Name: a dual-functional electroactive filter towards simultaneously sb(iii) oxidation and sequestration
Uploaded: 2019-12-05T14:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Dual-Functional Electroactive Filter Towards Simultaneously SbIII Oxidation and Sequestration at JoVE.com

Questo lavoro è stato sostenuto dalla Natural Science Foundation di Shanghai, Cina (n. 18-R1401000), dal programma Shanghai Pujiang (n. 18PJ1400400) e dal National Key Research and Development Program of China (n. 2018YFF0215703).

INFORMATIVA: Si prega di leggere attentamente le schede tecniche di sicurezza (SDS) pertinenti di tutte le sostanze chimiche e di indossare adeguate attrezzature di protezione personale (PPE) prima dell'uso. Alcune sostanze chimiche sono tossiche e irritanti. Fare attenzione quando si maneggiano nanotubi di carbonio, che possono avere rischi aggiuntivi se inalati o contattati dalla pelle.
1. Preparazione del filtro titanato-CNT elettroattivo
<ol><li>
Preparazione di nanofili titanati...

<ol>
	<li>Sun, W. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Profiling+microbial+community+in+a+watershed+heavily+contaminated+by+an+active+antimony+(Sb)+mine+in+Southwest+China.">Profiling microbial community in a watershed heavily contaminated by an active antimony (Sb) mine in Southwest China.</a> Science of the Total Environment. 550, 297-308 (2016).</li><li>Herath, I., Vithanage, M., Bundschuh, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Antimony+as+a+global+dilemma:+geochemistry,+mobility,+fate+and+transport.">Antimony as a global dilemma: geochemistry, mobility, fate and transport.</a> Environmental Pollution. 223, 545-559 (2017).</li><li>Pan, L. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessments+of+levels,+potential+ecological+risk,+and+human+health+risk+of+heavy+metals+in+the+soils+from+a+typical+county+in+Shanxi+Province,+China.">Assessments of levels, potential ecological risk, and human health risk of heavy metals in the soils from a typical county in Shanxi Province, China.</a> Environmental Science and Pollution Research. 23, 19330-19340 (2016).</li><li>Huang, S. 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P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+reduced+graphene+oxide+coupled+with+Mn3O4+for+highly+efficient+removal+of+Sb(III)+and+Sb(V)+from+water.">Three-dimensional reduced graphene oxide coupled with Mn3O4 for highly efficient removal of Sb(III) and Sb(V) from water.</a> Acs Applied Materials &amp; Interfaces. 8, 18140-18149 (2016).</li><li>Saleh, T. A., Sari, A., Tuzen, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effective+adsorption+of+antimony(III)+from+aqueous+solutions+by+polyamide-graphene+composite+as+a+novel+adsorbent.">Effective adsorption of antimony(III) from aqueous solutions by polyamide-graphene composite as a novel adsorbent.</a> Chemical Engineering Journal. 307, 230-238 (2017).</li><li>Yan, Y. Z., An, Q. D., Xiao, Z. Y., Zheng, W., Zhai, S. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+core-shell/bead-like+alginate@PEI+with+exceptional+adsorption+capacity,+recycling+performance+toward+batch+and+column+sorption+of+Cr(VI).">Flexible core-shell/bead-like alginate@PEI with exceptional adsorption capacity, recycling performance toward batch and column sorption of Cr(VI).</a> Chemical Engineering Journal. 313, 475-486 (2017).</li><li>Fu, L., Shozugawa, K., Matsuo, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oxidation+of+antimony+(III)+in+soil+by+manganese+(IV)+oxide+using+X-ray+absorption+fine+structure.">Oxidation of antimony (III) in soil by manganese (IV) oxide using X-ray absorption fine structure.