Двойной функциональный электроактивный фильтр к одновременно Sb (III) Окисления и секвестрации

Резюме

Сообщается о протоколе рационального проектирования двухфункционального электроактивного фильтра, состоящего из углеродных нанотрубок и титановых нанопроводов, и представлены их экологические применения в отношении окисления и секвестра Sb (III).

Аннотация

Мы разработали поверхностный метод синтеза двухфункционального электрохимического фильтра, состоящего из двух 1-D материалов: титановых нанопроводов и углеродных нанотрубок. Гибридный титанат-CNT фильтр был подготовлен с помощью звуковой станции в сочетании с постфильтрационным маршрутом. Из-за синергетического воздействия увеличенного числа открытых мест поглощения, электрохимической реактивности, небольшого размера пор титановой сети CNT в сочетании с сквозной конструкцией, одновременное окисление и секвестрирование Sb (III) может быть легко Достигнуто. Технология атомного флуоресценции спектрометра показала, что прикладное электрическое поле ускоряет коэффициент конверсии Sb (III), а полученный Sb (V) был эффективно адсорбирован титановыми нанопроводами из-за их специфики Sb. Этот протокол обеспечивает практическое решение для удаления высокотоксичных Sb (III) и других подобных ионов тяжелых металлов.

Введение

В последнее время загрязнение окружающей среды, вызванное возникающими сурьмы (Sb) привлекла большое внимание^1,2. Обширные исследования показывают, что соединения Sb представляют высокую токсичность для человека и микроорганизмов, хотя и присутствуют в низких концентрациях в окружающей среде^3,4. Еще хуже, обычные физико-химические или биологические методы, как правило, неэффективны для удаления этих новых загрязняющих веществ из-за их низкой концентрации и высокой токсичности⁵. Наиболее распространенными видами Sb являются Sb (V) и Sb (III), из которых последняя форма является более токсичной.

Среди доступных в настоящее время методов лечения, адсорбция считается перспективной и осуществимой альтернативой из-за его высокой эффективности, низкой стоимости и простоты^6,7. До сих пор, несколько наноразмерных сорбентов с tunable микроструктур, большой конкретной площади поверхности и Sb специфичность были разработаны, такие как TiO₂⁸, MnO₂⁹, титанат¹⁰, нулевой железа¹¹, оксидов железа и других бинарных оксидов металла^12,13. Распространенной проблемой при работе с наномасштабными адсорбентами является проблема после разделения из-за их небольшого размера частиц. Одна из стратегий для решения этой проблемы заключается в том, чтобы загрузить эти нано-сорбенты на макро /микро-масштаб поддерживает¹⁴. Другой сложный вопрос, ограничивающий широкое применение технологии адсорбции является плохой массовый транспорт, вызванный ограниченной концентрацией целевых соединений / молекул¹⁵. Этот вопрос может быть частично решен путем принятия мембранного дизайна и конвенции может значительно расширить массовый транспорт. Последние усилия были направлены на разработку передовых систем лечения, которые сочетают адсорбцию и окисление в одном блоке для эффективного удаления Sb (III). Здесь мы покажем, как электроактивный титанат-углеродный нанотрубки (титанат-CNT) фильтр был рационально разработан и применен для одновременного адсорбции и поглощения токсичных Sb (III). Путем тонкой настройки титанового количества погрузки, прикладного напряжения и скорости потока мы демонстрируем, как скорость окисления Sb (III) и эффективность секвестра могут быть соответствующим образом адаптированы. Хотя изготовление и применение электроактивного фильтра показано в этом протоколе, аналогичные конструкции могут также применяться к обработке других ионов тяжелых металлов.

Незначительные изменения в процессе изготовления и реагентов могут привести к значительным изменениям в морфологии и производительности конечной системы. Например, гидротермическое время, температура и химическая чистота, как было показано, влияют на микроструктуры этих наномасштабных адсорбентов. Скорость потока решения адсорббата также определяет время проживания в системе, а также эффективность удаления целевых соединений. При четком определении этих ключевых влияющих параметров можно обеспечить протокол воспроизводимого синтеза и обеспечить стабильную эффективность удаления Sb (III). Этот протокол направлен на предоставление подробного опыта по изготовлению двухфункциональных гибридных фильтров, а также их применения к удалению токсичных ионов тяжелых металлов в потоке через образом.

протокол

ВНИМАНИЕ: Пожалуйста, внимательно прочитайте соответствующие листы данных безопасности (SDS) всех химических веществ и носите надлежащее оборудование для личной защиты (PPE) перед использованием. Некоторые химические вещества являются токсичными и раздражающими. Будьте осторожны при обращении с углеродными нанотрубками, которые могут иметь дополнительные опасности при вдыхании или контакте с кожей.

