Autori
Contattaci

Accedi

È necessario avere un abbonamento a JoVE per visualizzare questo. Accedi o inizia la tua prova gratuita.

In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

Questo articolo presenta un nuovo e conveniente percorso per sintetizzare materiale composito di zeolite di tipo Fe2O3 / faujasite (FAU) dalla terra rossa. I parametri di sintesi dettagliati sono stati finemente sintonizzati. Il materiale composito ottenuto può essere utilizzato per un'efficiente bonifica delle acque contaminate da metalli pesanti, indicando le sue potenziali applicazioni nell'ingegneria ambientale.

Abstract

L'acqua inquinata da metalli pesanti è fonte di grande preoccupazione per la salute umana e l'ambiente ecologico. Le tecniche di bonifica delle acque in situ rese possibili da materiali di adsorbimento altamente efficienti sono di grande importanza in queste circostanze. Tra tutti i materiali utilizzati nella bonifica delle acque, i nanomateriali a base di ferro e i materiali porosi sono di grande interesse, beneficiando della loro ricca funzione di reattività redox e adsorbimento. Qui, abbiamo sviluppato un protocollo facile per convertire direttamente il suolo rosso ampiamente diffuso nel sud della Cina per fabbricare il materiale composito di zeolite di tipo Fe2O3 / faujasite (FAU).

La procedura di sintesi dettagliata e i parametri di sintesi, come la temperatura di reazione, il tempo di reazione e il rapporto Si/Al nelle materie prime, sono stati accuratamente regolati. I materiali compositi sintetizzati mostrano una buona capacità di adsorbimento per i tipici ioni di metalli pesanti (loid). Con 0,001 g/mL di materiale composito di zeolite di tipo Fe2O3/FAU aggiunto a diverse soluzioni acquose inquinate da metalli pesanti (loid) (concentrazione di singolo tipo di metallo pesante (loid): 1.000 mg/L [ppm]), la capacità di adsorbimento è risultata essere 172, 45, 170, 40, 429, 693, 94 e 133 mg/g per Cu (II), Cr (III), Cr (VI), Come (III), Cd (II), Pb (II), Zn (II) e Ni (II), rispettivamente, che possono essere ulteriormente ampliati per la bonifica dell'acqua inquinata da metalli pesanti e del suolo.

Introduzione

I metalli pesanti (loid) provenienti da attività antropiche e naturali sono onnipresenti nell'aria, nell'acqua e nell'ambiente del suolo1. Sono ad alta mobilità e tossicità, e rappresentano un potenziale rischio per la salute umana per contatto diretto o attraverso il trasporto della catena alimentare2. L'acqua è vitale per la vita degli esseri umani poiché è la materia prima di ogni famiglia. Ripristinare la salute dell'acqua è fondamentale. Pertanto, è di grande importanza ridurre la mobilità e la biodisponibilità dei metalli pesanti tossici (loid) nell'acqua. Per mantenere una buona salute nell'acqua, i materiali di bonifica dell'acqua, come il biochar, i materiali a base di ferro e la zeolite, svolgono un ruolo essenziale nell'immobilizzare o rimuovere metalli pesanti (loid) da ambienti acquosi 3,4,5.

Le zeoliti sono materiali altamente cristallini con pori e canali unici nelle loro strutture cristalline. Sono composti da TO4 tetraedri (T è l'atomo centrale, di solito Si, Al o P) collegati da atomi O condivisi. La carica superficiale negativa e gli ioni scambiabili nei pori lo rendono un adsorbente popolare per la cattura ionica, che è stato ampiamente utilizzato nell'acqua inquinata da metalli pesanti e nella bonifica del suolo. Beneficiando delle loro strutture, i meccanismi di bonifica coinvolti nella rimozione dei contaminanti da parte delle zeoliti includono principalmente il legame chimico6, l'interazione elettrostatica superficiale7 e lo scambio ionico8.

