הסרת ארסן באמצעות ג'ל פולימרי הספוג עם הידרוקסיד ברזל

Summary

בעבודה זו, הכנו adsorbent המורכב מתוך המים האחרים , n-dimethylamino מתיל כלוריד (DMAPAAQ) ג'ל פולימרי ו הידרוקסיד ברזל עבור הזרסורנג ארסן מן מי תהום. הג הוכן בשיטה החדשנית שנועדה להבטיח את התוכן המרבי של חלקיקי ברזל במבנה.

Abstract

בעבודה זו, הכנו adsorbent מורכב ג'ל פולימרי המכיל הידרוקסיד ברזל במבנה שלה המיועד adsorbent ארסן מן מי תהום. הג שנבחר היה ה-n ,מתיונין (DMAPAAQ) ג'ל מתיל כלוריד. מטרת שיטת ההכנה שלנו היתה להבטיח את התוכן המקסימלי של ברזל הידרוקסיד במבנה של ג'ל. גישה זו העיצוב איפשר מעוצב סימולטני על ידי שני מבנה פולימרי של ג'ל הידרוקסידי ברזל רכיב, ובכך, שיפור יכולת ספיחה של החומר. כדי לבחון את הביצועים של הג, אנו מדדו קינטיקה התגובה, ביצעו רגישות pH וניתוחים בסלקטיביות, ביצועים מנוטרים של הארסן, וניהל ניסויים התחדשות. קבענו כי הג עובר תהליך כימי ומגיע לשיווי האיזון ב-10 h. יתר על כן, הג נספחת רעל ביעילות ברמות ה-pH נייטרלי באופן סלקטיבי בסביבות יון מורכבות, השגת נפח נספחת מקסימלית של 1.63 mM/g. ניתן ליצור מחדש את הג עם 87.6% יעילות ו-"נאיי" יכול לשמש לצורך הדסורזיה במקום NaOH מזיקים. יחד עם זאת, שיטת העיצוב המוצגת על ידי ג'ל היא גישה אפקטיבית לבניית אדסורטים ארסן בעלי ביצועים גבוהים.

Introduction

זיהום המים הוא דאגה סביבתית מעולה, המניע חוקרים לפתח שיטות להסרת מזהמים כגון ארסן מתוך בזבוז אשפה¹. בין כל השיטות שדווחו, תהליכי ספיחה הם גישה נמוכה יחסית להסרת מתכת כבדה^2,3,4,5,6,7. ברזל אוקסיקסידי אבקות נחשבים לאחד adsorbents היעילה ביותר עבור חילוץ ארסן מ פתרונות מימית^8,9. עם זאת, חומרים אלה סובלים ממספר חסרונות, כולל שעות רוויה מוקדם ומקדים רעילים מלאכותיים. בנוסף, קיימת השפעה שלילית חמורה באיכות המים כאשר אלה adsorbents אלה משמשים לתקופה ארוכה של זמן¹⁰. תהליך הפרדה נוסף, כגון משקעי אור או סינון, נדרש לטיהור המים הנגועים, המגביר את עלות הייצור עוד^8,11.

לאחרונה, החוקרים פיתחו ג'לים פולימריים כגון הידרו-ג'ל הידרולים, microgels, ו קריוג כי הפגינו תכונות ספיחה יעיל. לדוגמה, שיעור הסרת הארסן של 96% הושג על ידי הקריוג'ל המוריק, פולי (3-acrylamidopropyl) triמתיל אמוניום כלוריד [p (APTMACl)]¹². בנוסף, ב-pH 9, כ 99.7% יעילות ההסרה הושגה על-ידי זה הידרוג'ל לאורך¹³. ב-pH 4, 98.72 mg/g של הקיבולת המקסימלית של ארסן מירבי הושגה על ידי המיקרו-ג'ל, בהתבסס על טריס (2-עמינח אתיל) אמין (TAEA) ו גלילידיוגליציליןאתר (GDE), p (TAEA-co-GDE)¹⁴. למרות שהג'לים הללו הפגינו הופעות טובות, הם נכשלו להסיר ביעילות את הארסן מהמים ברמות ה-pH הניטרליים, והסליותיים שלהם בכל סביבות המחקר לא דווחו¹⁵. קיבולת ספיחה מקסימלית של 227 mg/g של נמדד כאשר Fe (III)-Sn (IV) מעורבים חול מצופה תחמוצת בינארי שימש בטמפרטורה של 313 K ו-pH של 7¹⁶. לחילופין, Fe-zr בינארי תחמוצת מצופה חול (izbocs) יש גם שימש להסרת ארסן והשיגה קיבולת ספיחה מקסימלית של 84.75 מ"ג/g ב 318 K ו-pH של 7¹⁷. Adsorbents אחרים דיווחו סובלים הופעות adsorספיחה נמוכה, חוסר יכולת מיחזור, יציבות נמוכה, גבוהה תפעול ותחזוקה עלויות, ואת השימוש בכימיקלים מסוכנים בתהליך הסינתזה⁴.