</a> Journal of Environmental Sciences. 73, 31-37 (2018).</li><li>Liu, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adsorption+of+Pb2+,+Cd2+,+Cu2++and+Cr3++onto+titanate+nanotubes:+competition+and+effect+of+inorganic+ions.">Adsorption of Pb2+, Cd2+, Cu2+ and Cr3+ onto titanate nanotubes: competition and effect of inorganic ions.</a> Science of the Total Environment. 456, 171-180 (2013).</li><li>Wu, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+study+of+Cr(VI)+removal+performance+and+mechanism+from+water+using+multilayer+material+coated+nanoscale+zerovalent+iron.">Dynamic study of Cr(VI) removal performance and mechanism from water using multilayer material coated nanoscale zerovalent iron.</a> Environmental Pollution. 240, 717-724 (2018).</li><li>Shan, C., Ma, Z. Y., Tong, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+removal+of+trace+antimony(III)+through+adsorption+by+hematite+modified+magnetic+nanoparticles.">Efficient removal of trace antimony(III) through adsorption by hematite modified magnetic nanoparticles.</a> Journal of Hazardous Materials. 268, 229-236 (2014).</li><li>Luo, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Removal+of+antimonite+(Sb(III))+and+antimonate+(Sb(V))+from+aqueous+solution+using+carbon+nanofibers+that+are+decorated+with+zirconium+oxide+(ZrO2).">Removal of antimonite (Sb(III)) and antimonate (Sb(V)) from aqueous solution using carbon nanofibers that are decorated with zirconium oxide (ZrO2).</a> Environmental Science &amp; Technology. 49, 11115-11124 (2015).</li><li>Liu, Y. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Golden+carbon+nanotube+membrane+for+continuous+flow+catalysis.">Golden carbon nanotube membrane for continuous flow catalysis.</a> Industrial &amp; Engineering Chemistry Research. 56, 2999-3007 (2017).</li><li>Ma, B. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+antimony(V)+removal+using+synergistic+effects+of+Fe+hydrolytic+flocs+and+ultrafiltration+membrane+with+sludge+discharge+evaluation.">Enhanced antimony(V) removal using synergistic effects of Fe hydrolytic flocs and ultrafiltration membrane with sludge discharge evaluation.</a> Water Research. 121, 171-177 (2017).</li><li>Yuan, Z. Y., Zhang, X. B., Su, B. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Moderate+hydrothermal+synthesis+of+potassium+titanate+nanowires.">Moderate hydrothermal synthesis of potassium titanate nanowires.</a> Applied Physics a-Materials Science &amp; Processing. 78, 1063-1066 (2004).</li><li>Liu, Y. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electroactive+modified+carbon+nanotube+filter+for+simultaneous+detoxification+and+sequestration+of+Sb(III).">Electroactive modified carbon nanotube filter for simultaneous detoxification and sequestration of Sb(III).</a> Environmental Science &amp; Technology. 53, 1527-1535 (2019).</li><li>Gao, G., Vecitis, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+carbon+nanotube+filter+oxidative+performance+as+a+function+of+surface+chemistry.">Electrochemical carbon nanotube filter oxidative performance as a function of surface chemistry.</a> Environmental Science &amp; Technology. 45, 9726-9734 (2011).</li><li>Liu, Y. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+oxidation+and+sorption+of+highly+toxic+Sb(III)+using+a+dual-functional+electroactive+filter.">Simultaneous oxidation and sorption of highly toxic Sb(III) using a dual-functional electroactive filter.</a> Environmental Pollution. 251, 72-80 (2019).</li></ol>

