Rimozione dell'arsenico utilizzando un Gel Polimerico Cationico impregnato con idrossido di ferro

Riepilogo

In questo lavoro, abbiamo preparato un adsorben composto dal cationico N,N-dimethylamino propylacrylamide cloruro di metilico quaternario (DMAPAAQ) gel polimerico e idrossido di ferro per l'arsenico di ferro da acque sotterranee. Il gel è stato preparato tramite un nuovo metodo progettato per garantire il massimo contenuto di particelle di ferro nella sua struttura.

Abstract

In questo lavoro, abbiamo preparato un adsorbente composto da un gel polimerico cationico contenente idrossido di ferro nella sua struttura progettata per adsorbenre l'arsenico dalle acque sotterranee. Il gel che abbiamo selezionato era il gel N,N-dimethylamino propylacrylamide cloruro di metile (DMAPAAQ). L'obiettivo del nostro metodo di preparazione era quello di garantire il massimo contenuto di idrossido di ferro nella struttura del gel. Questo approccio progettuale ha permesso l'adsorgo simultaneo sia dalla struttura polimerica del gel che dalla componente idrossido di ferro, migliorando così la capacità di adsorgo del materiale. Per esaminare le prestazioni del gel, abbiamo misurato la cinetica della reazione, effettuato analisi di sensibilità e selettività del pH, monitorato le prestazioni di adsorbimento dell'arsenico e condotto esperimenti di rigenerazione. Abbiamo determinato che il gel subisce un processo di chemisorption e raggiunge l'equilibrio a 10 h. Inoltre, l'arsenico adsorbito di gel efficacemente a livelli di pH neutro e selettivamente in ambienti ionici complessi, ottenendo un volume massimo di assorbimento di 1,63 mM/g. Il gel potrebbe essere rigenerato con efficienza 87.6% e NaCl potrebbe essere utilizzato per la desorption invece di NaOH dannoso. Nel loro insieme, il metodo di progettazione basato su gel è un approccio efficace per la costruzione di adsorbenti arsenico ad alte prestazioni.

Introduzione

L'inquinamento idrico è una grande preoccupazione ambientale, motivando i ricercatori a sviluppare metodi per rimuovere contaminanti come l'arsenico dallo spreco¹. Tra tutti i metodi segnalati, i processi di adsorgosono sono un approccio relativamente basso costo per la rimozione di metalli pesanti^2,3,4,5,6,7. Polveri di ossidride di ferro sono considerati uno degli adsorbenti più efficienti per l'estrazione di arsenico da soluzioni acquose^8,9. Tuttavia, questi materiali soffrono di una serie di inconvenienti, tra cui tempi di saturazione precoce e precursori sintetici tossici. Inoltre, c'è un grave effetto negativo nella qualità dell'acqua quando questi adsorbenti vengono utilizzati per un lungo periodo di tempo¹⁰. Un ulteriore processo di separazione, come la sedimentazione o la filtrazione, è quindi necessario per purificare l'acqua contaminata, che aumenta il costo della produzione ulteriormente^8,11.

Recentemente, i ricercatori hanno sviluppato gel polimerici come idrogel cationici, microgel e criogel che hanno dimostrato proprietà efficienti di adsorbimento. Ad esempio, un tasso di rimozione dell'arsenico del 96% è stato raggiunto dal ceuciolo cationico, poly(3-acrylamidopropyl) trimethyl cloruro di ammonio [p(APTMACl)]¹². Inoltre, a pH 9, circa il 99,7% di efficienza di rimozione è stata raggiunta da questo idrogel cationico¹³. A pH 4, 98,72 mg/g di capacità massima di adsorbizione è stato raggiunto dal microgel, sulla base di tris(2-aminoethyl) amine (TAEA) e etere glyceroldiglyclygyl (GDE), p(TAEA-co-GDE)¹⁴. Anche se questi gel hanno dimostrato buone prestazioni di adsorbimento, non sono riusciti a rimuovere efficacemente l'arsenico dall'acqua a livelli di pH neutri, e le loro separine in tutti gli ambienti studiati non sono stati segnalati¹⁵. Una capacità massima di adsorbimento di 227 mg/g è stata misurata quando Fe(III)-Sn(IV) è stato utilizzato sabbia mista rivestita di ossido binario a una temperatura di 313 K e un pH di 7¹⁶. In alternativa, anche la sabbia rivestita di ossido binario di Fe-zr (I-BOCS) è stata utilizzata per rimuovere l'arsenico e ha raggiunto una capacità massima di assorbemento di 84,75 mg/g a 318 K e un pH di 7¹⁷. Altri adsorbenti segnalati soffrono di basse prestazioni di adsorvanizione, mancanza di riciclabilità, bassa stabilità, elevati costi operativi e di manutenzione, e l'uso di sostanze chimiche pericolose nel processo di sintesi⁴.

