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要約

本研究では、地下水からヒ素を吸着するカチオン性N、N-ジメチルアミノプロピラクリラアミドメチル塩化メチル塩化メチル(DMAPAAQ)ポリマーゲルと水酸化鉄からなる吸着剤を用意した。ゲルは、その構造内の鉄粒子の最大含有量を確保するように設計された新しい方法を介して調製されました。

要約

本研究では、地下水からヒ素を吸着するように設計された構造で水酸化鉄を含むカチオン性ポリマーゲルからなる吸着剤を用意した。選択したゲルは、N,N-ジメチルアミノプロピラクリラアミドメチル塩化メチル(DMAPAAQ)ゲルであった。我々の調製方法の目的は、ゲルの構造における水酸化鉄の最大含有量を確保することにあった。この設計アプローチにより、ゲルのポリマー構造と水酸化鉄成分の両方による同時吸着が可能となり、材料の吸着能力が高まり、材料の吸着能力が高まり、材料の吸着能力が向上しました。ゲルの性能を調べるために、反応動態を測定し、pH感度と選択性分析を行い、ヒ素吸着性能を監視し、再生実験を行った。ゲルは化学吸収プロセスを経て、10時間で平衡に達すると判断した。さらに、ゲルは中性pHレベルで効果的にヒ素を吸着し、複雑なイオン環境で選択的に、1.63 mM/gの最大吸着容積を達成した。ゲルは87.6%の効率で再生することができ、NaClは有害なNaOHの代わりに脱着に使用することができる。一緒に、提示されたゲルベースの設計方法は、高性能ヒ素吸着剤を構築するための効果的なアプローチです。

概要

水質汚染は環境に大きな懸念を抱き、ヒ素などの汚染物質を廃棄物から除去する方法を開発する動機付けとなっています1。報告されたすべての方法の中で、吸着プロセスは、重金属除去2、3、4、5、6、7のための比較的低コストのアプローチである。オキシ水酸化鉄粉末は、水溶液8,9からヒ素を抽出するための最も効率的な吸着剤の一つであると考えられている。それでも、これらの材料は、初期の飽和時間および有毒な合成前駆体を含む多くの欠点に苦しんでいる。さらに、これらの吸着剤を長期間使用すると水質に深刻な悪影響があります10.堆積または濾過などの追加の分離プロセスは、汚染された水を浄化するために必要とされ、これはさらに8、11の生産コストを増加させる。

近年、カチオン性ヒドロゲル、ミクロゲル、クライオゲルなどのポリマーゲルを開発し、効率的な吸着性を実証しています。例えば、カチオン性クライオゲルにより96%のヒ素除去率が達成され、ポリ(3-アクリルミドプロピル)トリメチル塩化アンモニウム[p(APTMACl)]12。さらに、pH9では、このカチオン性ヒドロゲル13により約99.7%の除去効率が達成された。pH4では、最大ヒ素吸着能力の98.72mg/gがマイクロゲルによって達成され、トリス(2-アミノエチル)アミン(TAEA)およびグリセロルディグリシジルエーテル(GDE)、p(TAEA-co-GDE)14に基づいて達成された。これらのゲルは良好な吸着性能を示したが、中性pHレベルで水からヒ素を効果的に除去することができず、すべての研究環境における選択性は15であった。Fe(III)-Sn(IV)混合バイナリ酸化物被覆砂を313Kの温度と716のpHで使用した場合、227mg/gの最大吸着容量を測定した。あるいは、Fe-Zrバイナリ酸化物被覆砂(IZBOCS)もヒ素を除去するために使用され、318 Kで84.75 mg/gの最大吸着能力および717のpHを達成した。他の報告された吸着剤は、低い吸着性能、リサイクル性の欠如、低安定性、高い運用および維持コスト、および合成プロセス4における有害化学物質の使用に苦しんでいます。