1. Подготовка электроактивного титанат-CNT-фильтра

1. Приготовление титановых нанопроводов¹⁶
   1. Растворите 56 г гидроксида калия (KOH) в 100 мл деионизированной воды под энергичным перемешиванием.
   2. Добавьте 3 г диоксида титана (TiO₂) порошка в растворенный растворKO растворенный раствор.
   3. Перенесите вышеуказанный раствор в реактор, облицованный тефлоном, и держите его при 200 градусах по Цельсию в течение 24 ч.
   4. Вымойте полученный белый осадок с 0,1 мол / л соляной кислоты (HCl) и деионизированной воды до тех пор, пока нейтральные сточные воды рН не получены. Сушите продукт под вакуумом при 60 градусах Цельсия в течение ночи.
   5. Перенесите продукты в трубчатую печь и нагрейте до 600 градусов по Цельсию в течение 2 ч со скоростью рампы 1 кв/мин.
2. Приготовление титанового фильтра¹⁷
   1. Добавьте 20 мг углеродных нанотрубок (CNT) в 40 мл n-метилпиролидона (NMP). Зонд-звукование в течение 40 мин для получения однородного раствора.
   2. Отдельно добавьте 20 мг титановых нанопроводов в 20 мл NMP. Выполните зонд-звукование в течение 20 минут.
   3. Смешайте титановый раствор дисперсии с раствором дисперсии CNT. Фильтр раствор смеси на мембрану PTFE, которая служит в качестве поддержки титанового фильтра CNT.
   4. Последовательно промыть 100 мл этанола и 200 мл деионизированной воды.
      ПРИМЕЧАНИЕ: ФИЛЬТР, не связанный с CNT, может быть подготовлен по аналогичному маршруту без добавления титановых нанопроводов.

2. Электрохимическая фильтрация Sb (III)

1. Описание экспериментального аппарата¹⁸
   1. Проведите эксперименты по сорбции в электрохимии модифицированной поликарбонатной фильтрации корпуса (см. рисунок 1).
   2. Используйте блок питания постоянного тока для привода электрохимии.
   3. Принять перфорированное титановое кольцо в качестве разъема для анодических или катодных фильтров.
   4. Используйте изоляционную силиконовую резину в качестве сепаратора и уплотнения.
2. Эксперименты по фильтрации
   1. Добавьте 2,2 мг C₈H₄K₂O₁₂Sb₂.3H₂O в 1000 мл деионизированной воды для подготовки 800 мкг/L Sb (III) раствора.
   2. Передача 100 мл раствора Sb (III) на стакан 150 мл. Отрегулируйте раствор pH до 7.
   3. Поместите как подготовленный титанат-CNT фильтр анод в поликарбонатфильтрационный корпус фильтрации и поместите другой CNT-один фильтр в качестве катода. Печать корпуса.
   4. Пройдите через систему фильтрации с помощью решения Sb (III) при данном потоке. При нанесении напряжения постоянного тока во время фильтрации.
   5. Определить_общую концентрацию Sb и Sb (III) с помощью метода атомного флуоресценции спектрометр¹⁷.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В этом процессе скорость потока и прикладное напряжение могут быть настроены перистальтический насос и блок питания постоянного тока, соответственно.

Результаты

Используемый электроактивный фильтрационный аппарат представляет собой электрохимически модифицированный поликарбонатный фильтрационный корпус(рисунок 1). Для характеристики морфологии титанового-CNT-фильтра(рисунок 2)используются методы сканирован...

Обсуждение

Ключом к этой технологии является изготовление электроактивного проводящего и пористого гибридного фильтра с высокой Sb-специфической. Для этого особое удовобожено процессу изготовления. Количество титановых нанопроводов необходимо точно контролировать из-за эффекта «торговли» меж...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Atomic fluorescence spectrometer	Ruili Co., Ltd
Carbon nanotubes (CNT)	TimesNano Co., Ltd
DC power supply	Dahua Co., Ltd
Ethanol, 96%	Sinopharm
Hydrochloric acid, 36%	Sinopharm		Corrosive
L-antimony potassium tartrate	Sigma-Aldrich		Highly toxic
N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), 99.5%	Sinopharm		Highly toxic
Potassium hydroxide, 85%	Sinopharm		Corrosive
Peristaltic pump	Ismatec Co., Ltd
Titanium dioxide powders	Sinopharm