ביקשו לטפל במגבלות הנ ל על ידי פיתוח חומר עם ביצועי הארסן משופרים, סלקטיביות גבוהה בסביבות מורכבות, יכולת מיחזור ופעילות יעילה ברמות ה-pH נייטרליים. לכן, פיתחנו ג'ל מורכב של n, n-dimethylamino הידרולאיד מתיל כלוריד (דמטפאאק) ג'ל ו ברזל (III) הידרוקסיד (feooh) חלקיקים כמו adsorbent להסרת ארסן. בחרנו לשלב FeOOH עם הג שלנו כי FeOOH מגביר את הספיחה של שתי צורות של ארסן¹⁸. במחקר זה, ג'ל משולב שלנו תוכנן להיות לא נקבובי והיה ספוג עם FeOOH במהלך ההכנה. בסעיף הבא, את פרטי שיטת ההכנה ג'ל, כולל האסטרטגיה שלנו למקסם את התוכן של FeOOH הוא נדון עוד.

Protocol

התראה: ארסן רעיל מאוד. נא להשתמש בכפפות, בגדים שרוול ארוך, משקפי משקפיים ניסיוני בכל עת במהלך הניסוי כדי למנוע כל מגע של פתרון הארסן עם העור והעיניים. אם ארסן בא במגע עם כל חלק של גופך, רחץ אותו מיד עם סבון. בנוסף, נא לנקות את הסביבה הניסיונית באופן קבוע כך שאתה ואחרים לא באים במגע עם ארסן, גם כאשר הניסוי אינו מבוצע. הסימפטומים של חשיפת הארסן עשויים להופיע לאחר פרק זמן ארוך. לפני ניקוי הציוד, תחילה לשטוף אותו עם מים נקיים ולהשליך את המים בנפרד לתוך מיכל פסולת ניסיוני המיועד לארסן. ואז, לנקות את הציוד היטב עם כביסה. כדי למנוע זיהום ארסן של הסביבה, נקוט אמצעי זהירות בזמן הסילוק של דגימות ארסן. היפטר מהם בנפרד לתוך מיכלי פסולת ניסיוניים המיועדים לארסן. לאחר ביצוע ניסוי ספיחה או desorption, הג מכילים כמות גבוהה של ארסן. לכן, להיפטר ג'ל בנפרד לפח המיועד לפסולת ניסיוני עבור רק ג'ל המכיל ארסן.

1. סינתזה של DMAPAAQ + FeOOH ג'ל קומפוזיט

1. יבש 2 20 מ"ל מדידת מבחנות ו 2 20 mL כוסות מצויד ברים מגנטיים מעורר.
2. העברת 2.07 g של DMAPAAQ (75%), 0.15 g של n, n '-מתילן ביאקרילאמיד (mbaa), 0.25 g של נתרן סולפיט ו-1.68 g של naoh ל-1 20 מ"ל גביע.
3. מתמוסס את הפתרון לחלוטין במים מזוקקים כמו ' ממס ' ו לערבב אותו 30 דקות עם בר המהומה מגנטית.
4. להעביר את התערובת מן הגביע כדי 1 20 mL מדידה בקבוקון ולהוסיף מים מזוקקים כדי ליצור פתרון 20 mL. סמן את הפתרון כ"פתרון מונומר".
5. באופן דומה, לקחת 0.27 g של אמוניום peroxodisulfate (APS) ו 3.78 g של פוריות₃ בגביע אחר 20 מ ל.
6. מפזר את הפתרון לחלוטין במים מזוקקים וערבוב אותו עבור 30 דקות עם בר מגנטי המהומה.
7. להעביר את התערובת מן הגביע לתוך הבקבוקון 20 מ ל אחר מדידה ולהוסיף מים מזוקקים כדי להלחין פתרון 20 mL. סמן את הפתרון כ"פתרון יוזם".
8. הכן את ההתקנה הניסיונית כמוצג באיור 1.
9. העבר את הפתרונות לתוך ההתאמה 20 mL הפרדת funnels.
10. לטהר את הפתרונות עם N₂ גז עבור 10 דקות.
11. ערבב את הפתרונות יחד, מערבבים אותם במבחנה 50 mL עם מערבב חשמלי, ולאחר מכן מניחים את התערובת לתוך הקשית הנשמרת ב -10 ° c עבור 40 דקות.
12. להוציא את בלוק ג'ל ממבחנה ולמקם אותו על קרש חיתוך שטוח.
13. חותכים את בלוק ג'ל לצורה מעוקב, 5 מ"מ אורך.
14. להשרות את פרוסות ג'ל עם מים מייהים במשך 24 שעות כדי להסיר את זיהומים.
15. לאחר 12 שעות, מחליפים את המים ומשרים שוב את פרוסות הג.
16. מורחים את פרוסות הג לצלחת פטרי ומייבשים אותם בטמפרטורת החדר ל -24 שעות.
17. מניחים את צלחת פטרי עם פרוסות ג'ל בתנור ב-50 ° c עבור 24 שעות.