La zeolite di tipo Faujasite (FAU) ha pori relativamente grandi, con un diametro massimo dei pori di 11,24 Å. Mostra alta efficienza e ampie applicazioni per la rimozione dei contaminanti 9,10. Negli ultimi anni, ricerche approfondite si sono dedicate allo sviluppo di routine verdi e a basso costo per la sintesi della zeolite, come l'utilizzo di rifiuti solidi industriali11 come materia prima per fornire fonti di silicio e alluminio o l'adozione di ricette senza agenti direttivi12. I rifiuti solidi industriali alternativi segnalati che possono essere fonti di silicio e alluminio includono ganga di carbone13, ceneri volanti 11, setacci molecolari di scarto 14, rifiuti minerari e metallurgici 15, suolo abbandonato dall'ingegneria 8 e suolo agricolo6, ecc.

Qui, la terra rossa, un materiale ricco di silicio e alluminio abbondante e facilmente ottenibile, è stata adottata come materia prima, ed è stato sviluppato un approccio di chimica verde facile per la sintesi di materiale composito zeolite di tipo Fe2O3 / FAU (Figura 1). I parametri di sintesi dettagliati sono stati finemente sintonizzati. Il materiale sintetizzato mostra un'elevata capacità di immobilizzazione per la bonifica dell'acqua contaminata da metalli pesanti. Il presente studio dovrebbe essere istruttivo per i ricercatori correlati che sono interessati a questo settore per utilizzare il suolo come materia prima per la sintesi di eco-materiali.

Protocollo

1. Raccolta e trattamento delle materie prime

  1. Collezione di terra rossa
    1. Raccogli la terra rossa. Rimuovere lo strato superiore di 30 cm del terreno contenente piante e materia organica residua.
      NOTA: In questo esperimento, la terra rossa è stata raccolta nel campus della Southern University of Science and Technology (SUSTech), Shenzhen, Guangdong, Cina (113°59' E, 22°36' N).
  2. Trattamento del suolo rosso
    1. Asciugare all'aria il terreno rosso raccolto a temperatura ambiente e filtrarlo attraverso un setaccio a 30 maglie. Rimuovere la maggior parte delle grandi pietre e foglie. Misurare la concentrazione di metalli pesanti (loid) (Tabella 1) nel suolo rosso con spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS)16 per assicurarsi che non vi sia inquinamento indesiderato introdotto.
      NOTA: Si consiglia un setaccio con piccoli fori poiché pochi oggetti di grandi dimensioni non contenenti silicio o alluminio saranno presenti nella materia prima. Qui, un setaccio a 30 maglie è sufficiente per trattare la materia prima in questo esperimento.