Abbiamo cercato di affrontare i limiti di cui sopra sviluppando un materiale con migliori prestazioni di adsorbizione, alta selettività in ambienti complessi, capacità di riciclaggio e attività efficiente a livelli di pH neutro. Pertanto, abbiamo sviluppato un composito di gel cationico di N,N-dimethylamino propylacmide meticolo cilride quaternario (DMAPAAQ) gel e ferro (III) particelle di idrossiride (FeOOH) come adsorbento per la rimozione dell'arsenico. Abbiamo scelto di combinare FeOOH con il nostro gel perché FeOOH aumenta l'adsorbimento di entrambe le forme di arsenico¹⁸. In questo studio, il nostro composito gel è stato progettato per essere non poroso ed è stato impregnato con FeOOH durante la preparazione. Nella sezione successiva, vengono discussi ulteriormente i dettagli del metodo di preparazione del gel, inclusa la nostra strategia per massimizzare il contenuto di FeOOH.

Protocollo

PROCEDIMENTO: L'arsenico è estremamente tossico. Si prega di utilizzare guanti, abiti a maniche lunghe e occhiali sperimentali in ogni momento durante l'esperimento per evitare qualsiasi contatto di soluzione arsenica con la pelle e gli occhi. Se l'arsenico entra in contatto con qualsiasi parte del corpo, lavalo immediatamente con sapone. Inoltre, si prega di pulire regolarmente l'ambiente sperimentale in modo che voi e gli altri non entriate in contatto con l'arsenico, anche quando l'esperimento non viene eseguito. I sintomi dell'esposizione all'arsenico possono comparire dopo un lungo periodo di tempo. Prima di pulire l'apparecchiatura, risciacquarla con acqua pulita e smaltire separatamente l'acqua in un contenitore di rifiuti sperimentale destinato all'arsenico. Quindi, pulire bene l'attrezzatura con il detersivo. Per prevenire la contaminazione dell'arsenico dell'ambiente, prendere precauzioni durante lo smaltimento di campioni di arsenico. Smaltirli separatamente in contenitori sperimentali destinati all'arsenico. Dopo l'esperimento di adsorbimento o di desorption, i gel contengono una grande quantità di arsenico. Pertanto, smaltire i gel separatamente in un bidone dei rifiuti sperimentale designato per i soli gel contenenti arsenico.

1. Sintesi del gel composito DMAPAAQ-FeOOH

1. Asciugare due flaconi di misura da 20 ml e due becher da 20 mL dotati di barre magnetiche di agitazione.
2. Trasferire 2,07 g di DMAPAAQ (75%), 0,15 g di N,N'-bisacrilamina di metilene (MBAA), 0,25 g di solfato di sodio e 1,68 g di NaOH a un becher da 20 ml.
3. Sciogliere la soluzione in acqua distillata come "solvente" e mescolarla per 30 min con una barra magnetica.
4. Trasferire la miscela dal becher a un flacone di misura da 20 ml e aggiungere acqua distillata per generare una soluzione da 20 mL. Etichettare la soluzione come "soluzione monomera".
5. Allo stesso modo, prendere 0,27 g di peroxodisulfate di ammonio (APS) e 3,78 g di FeCl₃ in un altro becher da 20 mL.
6. Sciogliere completamente la soluzione in acqua distillata e mescolare per 30 min con una barra di stirazione magnetica.
7. Trasferire la miscela dal becher ad un altro flacone di misura da 20 ml e aggiungere acqua distillata per comporre una soluzione da 20 mL. Etichettare la soluzione come "soluzione di infasere".
8. Preparare l'installazione sperimentale come illustrato nella Figura 1.
9. Trasferire le soluzioni nei rispettivi imbuti di separazione di 20 mL.
10. Svuotare le soluzioni con N₂ gas per 10 min.
11. Mescolare le soluzioni, mescolare in una provetta da 50 mL con un frullatore elettrico, quindi mettere il composto in un refrigeratore mantenuto a 10 gradi centigradi per 40 min.
12. Estrarre il blocco gel dalla provetta e posizionarlo su un tagliere piatto.
13. Tagliare il blocco gel in una forma cubica, 5 mm di lunghezza.
14. Immergere le fette di gel con acqua de-ionizzata per 24 h per rimuovere le impurità.
15. Dopo 12 h, sostituire l'acqua e immergere nuovamente le fette di gel.
16. Stendere le fette di gel su un piatto Petri e asciugarle a temperatura ambiente per 24 ore.
17. Mettere la piastra Petri con le fette di gel in forno a 50 gradi centigradi per 24 ore.

