Um método eficiente para dessalinização seletiva de iodo radioativo ânions usando filtro de membrana incorporado de nanopartículas de ouro

Resumo

Um método eficiente para a rápida e íon seletivo dessalinização de iodo radioativo em várias soluções aquosas é descrito usando filtros de membrana de acetato de celulose imobilizada de nanopartículas de ouro.

Resumo

Aqui, demonstramos um protocolo de detalhe para a preparação de membranas compostas incorporado nanomateriais e sua aplicação para a remoção eficiente e íon seletivo de iodines radioativos. Por meio de nanopartículas de ouro citrato-estabilizado (diâmetro médio: 13 nm) e membranas de acetato de celulose, ouro, membranas de acetato de celulose de nanopartículas-incorporado (Au-CAM) facilmente tem sido fabricadas. Os nano-adsorventes na Au-CAM foram altamente estáveis na presença de alta concentração de sais inorgânicos e moléculas orgânicas. Íons em soluções aquosas de iodeto rapidamente poderiam ser capturados por esta membrana projetada. Através de um processo de filtração, usando uma unidade de filtro contendo Au-CAM, eficiência de remoção excelente (> 99%), bem como íon seletivo resultado de dessalinização foi alcançado em um curto espaço de tempo. Além disso, Au-CAM prevista uma boa reutilização sem diminuição significativa de suas performances. Estes resultados sugeriram que a tecnologia presente usando a membrana híbrido projetada será um processo promissor para a descontaminação em grande escala de iodo radioativo de resíduos líquidos.

Introdução

Há várias décadas, enorme quantidade de resíduos radioactivos líquidos foi gerada por reactores nucleares, instalações de pesquisa e instituições médicas. Esses poluentes foram frequentemente uma ameaça palpável para o meio ambiente e saúde humana^1,2,3. Especialmente, o iodo radioativo é reconhecido como um dos elementos mais perigosos devido a acidentes de usina nuclear. Por exemplo, um ambiente um relatório sobre o Fukushima e Chernobyl reator nuclear demonstrou que a quantidade de lançado iodines radioativos incluindo ¹³¹eu (t_1/2 = 8,02 dias) e ¹²⁹eu (t_1/2 = 15,7 milhões de anos) para o ambiente era maior do que aqueles de outros radionuclídeos^4,5. Em particular, a exposição destes radioisótopos resultou em alta absorção e enriquecimento na tiroide humana⁶. Além disso, iodines radioativos liberados podem causar grave contaminação do solo, água do mar e das águas subterrâneas devido à sua alta solubilidade em água. Portanto, muitos processos de remediação usando vários Adsorventes inorgânicos e orgânicos têm sido investigados para capturar iodines radioativos em resíduos aquosos^{7,8,9,10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20}. apesar de extensos esforços têm se dedicado ao desenvolvimento de sistemas avançados de adsorvente, o estabelecimento de um método de descontaminação mostrando performances satisfatórias sob condição de em fluxo contínua era muito limitado. Recentemente, nós relatamos um processo de dessalinização novela mostrando a eficiência de remoção boa, íon-seletividade, sustentabilidade e reutilização usando materiais de compósito nano híbrido de nanopartículas de ouro (AuNPs)^{21,22 , 23}. entre eles, membranas de ouro embutido de nanopartículas de acetato de celulose (Au-CAM) facilitaram a dessalinização altamente eficiente de íons iodeto sob um sistema de fluxo contínuo em comparação com aqueles de materiais adsorventes existentes. Além disso, todo o processo poderia ser terminado em um curto período de tempo, que foi outra vantagem para o tratamento de resíduos nucleares gerados a partir de pós-uso em aplicações médicas e industriais. O objetivo geral do presente manuscrito é fornecer um protocolo passo a passo para a preparação de Au-CAM²⁴. Também demonstramos que um processo de filtração rápida e conveniente para íon-seletivo captura de iodo radioativo usando as membranas compostas projetadas. O protocolo detalhado neste relatório oferecerá uma aplicação útil dos nanomateriais no campo de pesquisa de ciências ambientais.