2. Sintesi della zeolite di tipo Fe2O3/FAU

  1. Preparazione della polvere di miscela alcalina
    1. Pesare 5 g di terra rossa pretrattata, 1 g di SiO2 e 7,63 g di NaOH e aggiungerli a una malta di agata naturale. Macinarli per 2-3 minuti in una polvere fine. Assicurarsi che l'umidità relativa in laboratorio sia del 65% -72%.
      NOTA: Fare attenzione al tempo di macinazione poiché NaOH è molto igroscopico. Può facilmente assorbire l'acqua dall'atmosfera dell'aria. Una polvere alcalina mediamente umida è cruciale per la fase successiva dell'esperimento. Il tempo di macinazione è legato all'umidità in laboratorio.
  2. Fusione/attivazione alcalina
    1. Trasferire la miscela alcalina in un rivestimento del reattore in teflon da 100 ml senza rivestimento esterno in acciaio inossidabile. Riscaldare in forno a 200 °C per 1 h.
      NOTA: Lo scopo di questo passo è quello di utilizzare la base forte NaOH per attivare il legame Si-O e il legame Al-O17 in modo che gli atomi di Al, Si e O si ricompongano per formare la zeolite alluminosilicato desiderata.
  3. Preparazione del precursore della zeolite
    1. Aggiungere 60 ml di acqua deionizzata nel rivestimento del reattore in teflon contenente la miscela alcalina attivata. Aggiungere un agitatore delle dimensioni appropriate e agitare la miscela a 600 giri/min sull'agitatore magnetico per 3 ore a 25 °C. Attendere che si formi un gel omogeneo come precursore della zeolite18.
  4. Cristallizzazione
    1. Trasferire il gel omogeneo in un'autoclave di acciaio inossidabile da 100 ml e riscaldare il gel in forno a 100 °C per 12 ore. Attendere che il forno si raffreddi a temperatura ambiente seguendo il programma di raffreddamento predefinito per aprire lo sportello del forno ed estrarre l'autoclave.
      NOTA: L'autoclave genera alta pressione ad alte temperature per aumentare il processo di cristallizzazione. Attendere sempre che raggiunga la temperatura ambiente per evitare un'esplosione generata da alta pressione.
  5. Lavare più volte la zeolite ottenuta con acqua deionizzata fino a quando il pH della soluzione è vicino a 7. Utilizzare una centrifuga per separare il solido e il liquido e raccogliere il solido sul fondo della provetta da centrifuga da 50 ml. Infine, asciugare il prodotto ottenuto per 8 h in un forno a 80 °C e macinarlo in polvere fine per la successiva caratterizzazione.
  6. Caratterizzazione
    1. Acquisire il risultato dello spettrometro a fluorescenza a raggi X (XRF) per il suolo rosso (Figura 2). Viene utilizzato per misurare con precisione la concentrazione di elementi inorganici del suolo19.
    2. Acquisire il file di informazioni sui cristalli (CIF) di Fe2O3 dall'Inorganic Crystal Structure Database (ICSD). Acquisire il file CIF della zeolite di tipo FAU dal Database of Zeolite Structures.
      NOTA: Mercury e Materials Studio (MS) possono essere utilizzati come strumenti di visualizzazione della struttura cristallina. In questo lavoro, Mercurio è stato utilizzato per la visualizzazione della struttura Fe2O 3 e MS è stato utilizzato per la zeolite di tipo FAU (Figura 3).
    3. Acquisire un pattern di diffrazione a raggi X in polvere (PXRD) per confermare la fase del materiale composito di zeolite di tipo Fe2O3/FAU sintetizzato (Figura 4)20. Confrontalo con il modello PXRD simulato di Fe2O3 e zeolite di tipo FAU utilizzando il software JADE 6.5.
      NOTA: Il software Mercury sviluppato dal Cambridge Crystallographic Data Centre (CCDC) è in grado di calcolare il modello PXRD basato sul file CIF dei materiali standard ottenuti dall'ICSD, il più grande database al mondo per strutture cristalline inorganiche completamente identificate.
    4. Acquisire un'immagine di microscopia elettronica a scansione (SEM) (Figura 5) per confermare la morfologia20.
    5. Acquisire la mappatura della spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) (Figura 6) per determinare la composizione chimica6.
      NOTA: Rispetto alla mappatura SEM-EDS, la mappatura TEM-EDS può rilevare basse quantità di composizione elementare.