2. analisi della sensibilità al pH

1. Asciugare nove contenitori di plastica da 40 ml.
2. Misurare nove 20 mg di gel essiccato e metterli ciascuno di essi in un contenitore di plastica separato da 40 ml.
3. Aggiungete a ciascun contenitore 20 mL di eptaidrato all'idrogeno al disodio a idrogeno (Na₂HAsO₄x 7H₂O).
4. Per controllare i livelli di pH, aggiungere 20 mL di soluzione NaOH o soluzione HCL con concentrazioni diverse (0.1, 0.01, 0.001, 0.0001 M) nei rispettivi contenitori per mantenere i livelli di pH di 2, 6, 8, 10, 12, 13 ed etichettarli.
5. Tenere i contenitori in amicoltore a 20 e 120 giri/min per 24 h.
6. Raccogliere un campione di 5 mL da ogni contenitore e posizionare ogni campione in un tubo di plastica utilizzando una micropipetta.
7. Misurare il pH di equilibrio per tutti i campioni.
8. Misurare la concentrazione rimanente di arsenico nella soluzione utilizzando una cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC). Utilizzare una colonna analitica (4 x 200 mm), una colonna di protezione (4 x 50 mm) e un soppressore da 4 mm con le seguenti condizioni:
   Portatato: 1,5 mL/min;
   Quantità di campione iniettato: 10 mL;
   Temperatura della colonna: 30 gradi centigradi;
   Soluzione eluente: 2,7 mM Na₂CO₃ e 0,3 mM NaHCO₃;
   Pressione della pompa: 2000 psi;
   Rilevamento di conduttività elettrica: metodo soppressore.
   NOTA: Abbiamo procurato 1 mL del campione in una siringa monouso da 1 mL. La siringa è stata accoppiata con un filtro a membrana della siringa (dimensione del poro: 0,22 mm, diametro: 13 mm) per discretizzare i frammenti microscopici del gel dal campione. Circa 0,7 mL di campione è stato instillato nella colonna. L'acqua distillata è stata infusa prima dell'inizio dell'iniezione dei campioni come campione vuoto. Picchi che denotano l'esistenza di arsenico nel campione è stato rilevato a 13 min.
   AVVISO: Dopo aver iniettato il campione, lasciare la siringa nella testa di aspirazione di HPLC per quasi 2 min con circa 0,2-0,3 mL di campione rimanente. Perché la polvere e l'aria potrebbero penetrare nella colonna e alterarne l'abilità, che probabilmente si tradurrà in un esito errato.

3. Esperimento di adsortizione

1. Asciugare cinque contenitori di plastica da 40 ml.
2. Misurare e mettere 20 mg di gel essiccato in ogni contenitore di plastica da 40 ml.
3. Aggiungere 40 mL di eptaidrato idrogeno disonistano (Na₂HAsO₄e 7H₂O) soluzione ad ogni contenitore alle seguenti concentrazioni: 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2 mM.
4. Tenere i contenitori in amicoltore a 20 e 120 giri/min per 24 h.
5. Raccogliere un campione di 5 mL da ogni contenitore e mettere in un tubo di plastica utilizzando una micropipetta.
6. Seguire il passaggio 2.8 per valutare i livelli di arsenico di equilibrio nelle soluzioni utilizzando HPLC.

4. Analisi di selettività del gel DMAPAAQ-FeOOH

1. Asciugare cinque contenitori di plastica da 40 ml.
2. Mettere 20 mg di gel essiccato in ciascuno dei cinque contenitori di plastica da 40 ml.
3. Aggiungere 20 mL di una soluzione di eptaidrata idrogenataidrogenatadissodio da 0,4 mm a ogni contenitore.
4. Aggiungere 20 mL a concentrazioni di 0,5, 1, 2, 5, 10 mM Na₂SO₄ ai cinque contenitori.
5. Tenere i contenitori in amicoltore a 20 e 120 giri/min per 24 h.
6. Raccogliere un campione di 5 mL da ogni contenitore e posizionarlo in tubi di plastica separati utilizzando micropipette.
7. Seguire il passaggio 2.8 per quantificare la concentrazione rimanente di arsenico nella soluzione utilizzando HPLC.