2. מנתח רגישות ל-pH

1. יבש 9 40 mL מכולות פלסטיק.
2. למדוד 9 20 mg חתיכות ג'ל מיובש ולשים כל אחד מהם בתוך מכולה 40 נפרדת מפלסטיק של mL.
3. הוסף 20 מ ל של 4 מ"מ ניתרן הידרוגנארסנט (Na₂haso₄· 7h₂O) פתרון לכל מכולה.
4. כדי לשלוט על רמות ה-pH, להוסיף 20 מ ל של פתרון NaOH או הפתרון HCL עם ריכוזים שונים (0.1, 0.01, 0.001, 0.0001 M) במיכלים המתאימים כדי לשמור על רמות ה-pH של 2, 6, 8, 10, 12, 13 ולתייג אותם.
5. שמרו את המכלים במערבב ב -20 ° צ' ו 120 סל ד עבור 24 שעות.
6. לאסוף מדגם 5 מ מ מכל מכולה ולמקם כל מדגם בצינור פלסטיק בעזרת מיקרופיפטה.
7. למדוד את pH שיווי משקל עבור כל הדגימות.
8. למדוד את הריכוז הנותר של ארסן בפתרון באמצעות כרומטוגרפיה נוזלית ביצועים גבוהים (בדיקות). השתמש בטור אנליטי (4 x 200 מ"מ), עמודת שמירה (4 x 50 מ"מ) ומשתיק קול של 4 מ"מ עם התנאים הבאים:
   קצב זרימה: 1.5 mL/min;
   כמות של דגימת מוזרק: 10 מ ל;
   טמפרטורת העמודה: 30 ° c;
   פתרון להתחמק: 2.7 mM Na₂CO₃ ו 0.3 mM נחקו₃;
   לחץ משאבה: 2000 psi;
   איתור מוליכות חשמלית: שיטת משתיק קול.
   הערה: השגנו 1 מ ל של המדגם לתוך מזרק 1 mL לשימוש יחיד. המזרק היה יחד עם מסנן קרום מזרק (גודל נקבובית: 0.22 מ"מ, קוטר: 13 מ"מ) כדי דיסקרטית שברי מיקרוסקופיים של ג'ל מן המדגם. כ 0.7 מ ל של המדגם החדירו לתוך הטור. מים מזוקקים הושם לפני תחילת הזרקת הדגימות כמדגם ריק. פסגות המציין את קיומו של ארסן במדגם זוהה ב 13 דקות.
   התראה: לאחר הזרקת המדגם, נא להשאיר את המזרק בראש היניקה של המיבדוק למשך כמעט 2 דקות עם בערך 0.2-0.3 מ ל של דגימה שנותרה בתוכו. בגלל שהאבק והאוויר יכולים לחדור את הטור ולשנות את הדרך שבה הוא עשוי לגרום לתוצאה שגויה.

3. ניסוי ספיחה של ארסן

1. יבש 5 40 mL מכולות פלסטיק.
2. למדוד ולמקם 20 מ"ג של ג'ל מיובש בכל 40 mL מכולה פלסטיק.
3. הוסף 40 mL של ניתרן הידרוארסנט (Na₂haso₄· 7h₂O) פתרון לכל מכולה בריכוזים הבאים: 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2 מ"מ.
4. שמרו את המכלים במערבב ב -20 ° צ' ו 120 סל ד עבור 24 שעות.
5. אספו מדגם של 5 מ"ל מכל מכולה ומניחים בצינור פלסטיק בעזרת מיקרופיפטה.
6. בצע את השלבים 2.8 כדי להעריך את רמות הארסן של שיווי משקל בפתרונות באמצעות הטיפול באמצעות הטיפול