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Protocolo

1. síntese de nanopartículas de ouro citrato-estabilizada

1. Lave um balão de fundo redondo de dois-pescoço (250 mL) e uma barra de agitação magnética com água régia, uma mistura de ácido clorídrico concentrado e ácido nítrico concentrado na proporção de 3:1 volume.
   Cuidado: solução de água régia é extremamente corrosiva e pode resultar em explosão ou pele queima se não for tratada com extrema cautela.
2. Lavagem do material de vidro com água desionizada para remover o ácido residual em solução aquosa.
3. Adicionar 120 mL de solução de Ácido cloroáurico (HAuCl₄, 1mm) ao balão de fundo redondo de dois-pescoço (250 mL) e aquecê-lo ao refluxo sob constante agitação.
4. Adicionar 12 mL de solução de citrato de sódio tribásico (35mm) rapidamente para o balão de fundo redondo de dois-pescoço e a mistura resultante por mais 20 min para a redução completa do ouro sal de refluxo.
5. Permitir que a suspensão coloidal de nanopartículas (vermelho profundo) para esfriar até a temperatura de quarto.
6. Medir a concentração das nanopartículas de ouro (AuNPs) com espectroscopia UV-vis no comprimento de onda de 520 nm (coeficiente de extinção de 2.8 x 10⁸) utilizando uma cubeta de quartzo (1 cm de comprimento de caminho).
7. Adicionar uma gota de suspensão de AuNPs para um grid cobre revestido carbono (400 mesh) e secar à temperatura ambiente. Medir o tamanho do AuNPs com microscopia eletrônica de transmissão (TEM).
8. Manter a suspensão de nanopartículas de ouro coloidal a 4 ° C.

2. preparação da membrana híbrido (Au-CAM)

1. Preparação do filtro de membrana incorporado de nanopartículas de ouro através de uma seringa
   1. Lave a uma membrana de acetato de celulose (tamanho de poros: 0,45 μm, diâmetro: 25mm) apoiado por uma unidade de filtro com água destilada (10ml) por três vezes.
   2. Retirar 10 mL de citrato-estabilizado AuNPs (10 nM) com uma seringa estéril (20 mL) e adicioná-lo lentamente em um filtro de membrana de pre-lavado de acetato de celulose (Figura 1).
   3. Lave a unidade de filtração com 10 mL de água desionizada três vezes para remover AuNPs não-imobilizadas.
      Nota: AuNPs imobilizados na membrana de acetato de celulose são altamente estáveis, e, portanto, Au-CAM pode ser armazenado sob condição ambiente durante várias semanas sem a perda de suas propriedades químicas ou estabilidade.
2. Preparação do filtro de membrana de nanopartículas de ouro pela bomba de vácuo
   1. Coloque a membrana de acetato de celulose (tamanho de poros: 0,45 μm, diâmetro: 47 mm) entre um filtro espacador vidro suporte (diâmetro: 40 mm) e um funil graduado (300 mL).
   2. Conectar uma unidade combinada do suporte vidro fritado e graduado funil para um balão de recuperar (500 mL) e uma bomba de vácuo.
   3. Adicionar 10 mL de citrato-estabilizado AuNPs (10 nM) para o graduado funil e depois aplicar o vácuo até que todos os AuNPs são passados através da membrana de acetato de celulose (aproximadamente 20 s).
   4. Repita o mesmo procedimento (etapa 2.2.3) do outro lado da membrana para imobilizar o AuNPs em ambos os lados da membrana.
   5. Analisar a superfície do Au-CAM usando microscópio eletrônico de varredura (MEV) sob as condições de alta performance com as tensões de aceleração até 15 kV (Figura 2d).
      Nota: Para verificar a estabilidade de nanopartículas na Au-CAM em uma condição de sal elevada, a membrana composta foi imerso em solução de NaCl 1,0 M para 2 h, e então a inspeção visual foi realizada para confirmar a estabilidade da Au-CAM.

3. adsorção de iodo radioativo usando Au-CAM em um sistema de lote

1. Diluir o iodo radioativo ([¹²⁵eu] NaI, 2,2 MBq) em 3 mL de água pura, 1,0 M NaCl ou 10 nM NaI e adicionar cada solução em uma placa de Petri (50 mm diâmetro × 15 mm de altura).
   Cuidado: O iodo radioativo oxidado pode ser volátil e deve ser manuseado com escudos de chumbo adequada e leva os frascos. Todos radioquímicos etapas devem ser executadas em uma capa de filtro de carvão bem ventilada, e os procedimentos experimentais precisam ser monitorados por detectores de radioatividade.
2. Coloque o Au-CAM, que é preparado usando um filtro de vácuo em soluções de iodo radioativo e agite-os em temperatura ambiente.
3. Retirar o prato de Petri de 10 μL da solução de iodo radioativo em dado tempo pontos (0, 5, 10, 30, 60, 120 min) e medir a radioatividade da alíquota usando γ-contador automático.
4. Enxágue com água purificada a Au-CAM após 120 min e em seguida medir a quantidade de radioactividade capturada na membrana usando γ-contador automático (Figura 3).