ヒ素吸着性能の向上、複雑な環境での高い選択性、リサイクル能力、中性pHレベルでの効率的な活性を備えた材料を開発することで、上記の限界に対処しようとしました。そこで、ヒ素除去の吸着剤として、N、N-ジメチルラミノプロピラクリラミドメチル塩化メチル塩化メチル(DMAPAAQ)ゲル及び鉄(III)水酸化物(FeOOH)粒子のカチオンゲル複合材料を開発した。FeOOHは両方の形態のヒ素18の吸着を増加させるので、FeOOHと私たちのゲルを組み合わせることを選びました。本研究では、当社のゲル複合材料は非多孔質であることを設計し、調製中にFeOOHを含浸させた。次のセクションでは、FeOOHの含有量を最大化するための戦略を含むゲル調製方法の詳細についてさらに説明します。

プロトコル

注意:ヒ素は非常に有毒です。実験中は常に手袋、長袖衣類、実験用ゴーグルを使用し、皮膚や目にヒ素溶液が接触するのを防ぎます。ヒ素が体の一部に接触した場合は、すぐに石鹸で洗ってください。また、実験が行われていない場合でも、あなたと他の人がヒ素に接触しないように、定期的に実験環境をクリーンアップしてください。ヒ素暴露の症状は、長い時間の後に現れることがあります。設備を清掃する前に、まずきれいな水で洗い流し、ヒ素に指定された実験廃棄物容器に別々に水を処分してください。その後、洗剤で機器をよくきれいにします。環境のヒ素汚染を防ぐために、ヒ素サンプルを処分しながら予防措置を講じます。ヒ素に指定された実験廃棄物容器に別々に処分する。吸着または脱着実験が行われた後、ゲルは多量のヒ素を含有する。従って、ヒ素含有ゲルのみの指定実験廃棄物ビンに別々にゲルを処分する。

1. DMAPAAQ+FeOOHゲル複合材料の合成

  1. 2つの20 mL測定フラスコと磁気攪拌棒を装備した20 mLビーカーを2つ乾燥させます。
  2. DMAPAAQの2.07g(75%)、N、N'-メチレンビサクリラム化物(MBAA)の0.15g、亜硫酸ナトリウムの0.25g、NaOHの1.68gを1つの20mLビーカーに移す。
  3. 蒸留水に完全に溶かし「溶剤」として溶かし、磁気攪拌バーで30分間撹拌します。
  4. ビーカーから1つの20 mL測定フラスコに混合物を移し、蒸留水を加えて20mL溶液を生成します。溶液に「モノマー溶液」としてラベルを付けます。
  5. 同様に、別の20 mLビーカーで0.27gのペルロキソジスルフェート(APS)とFeCl3の3.78gを取ります。
  6. 溶液を蒸留水に完全に溶かし、磁気攪拌バーで30分間撹拌します。
  7. ビーカーから別の20 mL測定フラスコに混合物を移し、蒸留水を加えて20mL溶液を構成する。ソリューションに「イニシエータ ソリューション」としてラベルを付けます。
  8. 図 1に示すように、実験セットアップを準備します。
  9. 溶液をそれぞれの20 mL分離ファネルに移します。
  10. N2ガスで溶液を 10 分間パージします。
  11. 溶液を一緒に混ぜ、電気攪拌機で50 mL試験管でそれらを攪拌し、その後40分間10°Cで維持された冷却器に混合物を置きます。
  12. 試験管からゲルブロックを取り出し、平らなまな板の上に置きます。
  13. ゲルブロックを立方体の形に切り、長さ5mm。
  14. ゲルスライスを24時間脱イオン水で浸し、不純物を除去します。
  15. 12時間後、水を交換し、再びゲルスライスを浸します。
  16. ゲルスライスをペトリ皿に広げ、室温で24時間乾燥させます。
  17. 24時間50°Cでオーブンにゲルスライスとペトリ皿を置きます。