5. Analisi del tasso di equilibrio

1. Asciugare sette contenitori di plastica da 40 ml.
2. Mettere 20 mg di gel essiccato in ciascuno dei contenitori di plastica da 40 ml.
3. Aggiungere 40 mL di una soluzione di eptaidrata idrogenatadissodio da0,2 mm a ciascuno dei contenitori.
4. Tenere i contenitori in amitrice a 20 gradi centigradi a 120 giri/min per la durata dei loro tempi designati.
5. Raccogliere 5 campioni mL in tubi di plastica utilizzando micropipette dopo 0,5, 1, 3, 7, 11, 24 e 48 h.
6. Seguire il passaggio 2.8 per determinare il livello di arsenico di equilibrio in ogni soluzione utilizzando HPLC.

6. Analisi della rigenerazione

1. Analisi degli annunci
   1. Asciugare un contenitore di plastica da 40 ml.
   2. Prendere 20 mg di gel essiccato e metterlo nel contenitore di plastica da 40 ml.
   3. Aggiungere al contenitore al contenitore 40 mL di una soluzione di eptaidrataidrogenato dissodio da 0,2 mm.
   4. Tenere il contenitore nel colittore a 20 e 120 giri/min per 24 ore.
   5. Raccogliere un campione di 5 mL in un tubo di plastica utilizzando una micropipetta.
   6. Fare riferimento al passaggio 2.8 per valutare il livello dell'arsenico di equilibrio nella soluzione utilizzando HPLC.
2. Pulizia del gel
   1. Ottenere un setaccio mesh.
   2. Raccogliere con attenzione i pezzi di gel uno alla volta in modo che non si rompano e metterli nel setaccio maglia.
   3. Lavare il gel più volte (minimo cinque volte) utilizzando acqua de-ionizzata in modo che l'arsenico rimanente sulla superficie del gel venga lavato via.
      AVVISO: I pezzi di gel sono fragili. Maneggiarli con cura durante il lavaggio e il loro trasferimento dalla soluzione arsenica alla soluzione NaCl.
3. Analisi del disindo
   1. Asciugare un contenitore di plastica da 40 ml.
   2. Mettere i pezzi di gel dal passo 6.2 in un contenitore di plastica da 40 ml.
   3. Aggiungere al contenitore 40 mL di una soluzione NaCl da 0,5 M.
   4. Tenere il contenitore nel colittore a 20 e 120 giri/min per 24 ore.
   5. Raccogliere un campione di 5 mL in un tubo di plastica utilizzando una micropipetta.
   6. Seguire il passaggio 2.8 per valutare il livello dell'arsenico di equilibrio nella soluzione utilizzando HPLC.
4. Ripetizione del processo
   1. Dopo aver raccolto il gel dal passo 6.3, ripetere il processo nella seguente sequenza per otto cicli completi: 6.2 > 6.1 > 6.2 > 6.3 > 6.2 > 6.1 > 6.1 > 6.2 > 6.3 > 6.3.

Risultati

Figura 1 descrive la configurazione sperimentale per la preparazione del gel DMAPAAQ-FeOOH. La tabella 1 illustra le composizioni dei materiali coinvolti nella preparazione del gel.

Figura 2 mostra la relazione del tempo di contatto con l'adsorbimento di arsenico dal gel DMAPAAQ-FeOOH. Nella figura, la quantità di adsorbidimenti di arsenico è stata es...

Discussione

Il principale progresso del nostro metodo sviluppato è l'esclusiva strategia di progettazione del gel composito. Lo scopo del nostro metodo di preparazione del gel era quello di massimizzare la quantità di contenuto di ferro nel gel. Durante la preparazione, abbiamo aggiunto FeCl₃ e NaOH rispettivamente alla "soluzione di initiator" e alla "soluzione monomer". Una volta che la soluzione monomer è stata mescolata con la soluzione di iniziatore, c'è stata una reazione tra FeCl₃ e NaOH, producendo ...

Materiali

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