4. dessalinização de iodo radioativo sob condição de em fluxo contínuo

1. Remoção de ânions de iodo radioativo (¹²⁵eu^–) usando um filtro de Au-CAM
   1. O iodo radioativo (3,7 MBq), dissolva em 50 mL de água pura, PBS 1x, 1,0 M NaCl, 0.1 M NaOH, 0.1 M HCl, 10mm CsCl, 10mm SrCl₂, sintética urina ou água do mar.
   2. Retirar com uma seringa estéril (50 mL)-50 mL de cada solução e passar através da unidade de filtro de Au-CAM a uma taxa de fluxo de cerca de 1,5 mL/s usando uma bomba de seringa (Figura 1).
   3. Transferi 5 mL do filtrado para um tubo de plástico para quantificar a radioatividade na solução.
   4. Medir a quantidade de radioatividade residual na solução filtrado usando γ-contador automático (Figura 4).
2. Teste de reutilização do filtro de Au-CAM
   1. Dissolva o iodo radioativo em um sintética urina ou água do mar (3,7 MBq/50 mL).
   2. Retirar-se 50 mL de solução com uma seringa estéril (50 mL) e adicioná-lo à unidade de filtro de Au-CAM a uma taxa de fluxo de cerca de 1,5 mL/s usando uma bomba de seringa.
   3. Repita o mesmo procedimento de filtração (etapa 4.2.2) para sete vezes usando uma única unidade de filtro de Au-CAM.
   4. Transferi 5 mL do filtrado para um tubo de plástico para quantificar a radioatividade na solução.
   5. Medir a quantidade de radioatividade em sete soluções filtrado usando γ-contador automático.

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Resultados

Temos demonstrado métodos simples para a fabricação de Au-CAM utilizando citrato-estabilizado AuNPs e acetato de celulose da membrana (Figura 1um). A superfície do Au-CAM foi observada por SEM que mostrou que os nanomateriais foram incorporados estàvel nas nanofibras de celulose (Figura 2). As nanopartículas encarceradas na membrana foram sustentadas estàvel e não foram liberadas pela membrana por lavagem...

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Discussão

Em anos recentes, vários nanomateriais engenharia e membranas foram desenvolvidas para remover metais radioactivos perigosos e metais pesados na água com base na sua funcionalidade específica na adsorção técnicas^{25,26, 27 , 28 , 29 , 30 , 31 , 32}

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Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Hydrochloric acid	DUKSAN	1129
Nitric acid	JUNSEI	37335-1250
Chloroautic chloride trihydrate (HAuCl4·3H2O)	Sigma Aldrich	254169
Sodium citrate tribasic dihydrate	Sigma Aldrich	71402
[125I]NaI	Perkin-Elmer	NEZ033A010MC
Sodium chloride	Sigma Aldrich	S9888
Sodium iodide	Sigma Aldrich	383112
Sodium hydroxide	Sigma Aldrich	S5881
Lithium L-lactate	Sigma Aldrich	L2250	Synthetic urine
Citric acid	Sigma Aldrich	C1909	Synthetic urine
Sodium hydrogen carbonate	JUNSEI	43305-1250	Synthetic urine
Urea	Sigma Aldrich	U1250	Synthetic urine
Calcium chloride	JUNSEI	18230-0301	Synthetic urine
Magnesium sulfate	SAMCHUN	M0146	Synthetic urine
Potassium dihydrogen phosphate	JUNSEI	84185A1250	Synthetic urine
Dipotassium hydrogen phosphate	JUNSEI	84120-1250	Synthetic urine
Sodium sulfate	JUNSEI	83260-1250	Synthetic urine
Ammonium chloride	Sigma Aldrich	A9434	Synthetic urine
Sea water	Sigma Aldrich	S9148
1x PBS	Thermo	SH30256.01
Cellulose acetate membranes (pore size: 0.20 μm, diameter: 25 mm)	Advantec MFS	25CS045AS
Cellulose acetate membranes (pore size: 0.20 μm, diameter: 47 mm)	Advantec MFS	C045A047A
47 mm Glass Microanalysis Holders	Advantec MFS	KG47(311400)
Petri dish (50 mm diameter ´ 15 mm height)	SPL	10050
Gamma counter	Perkin-Elmer	2480 WIZARD2	Model number
UV-vis spectrophotometer	Thermo	GENESYS 10	Model number
Transmission electron microscopy	Hitachi	H-7650	Model number
Field Emission Scanning electron microscope	FEI	Verios 460L	Model number