La chiave di questa tecnologia è fabbricare un filtro ibrido elettroattivo conduttivo e poroso con un'elevata specificità Sb. Per fare questo, particolare attenzione dovrebbe essere pagata al processo di fabbricazione. La quantità di nanofili titanati deve essere controllata con precisione a causa dell'effetto "trade-off" tra la conduttività elettrica del filtro e la superficie.
Inoltre, va anche notato che è necessaria una corretta tensione applicata. Una volta che la tensione applicata ...

Recentemente, l'inquinamento ambientale causato dall'antimonio emergente (Sb) ha attirato molta attenzione1,2. Studi approfonditi dimostrano che i composti Sb pongono un'elevata tossicità per l'uomo e i microrganismi, anche se presenti in basse concentrazioni nell'ambiente3,4. Ancora peggio, i metodi fisici o biologici convenzionali sono di solito inefficaci per rimuovere questi contaminanti emergenti a causa delle loro basse concentrazioni edell'elevatatossicità 5 . Le specie più abbondanti di Sb sono Sb(V) e Sb(III), di cui quest'ultima forma è più tossica.
Tra i metodi di trattamento attualmente disponibili, l'adsorbimento è creduto per essere un'alternativa promettente e fattibile a causa della sua alta efficienza, basso costo, e semplicità6,7. Fino ad ora, sono stati sviluppati diversi sorbenti su nanoscala con microstrutture regolabili, grandi superfici specifiche e specificità Sb, come TiO28, MnO29, titanato10, ferro zerovalente11, ossidi di ferro e altri ossidi metallici binari12,13. Un problema comune quando si tratta di adsorbenti su nanoscala è il problema post-separazione dovuto alle loro piccole dimensioni di particelle. Una strategia per risolvere questo problema consiste nel caricare questi nanosorbenti su supporti macro/microscala14. Un'altra questione impegnativa che limita l'ampia applicazione della tecnologia adsorvanistica è la scarsa concentrazione di composti/molecole bersaglio15. Questo problema può essere parzialmente affrontato adottando una progettazione e una convenzione della membrana potrebbe migliorare significativamente il trasporto di massa. Recenti sforzi sono stati dedicati allo sviluppo di sistemi di trattamento avanzati che combinano adsorbizione e ossidazione in un'unica unità per una rimozione efficace di Sb(III). Qui, mostriamo come un nanotubi elettroattivo titanato-carbonio (titanate-CNT) sia stato progettato e applicato razionalmente per l'adsorbimento e il sequestro di Sb(III) tossici. Ottimizzando la quantità di carico in titanato, la tensione applicata e la portata, dimostriamo come la velocità di ossidazione di Sb(III) e l'efficienza del sequestro possano essere adattate in modo corrispondente. Anche se la fabbricazione e l'applicazione del filtro elettroattivo è mostrata in questo protocollo, disegni simili possono applicarsi anche al trattamento di altri ioni metallici pesanti.
Cambiamenti minori nel processo di fabbricazione e reagenti possono causare cambiamenti significativi nella morfologia e nelle prestazioni del sistema finale. Ad esempio, il tempo idrotermale, la temperatura e la purezza chimica hanno dimostrato di influenzare le microstrutture di questi adsorbenti su nanoscala. La portata della soluzione adsorbate determina anche il tempo di residenza all'interno di un sistema di flusso e l'efficienza di rimozione dei composti bersaglio. Con una chiara identificazione di questi parametri di impatto chiave, è possibile garantire un protocollo di sintesi riproducibile e ottenere un'efficienza di rimozione stabile di Sb(III). Questo protocollo mira a fornire un'esperienza dettagliata sulla fabbricazione di filtri ibridi a doppio funzionamento e sulle loro applicazioni verso la rimozione di ioni metallici pesanti tossici in modo flusso.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Atomic fluorescence spectrometer</td>
			<td>Ruili Co., Ltd</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon nanotubes (CNT)</td>
			<td>TimesNano Co., Ltd</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DC power supply</td>
			<td>Dahua Co., Ltd</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol, 96%</td>
			<td>Sinopharm</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochloric acid, 36%</td>
			<td>Sinopharm</td>
			<td></td>
			<td>Corrosive</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L-antimony potassium tartrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td></td>
			<td>Highly toxic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), 99.5%</td>
			<td>Sinopharm</td>
			<td></td>
			<td>Highly toxic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium hydroxide, 85%</td>
			<td>Sinopharm</td>
			<td></td>
			<td>Corrosive</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Peristaltic pump</td>
			<td>Ismatec Co., Ltd</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium dioxide powders</td>
			<td>Sinopharm</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a dual-functional electroactive filter towards simultaneously sb(iii) oxidation and sequestration

Abbiamo progettato un metodo facile per sintetizzare un filtro elettrochimico a doppia funzionalità composto da due materiali 1D: nanofili titanati e nanotubi di carbonio. Il filtro ibrido titanate-CNT è stato preparato da una sonicazione accoppiata con un percorso di post-filtrazione. A causa degli effetti sinergici dell'aumento del numero di siti di sorgamene esposti, la reattività elettrochimica, le piccole dimensioni dei pori della rete titanata-CNT abbinate a un progetto flow-through, l'ossidazione e il sequestro simultanei di Sb(III) possono essere Raggiunto. La tecnologia spettrometrica a fluorescenza atomica ha dimostrato che il campo elettrico applicato accelera il tasso di conversione Sb(III) e che gli Sb(V) ottenuti sono stati adsorbiti efficacemente dai nanofili titanati a causa della loro specificità Sb. Questo protocollo fornisce una soluzione pratica per la rimozione di Sb(III) altamente tossici e di altri ioni metallici pesanti simili.

L'apparato di filtrazione elettroattiva impiegato è un involucro di filtrazione in policarbonato modificato elettrochimicamente (Figura 1). Il microscopio elettronico a scansione delle emissioni sul campo (FESEM) e le tecniche di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) sono impiegate per caratterizzare la morfologia del filtro titanate-CNT (Figura 2). Per dimostrare l'efficacia del sistema di filtrazione elettrochimica, viene determinato il cambiamento del...

