des matières organiques résiduelles.
      NOTE: Dans cette expérience, le sol rouge a été recueilli sur le campus de la Southern University of Science and Technology (SUSTech), Shenzhen, Guangdong, Chine (113°59' E, 22°36' N).
2. Traitement des sols rouges
   1. Sécher à l’air le sol rouge collecté à température ambiante et le filtrer à travers un tamis à 30 mailles. Enlevez la plupart des grosses pierres et feuilles. Mesurer la concentration de métaux lourds (tableau 1) dans le sol rouge à l’aide de la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS)¹⁶ pour s’assurer qu’aucune pollution indésirable n’est introduite.
      REMARQUE: Un tamis avec de petits trous est recommandé car peu de gros objets non contenant du silicium ou de l’aluminium seront dans la matière première. Ici, un tamis à 30 mailles est suffisant pour traiter la matière première dans cette expérience.

2. Synthèse de zéolite de type Fe₂O₃/FAU

1. Préparation de poudre de mélange alcalin
   1. Peser 5 g de terre rouge prétraitée, 1 g de_SiO2 et 7,63 g de NaOH, et les ajouter à un mortier d’agate naturel. Broyez-les pendant 2-3 minutes en une poudre fine. Assurez-vous que l’humidité relative dans le laboratoire est de 65% à 72%.
      REMARQUE: Faites attention au temps de broyage car le NaOH est très hygroscopique. Il peut facilement absorber l’eau de l’atmosphère de l’air. Une poudre alcaline moyennement humide est cruciale pour la prochaine étape de l’expérience. Le temps de broyage est lié à l’humidité en laboratoire.
2. Fusion/activation alcaline
   1. Transférer le mélange alcalin dans une doublure de réacteur en téflon de 100 mL sans le revêtement extérieur en acier inoxydable. Chauffez-le dans un four à 200 °C pendant 1 h.
      REMARQUE: Le but de cette étape est d’utiliser la base forte NaOH pour activer la liaison Si-O et la liaison Al-O¹⁷ afin que les atomes Al, Si et O se réassemblent pour former la zéolite aluminosilicate souhaitée.
3. Préparation du précurseur de zéolite
   1. Ajouter 60 mL d’eau désionisée dans la doublure du réacteur en téflon contenant le mélange alcalin activé. Ajouter une barre d’agitation de la taille appropriée et agiter le mélange à 600 tr/min sur l’agitateur magnétique pendant 3 h à 25 °C. Attendez qu’un gel homogène se forme comme précurseur de zéolite¹⁸.
4. Cristallisation
   1. Transférer le gel homogène dans un autoclave en acier inoxydable de 100 ml et chauffer le gel dans un four à 100 °C pendant 12 h. Attendez que le four refroidisse à température ambiante en suivant le programme de refroidissement par défaut pour ouvrir la porte du four et retirer l’autoclave.
      REMARQUE: L’autoclave génère une pression élevée à des températures élevées pour stimuler le processus de cristallisation. Attendez toujours qu’il atteigne la température ambiante pour éviter une explosion générée par une pression élevée.
5. Lavez la zéolithe obtenue avec de l’eau désionisée plusieurs fois jusqu’à ce que le pH de la solution soit proche de 7. Utilisez une centrifugeuse pour séparer le solide et le liquide et recueillez le solide au fond du tube à centrifuger de 50 mL. Enfin, sécher le produit obtenu pendant 8 h dans une étuve à 80 °C et le broyer en poudre fine pour une caractérisation ultérieure.
6. Caractérisation
   1. Obtenir le résultat du spectromètre à fluorescence X (XRF) pour le sol rouge (Figure 2). Il est utilisé pour mesurer avec précision la concentration en éléments inorganiques du sol¹⁹.
   2. Acquérir le fichier d’information cristalline (CIF) de Fe₂O₃ à partir de la base de données sur la structure cristalline inorganique (ICSD). Acquérir le fichier CIF de zéolite de type FAU à partir de la base de données des structures de zéolithes.
      REMARQUE: Mercury et Materials Studio (MS) peuvent tous deux être utilisés comme outils de visualisation de la structure cristalline. Dans ce travail, le mercure a été utilisé pour la visualisation de la structure Fe₂O 3, et MS a été utilisé pour la zéolite de type FAU (Figure 3).
   3. Acquérir un diagramme de diffraction des rayons X en poudre (PXRD) pour confirmer la phase du matériau composite zéolithe de type Fe₂O₃/FAU tel que synthétisé (figure 4)²⁰. Comparez-le avec le motif PXRD simulé de Fe₂O₃ et de zéolite de type FAU à l’aide du logiciel JADE 6.5.
      NOTE: Le logiciel Mercury développé par le Cambridge Crystallographic Data Centre (CCDC) peut calculer le modèle PXRD basé sur le fichier CIF des matériaux standard obtenus à partir de l’ICSD - la plus grande base de données au monde pour les structures cristallines inorganiques complètement identifiées.
   4. Acquérir une image de microscopie électronique à balayage (MEB) (Figure 5) pour confirmer la morphologie²⁰.
   5. Acquérir la cartographie par spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (EDS) au microscope électronique à transmission (MET) (Figure 6) pour déterminer la composition chimique⁶.
      REMARQUE : Par rapport à la cartographie SEM-EDS, la cartographie TEM-EDS peut détecter de faibles quantités de composition élémentaire.