3. Esperimento di adsorbimento in batch

  1. Preparare 50 ml di 1.000 ppm di soluzioni acquose Cu (II), Cr (III), Cr (VI), As (III), Cd (II), Pb (II), Zn (II) e Ni (II). Notare il pH di ciascuna soluzione.
  2. Aggiungere 50 mg di zeolite a ciascuna soluzione di metalli pesanti (loid). Regolare finemente il pH della soluzione della miscela con 0,1 M HCl o 0,1 M NaOH. Mescolare la miscela a 600 giri/min per 48 h a 25 °C.
    NOTA: Ogni ione metallo pesante (loid) ha un intervallo di pH stabile senza precipitazione di idrossido metallico. Regolare il pH della soluzione miscelata finale a un intervallo di pH in modo che la diminuzione della concentrazione di metalli pesanti (loid) possa essere attribuita alle prestazioni della zeolite.
  3. Regolare il pH delle soluzioni miste finali di Cu (II), Cr (III), Cr (VI), As (III), Cd (II), Pb (II), Zn (II) e Ni (II) rispettivamente a 4,2, 3,9, 6,4, 7,8, 5,8, 5,2, 5,7 e 6,4.
  4. Filtrare le soluzioni miscelate attraverso membrane da 0,22 μm. Diluirli 1.000x aggiungendo una soluzione HNO3 al 2%. Misurare le concentrazioni residue di metalli pesanti (loid) (Figura 6) con spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS)16, con un intervallo di test da 0,001 ppm a 1 ppm. Vedere la tabella 2 per i parametri operativi ICP-MS.

Risultati

La figura 1 illustra il percorso di sintesi complessivo della zeolite basato sulla strategia "suolo per la bonifica del suolo"6. Con un semplice percorso privo di organici, la terra rossa può essere convertita in materiale composito zeolite di tipo Fe2O3 / FAU senza aggiungere alcuna fonte di Fe o Al. Il materiale composito di zeolite sintetizzato presenta un'eccellente capacità di rimozione per la bonifica delle acque inquinate da metalli pesa...

Discussione

La zeolite è tipicamente un materiale alluminosilicato. In teoria, i materiali ricchi di silicato e alluminato possono essere scelti come materie prime per la sintesi della zeolite. Il rapporto Si/Al della materia prima deve essere simile a quello del tipo selezionato di zeolite per ridurre al minimo l'utilizzo di fonti aggiuntive di silicio/alluminio 6,8,16. Il rapporto Si/Al della zeolite di tipo FAU è 1,2 e il rapporto Si/A...

Divulgazioni

Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.

Riconoscimenti

Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente dai fondi di scienze naturali per il giovane studioso distinto della provincia del Guangdong, Cina, n. 2020B151502094; National Natural Science Foundation of China, No. 21777045 e 22106064; Fondazione della Commissione per la scienza, la tecnologia e l'innovazione di Shenzhen, Cina, JCYJ20200109141625078; Progetto di innovazione giovanile 2019 delle università e dei college del Guangdong, Cina, n. 2019KQNCX133 e un fondo speciale per la strategia di innovazione scientifica e tecnologica della provincia del Guangdong (PDJH2021C0033). Questo lavoro è stato sponsorizzato dallo Shenzhen Key Laboratory of Interfacial Science and Engineering of Materials (No. ZDSYS20200421111401738), Guangdong Provincial Key Laboratory of Soil and Groundwater Pollution Control (2017B030301012) e State Environmental Protection Key Laboratory of Integrated Surface Water-Groundwater Pollution Control. In particolare, riconosciamo il supporto tecnico delle strutture di ricerca SUSTech Core.