2. pH感度分析

  1. 乾燥した9つの40 mLプラスチック容器。
  2. 9つの20mgの乾燥したゲル片を測定し、それぞれを別々の40 mLプラスチック容器に入れます。
  3. 4mMの水素ナトリウムヘプタハイドレート(Na2 HAsO4~7H2O)溶液を各容器に20mL添加する。
  4. pHレベルを制御するには、異なる濃度(0.1、0.01、0.001、0.0001 M)のNaOH溶液またはHCL溶液の20 mLを各容器に追加し、pHレベルを2、6、8、10、12、13に維持し、ラベルを付けます。
  5. 容器は20°C、120rpmは24時間で撹拌機に入れたままにしておきます。
  6. 各容器から5mLのサンプルを収集し、マイクロピペットを使用してプラスチックチューブに各サンプルを配置します。
  7. すべてのサンプルの平衡pHを測定します。
  8. 高性能液体クロマトグラフィー(HPLC)を用いて溶液中のヒ素の残量を測定する。分析カラム (4 x 200 mm)、ガードカラム (4 x 50 mm) および 4 mm サプレッサーを次の条件で使用します。
    流量:1.5メートルL/分。
    注入されたサンプルの量: 10 mL;
    カラム温度: 30 °C;
    溶出液:2.7 mM Na2CO3および0.3 mM NaHCO3;
    ポンプ圧力:2000 psi;
    電気伝導度検出:サプレッサー法。
    注:1 mLの単一使用注射器にサンプルの1 mLを調達しました。注射器をシリンジ膜フィルター(細孔サイズ:0.22mm、直径:13mm)と組み合わせて、サンプルからゲルの微細断片を離散させる。約0.7mLの試料をカラムに注入した。蒸留水は、サンプルをブランク試料として注入する開始前に注入した。試料中のヒ素の存在を示すピークは13分で検出された。
    注意:サンプルを注入した後、HPLCの吸引ヘッドに注射器を約2分間放置し、約0.2~0.3mLのサンプルが残っています。ほこりや空気が柱を貫通し、その熟達を変える可能性があるため、誤った結果をもたらす可能性があります。

3. ヒ素吸着実験

  1. 乾燥5 40 mLプラスチック容器。
  2. 各40 mLプラスチック容器に乾燥ゲル20mgを測定し、配置します。
  3. 次の濃度で各容器に40 mLの水素水素二原ヘプタヒドレート(Na2 HAsO 4~7H2O)溶液を加えます:0.1、0.2、0.5、1、2mM。
  4. 容器は20°C、120rpmは24時間で撹拌機に入れたままにしておきます。
  5. 各容器から5mLのサンプルを収集し、マイクロピペットを使用してプラスチックチューブに入れます。
  6. ステップ 2.8 に従って、HPLC を使用した溶液の平衡ヒ素レベルを評価します。

4. DMAPAAQ+FeOOHゲルの選択性分析

  1. 乾燥5 40 mLプラスチック容器。
  2. 5つの40 mLプラスチック容器のそれぞれに乾燥ゲルの20mgを置きます。
  3. 0.4mMの水素ナトリウムヘプタヒドレート(Na2 HAsO4~7H2O)溶液を各容器に20mL添加する。
  4. 0.5、1、2、5、10 mMNa 2SO4の濃度で20 mLを5つの容器に加えます。
  5. 容器は20°C、120rpmは24時間で撹拌機に入れたままにしておきます。
  6. 各容器から5mLのサンプルを収集し、マイクロピペットを使用して別々のプラスチックチューブに配置します。
  7. ステップ2.8に従って、HPLCを使用して溶液中のヒ素の残りの濃度を定量化します。

5. 均衡率分析

  1. 乾燥7 40 mLプラスチック容器。
  2. 40mLのプラスチック容器のそれぞれに乾燥ゲルの20mgを置きます。
  3. 0.2mMの水素ナトリウムヘプタヒドレート(Na2 HAsO4~7H2O)溶液の40mLを各容器に添加する。
  4. 指定された時間の間、120 rpmで20 °Cで攪拌機の容器を保管してください。
  5. 0.5、1、3、7、11、24、48時間後にマイクロピペットを使用してプラスチックチューブに5 mLサンプルを収集します。
  6. ステップ 2.8 に従って、HPLC を使用して各溶液の平衡ヒ素レベルを決定します。