3. Expérience d’adsorption par lots

1. Préparer 50 mL de solutions aqueuses de 1 000 ppm Cu(II), Cr (III), Cr (VI), As (III), Cd(II), Pb (II), Zn (II) et Ni (II). Notez le pH de chaque solution.
2. Ajouter 50 mg de zéolite à chaque solution de métaux lourds. Ajustez finement le pH de la solution de mélange avec 0,1 M HCl ou 0,1 M NaOH. Agiter le mélange à 600 tr/min pendant 48 h à 25 °C.
   REMARQUE: Chaque ion de métal lourd (loid) a une plage de pH stable sans précipitation d’hydroxyde métallique. Ajuster le pH de la solution mélangée finale à une plage de pH de sorte que la diminution de la concentration de métaux lourds (loïdes) puisse être attribuée à la performance de la zéolithe.
3. Ajuster le pH des solutions finales mélangées de Cu(II), Cr (III), Cr (VI), As (III), Cd (II), Pb (II), Zn (II) et Ni (II) à 4,2, 3,9, 6,4, 7,8, 5,8, 5,2, 5,7 et 6,4, respectivement.
4. Filtrer les solutions mélangées à travers des membranes de 0,22 μm. Diluez-les 1 000x en ajoutant une solution de HNO₃ à 2%. Mesurer les concentrations résiduelles de métaux lourds (Loïd) (figure 6) par spectrométrie de masse avec plasma à couplage inductif (ICP-MS)¹⁶, avec une plage d’essai de 0,001 ppm à 1 ppm. Voir le tableau 2 pour les paramètres de fonctionnement de l’ICP-MS.

Résultats

La figure 1 illustre la voie de synthèse globale de la zéolite basée sur la stratégie⁶ « sol pour l’assainissement des sols ». Avec une voie simple sans matières organiques, le sol rouge peut être converti en matériau composite zéolite de type Fe₂O₃ / FAU sans ajouter de source de Fe ou d’Al. Le matériau composite zéolithe tel que synthétisé présente une excellente capacité d’élimination pour l’assainissement de l’eau p...

Discussion

La zéolite est généralement un matériau aluminosilicate. En théorie, les matériaux riches en silicate et en aluminate peuvent être choisis comme matières premières pour la synthèse de zéolithes. Le rapport Si/Al de la matière première doit être similaire à celui du type de zéolite sélectionné afin de minimiser l’utilisation de sources supplémentaires de silicium/aluminium ^6,8,16. Le rapport Si/Al de la zéol...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
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