Materiali

NameCompanyCatalog NumberComments
Chemicals
Cadmium nitrate tetrahydrateShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDC102676AR, 99%. Make 1,000 ppm  stock solution for the test of adsorption performance of zeolite.
Chromium(III) nitrate nonahydrateShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDC116446AR, 99%. Make 1,000 ppm  stock solution for the test of adsorption performance of zeolite.
Copper sulfate pentahydrateShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDC112396AR, 99%. Make 1,000 ppm  stock solution for the test of adsorption performance of zeolite.
Lead nitrateShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDL112118AR, 99%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite.
Nickel nitrate hexahydrateShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDN108891AR, 98%. Make 1,000 ppm  stock solution for the test of adsorption performance of zeolite.
Nitric acidShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDN116238AR, 69.2%. Used as solvent in ICP-MS test.
Potassium dichromateShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDP112163AR, 99.8%. Make 1,000 ppm  stock solution for the test of adsorption performance of zeolite.
Silicon dioxideShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDS116482AR, 99%. For synthesis of zeolite.
Sodium (meta)arseniteSigma-aldrichS7400-100GAR, 90%. Make 1,000 ppm stock solution for the test of adsorption performance of zeolite.
Sodium hydroxideShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDS111502Pellets. For the synthesis of zeolite.
Zinc nitrate hexahydrateShanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTDZ111703AR, 99%. Make 1,000 ppm  stock solution for the test of adsorption performance of zeolite.
Equipment
Air-dry ovenShanghai Yiheng Technology Instrument Co.,LTD.DHG-9075AUsed for hydrothermal crystallization and drying of sample
Analytical balanceSartorius Scientific Instruments Co.LTDBSA224S-CWUsed for weighing samples
Centrifuge tubesNantong Supin Experimental Equipment Co., LTD
High speed centrifugeHunan Xiang Yi Laboratory Instrument Development Co.,LTDH1850Used for separation of solid and liquid samples
Multipoint magnetic stirrerIKA Equipment Co.,LTD.RT15Used for stirring samples
OscillatorChangzhou Guohua Electric Appliances Co.,LTD.SHA-BFor uniform mixing of samples
Syringe-driven filterTianjin Jinteng Experimental Equipment Co.,LTD.0.22 μm. For filtration.
Softwares
JADE 6.5Materials Data& (MDI)
MercuryCambridge Crystallographic Data Centre (CCDC)
Materials StudioAccelrys Software Inc.
Websites
Database of Zeolite Structures: http://www.iza-structure.org/databases/
ICSD: https://icsd.products.fiz-karlsruhe.de/en