6. 再生解析

  1. 吸着分析
    1. 40 mLのプラスチック容器を乾燥させます。
    2. 乾燥したゲルを20mg取り、40mLのプラスチック容器に入れます。
    3. 0.2mm水素水素水素化水素化水素ヒデロンヘプタハイドレート(Na2HAsO4~7H2O)溶液の40mLを容器に添加する。
    4. 容器は20°C、120rpmで24時間撹拌機に入れます。
    5. マイクロピペットを使用してプラスチックチューブに5 mLサンプルを収集します。
    6. HPLCを用いて溶液中の平衡ヒ素レベルを評価するには、ステップ2.8を参照してください。
  2. ゲルのクリーニング
    1. メッシュふるいを取得します。
    2. ゲル片を一つずつ慎重に回収し、壊れ、メッシュふるいに入れないようにします。
    3. ゲルの表面に残っているヒ素が洗い流されるように、脱イオン水を使用してゲルを数回(最低5回)洗い流します。
      注意:ゲル片は壊れやすい。ヒ素溶液からNaCl溶液に洗浄し、転送しながら、注意してそれらを処理します。
  3. 脱着解析
    1. 40 mLのプラスチック容器を乾燥させます。
    2. ステップ6.2のゲル片を40mLのプラスチック容器に入れます。
    3. 0.5 M NaCl 溶液の40 mLを容器に追加します。
    4. 容器は20°C、120rpmで24時間撹拌機に入れます。
    5. マイクロピペットを使用してプラスチックチューブに5 mLサンプルを収集します。
    6. ステップ 2.8 に従って、HPLC を使用して溶液中の平衡ヒ素レベルを評価します。
  4. プロセスの繰り返し
    1. ステップ 6.3 からゲルを収集した後、次の 8 つの完全なサイクルでプロセスを繰り返します: 6.2 > 6.1 > 6.3 > 6.2 > 6.1 > 6.2 > 6.3 > 6.3.

結果

図1は、DMAPAAQ+FeOOHゲルの調製のための実験セットアップについて説明する。表1は、ゲルの調製に関与する材料の組成物を示す。

図2は、DMAPAAQ+FeOOHゲルによるヒ素の吸着との接触時間の関係を示す。図では、ヒ素の吸着量を0.5、1、3、7、11、24、48時間で調べた。結果?...

ディスカッション

私たちの開発された方法の主な進歩は、ゲル複合材料のユニークな設計戦略です。ゲル調製法の目的は、ゲル中の鉄分含有量を最大化することにした。準備中に、FeCl3と NaOH をそれぞれ「イニシエータソリューション」と「モノマー溶液」に追加しました。モノマー溶液をイニシエータ溶液と混合すると、FeCl3とNaOHの間に反応があり、ゲル内でFeOOHを産生した。この現象は、?...

開示事項

著者は何も開示していない。

謝辞

本研究は、JSPS KAKENHI助成金番号(26420764,JP17K06892)の支援を受けています。国土交通省「建設技術研究開発助成事業」に対する国土交通省の本研究への貢献も認められています。 また、本研究への千本清隆氏の貢献も認めます。広島大学ライティングセンターシニアライティングアドバイザーフェローのアデール・ピトケアス氏も、英語の訂正や提案を認めています。本研究は、第7回IWA-Aspireカンファレンス、2017年、2018年水・環境技術会議で発表されました。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
N,N’-dimethylamino propylacrylamide, methyl chloride quaternary (DMAPAAQ) (75% in H2O)KJ Chemicals Corporation, Japan150707
N,N’-Methylene bisacrylamide (MBAA)Sigma-Aldrich, USA1002040622
Sodium sulfite (Na2SO3)Nacalai Tesque, Inc., Japan31922-25
Sodium sulfate (Na2SO4)Nacalai Tesque, Inc., Japan31916-15
Di-sodium hydrogenarsenate heptahydrate(Na2HAsO4.7H20)Nacalai Tesque, Inc., Japan10048-95-0
Ferric chloride(FeCl3)Nacalai Tesque, Inc., Japan19432-25
Sodium hydroxide(NaOH)Kishida Chemicals Corporation, Japan000-75165
Ammonium peroxodisulfate (APS)Kanto Chemical Co. Inc., Japan907W2052
Hydrochloric acid (HCl)Kanto Chemical Co. Inc., Japan18078-01
Sodium Chloride (NaCl)Nacalai Tesque, Inc., Japan31320-05

参考文献

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