4. ניתוח בסלקטיביות של DMAPAAQ + FeOOH ג'ל

1. יבש 5 40 mL מכולות פלסטיק.
2. מניחים 20 מ"ג ג'ל מיובש בכל אחד 5 40 mL מכולות פלסטיק.
3. הוסף 20 מ ל של 0.4 מ"מ ניתרן הידרופיחה (Na₂haso₄· 7h₂O) פתרון לכל מכולה.
4. הוסף 20 מ ל בריכוזים של 0.5, 1, 2, 5, 10 מ"מ Na₂כל כך₄ לחמשת המכולות.
5. שמרו את המכלים במערבב ב -20 ° צ' ו 120 סל ד עבור 24 שעות.
6. לאסוף מדגם 5 מ מ מכל מיכל ומקום לתוך צינורות פלסטיק נפרדים באמצעות מיקרו-פיפטות.
7. בצע את שלב 2.8 כדי לכמת את הריכוז הנותר של הארסן בפתרון באמצעות הטיפול באמצעות הטיפול באמצעות הטיפול

5. ניתוח שיווי משקל

1. יבש 7 40 mL מכולות פלסטיק.
2. מניחים 20 מ"ג ג'ל מיובש בכל אחד 40 mL מכולות פלסטיק.
3. הוסף 40 mL של 0.2 מ"מ ניתרן הידרוגנארסנט (Na₂haso₄· 7h₂O) פתרון לכל אחד המכולות.
4. שמרו את המכולות במערבב ב -20 ° c ב-120 סל ד למשך המועדים המיועדים.
5. לאסוף 5-mL דוגמאות בצינורות פלסטיק באמצעות micropipettes לאחר 0.5, 1, 3, 7, 11, 24, ו 48 h.
6. בצע את השלבים 2.8 כדי לקבוע את רמת הארסן בשיווי משקל בכל פתרון באמצעות השימוש באמצעות האתר.

6. התחדשות האנליזה

1. ניתוח ספיחה
   1. יבש מיכל פלסטיק 40 mL.
   2. לקחת 20 מ ג ג'ל מיובש ולמקם אותו במיכל פלסטיק 40 mL.
   3. הוסף 40 mL של 0.2 מ"מ ניתרן הידרוגנארסנט (Na₂haso₄· 7h₂O) פתרון למכולה.
   4. השאר את המיכל במערבב ב -20 ° צ' ו 120 סל ד עבור 24 שעות.
   5. אספו מדגם של 5 מ"ל בצינור פלסטיק בעזרת מיקרופיפטה.
   6. התייחס לשלב 2.8 כדי להעריך את רמת הארסן בשיווי משקל בפתרון באמצעות השימוש באמצעות ההתייחסות.
2. ניקוי ג'ל
   1. השג מסננת של רשת שינוי.
   2. בזהירות לאסוף את חתיכות ג'ל אחד בכל פעם, כך שהם לא לשבור ולמקם אותם בתוך מסננת שינוי.
   3. שטפו את הג מספר פעמים (מינימום חמש פעמים) במים מוהים, כך ששאר הארסן על פני הג נשטף.
      התראה: חתיכות ג'ל הן שבירות. טפל בהם בזהירות תוך כביסה והעברתו מפתרון הארסן לפתרון של הנארג.
3. ניתוח הדסורזיה
   1. יבש מיכל פלסטיק 40 mL.
   2. לשים את חתיכות ג'ל משלב 6.2 לתוך מיכל פלסטיק 40 mL.
   3. הוסף 40 mL של הפתרון 0.5 M הנאקל למכולה.
   4. השאר את המיכל במערבב ב -20 ° צ' ו 120 סל ד עבור 24 שעות.
   5. אספו מדגם של 5 מ"ל בצינור פלסטיק בעזרת מיקרופיפטה.
   6. בצע את השלבים 2.8 כדי להעריך את רמת הארסן בשיווי משקל בפתרון באמצעות הטיפול באמצעות הטיפול.
4. חזרה על התהליך
   1. לאחר איסוף ג'ל משלב 6.3, חזור על התהליך ברצף הבא עבור שמונה מחזורים מלאים: 6.2 > 6.1 > 6.2 > 6.3 > 6.2 > 6.1 > 6.2 > 6.3.

תוצאות

איור 1 מתאר את הכיוונון הנסיוני להכנת הדמדאק + feooh. טבלה 1 ממחישה את קומפוזיציות החומרים המעורבים בהכנת ג'ל.

איור 2 מציג את היחס של זמן יצירת קשר עם ספיחה של ארסן על ידי DMAPAAQ + feooh ג'ל. בדמות, כמות הספיחה ...

Discussion

ההתקדמות העיקרית של השיטה המפותחת שלנו היא אסטרטגית העיצוב הייחודית של הג המשולב. מטרת שיטת ההכנה ג'ל שלנו היתה למקסם את כמות התוכן ברזל ג'ל. במהלך ההכנה, הוספנו את ה-"הפתרון היוזם" ואת "פתרון המונומר", בהתאמה. לאחר פתרון המונומר היה מעורבב עם פתרון יוזם, הייתה תגובה בין העונה₃ ו-naoh...

Materials

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