Riferimenti

  1. Qin, G., et al. Soil heavy metal pollution and food safety in China: Effects, sources and removing technology. Chemosphere. 267, 129205 (2021).
  2. Xu, D. M., Fu, R. B., Liu, H. Q., Guo, X. P. Current knowledge from heavy metal pollution in Chinese smelter contaminated soils, health risk implications and associated remediation progress in recent decades: A critical review. Journal of Cleaner Production. 286, 124989 (2021).
  3. Dong, X., Ma, L. Q., Li, Y. Characteristics and mechanisms of hexavalent chromium removal by biochar from sugar beet tailing. Journal of Hazardous Materials. 190 (1-3), 909-915 (2011).
  4. El-Mekkawi, D. M., Selim, M. M. Removal of Pb2+ from water by using Na-Y zeolites prepared from Egyptian kaolins collected from different sources. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2 (1), 723-730 (2014).
  5. Perego, C., Bagatin, R., Tagliabue, M., Vignola, R. Zeolites and related mesoporous materials for multi-talented environmental solutions. Microporous and Mesoporous Materials. 166, 37-49 (2013).
  6. Zheng, R., et al. Converting loess into zeolite for heavy metal polluted soil remediation based on "soil for soil-remediation" strategy. Journal of Hazardous Materials. 412, 125199 (2021).
  7. Cheng, Y., et al. Feasible low-cost conversion of red mud into magnetically separated and recycled hybrid SrFe12O19@NaP1 zeolite as a novel wastewater adsorbent. Chemical Engineering Journal. 417, 128090 (2021).
  8. Yang, D., et al. Remediation of Cu-polluted soil with analcime synthesized from engineering abandoned soils through green chemistry approaches. Journal of Hazardous Materials. 406, 124673 (2021).
  9. Song, W., Li, G., Grassian, V. H., Larsen, S. C. Development of improved materials for environmental applications: Nanocrystalline NaY zeolites. Environmental Science & Technology. 39 (5), 1214-1220 (2005).
  10. Cheng, H., Reinhard, M. Sorption of trichloroethylene in hydrophobic micropores of dealuminated Y zeolites and natural minerals. Environmental Science & Technology. 40 (24), 7694-7701 (2006).
  11. Rayalu, S. S., Bansiwal, A. K., Meshram, S. U., Labhsetwar, N., Devotta, S. Fly ash based zeolite analogues: Versatile materials for energy and environment conservation. Catalysis Surveys from Asia. 10 (2), 74-88 (2006).
  12. Borel, M., et al. SDA-free hydrothermal synthesis of high-silica ultra-nanosized zeolite Y. Crystal Growth & Design. 17 (3), 1173-1179 (2017).
  13. Jin, Y., Li, L., Liu, Z., Zhu, S., Wang, D. Synthesis and characterization of low-cost zeolite NaA from coal gangue by hydrothermal method. Advanced Powder Technology. 32 (3), 791-801 (2021).
  14. Huiyu, S., Weiming, L., Zheng, Z. Current situation of comprehensive utilization of waste industrial molecular sieve and agricultural rice husk. Liaoning Chemical Industry. 49 (12), 1555 (2020).
  15. Azizi, D., et al. Microporous and macroporous materials state-of-the-art of the technologies in zeolitization of aluminosilicate bearing residues from mining and metallurgical industries: A comprehensive review. Microporous and Mesoporous Materials. 318, 111029 (2021).
  16. Yang, D., et al. Transferring waste red mud into ferric oxide decorated ANA-type zeolite for multiple heavy metals polluted soil remediation. Journal of Hazardous Materials. 424, 127244 (2022).
  17. Kirdeciler, S. K., Akata, B. One pot fusion route for the synthesis of zeolite 4A using kaolin). Advanced Powder Technology. 31 (10), 4336-4343 (2020).
  18. Rubtsova, M., et al. Nanoarchitectural approach for synthesis of highly crystalline zeolites with a low Si/Al ratio from natural clay nanotubes. Microporous and Mesoporous Materials. 330, 111622 (2022).
  19. Setthaya, N., Chindaprasirt, P., Pimraksa, K. Preparation of zeolite nanocrystals via hydrothermal and solvothermal synthesis using of rice husk ash and metakaolin. Materials Science Forum. 872, 242-247 (2016).
  20. Belviso, C., et al. Red mud as aluminium source for the synthesis of magnetic zeolite. Microporous and Mesoporous Materials. 270, 24-29 (2018).
  21. Zhao, Y., et al. Removal of ammonium from wastewater by pure form low-silica zeolite Y synthesized from halloysite mineral. Separation Science and Technology. 45 (8), 1066-1075 (2010).
  22. Meng, Q., Chen, H., Lin, J., Lin, Z., Sun, J. Zeolite A synthesized from alkaline assisted pre-activated halloysite for efficient heavy metal removal in polluted river water and industrial wastewater. Journal of Environmental Sciences (China). 56, 254-262 (2017).
  23. Wang, X., et al. Synthesis of substrate-bound Au nanowires via an active surface growth mechanism. Journal of Visualized Experiments. (137), e57808 (2018).
  24. Asundi, A. S., et al. Understanding structure-property relationships of MoO3-promoted Rh catalysts for syngas conversion to alcohols. Journal of the American Chemical Society. 141 (50), 19655-19668 (2019).
  25. Zhu, Q., et al. Solvent-free crystallization of ZSM-5 zeolite on SiC foam as a monolith catalyst for biofuel upgrading. Chinese Journal of Catalysis. 41 (7), 1118-1124 (2020).
  26. Ghrear, T. M. A., et al. low-pressure, low-temperature microwave synthesis of ABW cesium aluminosilicate zeolite nanocatalyst in organotemplate-free hydrogel system. Materials Research Bulletin. 122, 110691 (2020).

Ristampe e Autorizzazioni

Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE

Richiedi Autorizzazione

Esplora altri articoli

Scienze ambientalinumero 184

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Riservatezza

Condizioni di utilizzo

Politiche

Contattaci

SUGGERISCI JOVE ALLA BIBLIOTECA

Newsletter di JoVE

Ricerca

Didattica

Autori

Personale delle biblioteche

CHI SIAMO

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Tutti i diritti riservati