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A Dual-Functional Electroactive Filter Towards Simultaneously SbIII Oxidation and Sequestration

Viene segnalato un protocollo per la progettazione razionale di un filtro elettroattivo a doppia funzionalità costituito da nanotubi di carbonio e nanofili titanati e viene presentato il loro applicazioni ambientale verso l'ossidazione e il sequestro di Sb(III).

Un filtro elettroattivo dual-functional verso l'ossidazione e il sequestro simultanei di Sb(III)

We have designed a facile method to synthesize a dual-functional electrochemical filter consisting of two 1-D materials: titanate nanowires and carbon ...

La rimozione dell'antimonia contaminante emergente dalle acque superficiali è molto richiesta. Le specie di antimonia più abbondanti sono l'antimonia tre e l'antimonia cinque, e l'antimonia tre è 10 volte più tossica dell'antimonia cinque. Una strategia di precipitazione dell'ossidazione in due fase è comunemente adottata per l'antimonia tre rimozione, cioè ossidare l'antimonia da tre a antimonia cinque in primo luogo, seguita da precipitazioni chimiche.Ma potremmo raggiungere questo obiettivo all'interno di un'unica unità. Poiché l'antimonio condivide proprietà chimiche fisiche simili con altri elementi dello stesso gruppo azotati, come l'arsenico o il fosforo, credo che questo metodo potrebbe essere esteso anche a questi composti. Assicurati di leggere attentamente l'SDS di tutte le sostanze chimiche.Segui attentamente il protocollo e le istruzioni in carica e impara a distinguere tra antimonia tre e cinque. Piccole modifiche al protocollo possono causare cambiamenti significativi nelle prestazioni del sistema. Ad esempio, troppo titanato può scoraggiare il tuo tasso di conducibilità e antimonia tre cinetiche di rimozione del filtro.Per preparare i nano fili di titanato, sciogliere prima 56 grammi di idrossido di potassio in 100 millilitri di acqua deionizzata sotto vigorosa agitazione. Quindi aggiungere 3 grammi di polvere di biossido di titanio alla soluzione. Ingresso per la soluzione in un reattore rivestito in Teflon.Tenere la soluzione a 200 gradi Celsius per 24 ore. Prima di lavare il precipitato bianco risultante con 0,1 mesi per litro di acido idraulico e acqua deionizzata, fino ad ottenere un pH neutro affluente. Asciugare il prodotto sotto vuoto a 60 gradi Celsius durante la notte.Quindi trasferire il prodotto in un forno a tubo e riscaldare il materiale a 600 gradi Celsius per 2 ore con una velocità di rampa di 1 grado Celsius al minuto. Per la preparazione del filtro CNT titanato, aggiungere 20 milligrammi di CNT in 40 millilitri di pirrolidone N-metile e sondare la miscela per 40 minuti per ottenere una soluzione omogenea. Aggiungere quindi 200 milligrammi dei nanofili titanati a 20 millilitri di pirrolidone metile e sondare sonicare la miscela per 20 minuti.Al termine della sonicazione, mescolare la soluzione di dispersione titanato con la soluzione di dispersione CNT e filtrare la miscela risultante su una membrana PTFE. Quindi sciacquare il filtro una volta con 100 millilitri di etanolo e una volta con 200 millilitri di acqua deionizzata. Per la filtrazione elettrochimica antimonica, aggiungere prima 2,2 milligrammi di triidrato di tartrato di antimonile di potassio a 1.000 millilitri di acqua deionizzata prima di aggiungere 100 millilitri della soluzione antimonica risultante da 800 microgrammi per litro a un bicchiere da 150 millilitri.Regolare la soluzione su un pH di 7 e posizionare l'anodo filtrante CNT titanato preparato in un involucro di filtrazione in policarbonato modificato elettrochimica. Posizionare un filtro da solo CNT nell'involucro come catodo e collegare l'anodo e il catodo con un anello di titanio perforato. Utilizzare gomma siliconica isolante per separare e sigillare l'involucro e passare la soluzione antimonia attraverso il sistema di filtrazione a una portata appropriata, utilizzando un alimentatore CC per applicare la tensione corretta durante la filtrazione.Al termine della filtrazione, utilizzare uno spettrometro fluorescente atomico per determinare l'antimonia totale e l'antimonia tre concentrazioni secondo protocolli standard. L'apparato di filtrazione elettroattiva è un involucro di filtrazione in policarbonato modificato elettrochimicamente. Le immagini al microscopio elettronico a emissione di campo del filtro CNT titanato suggeriscono una superficie ruvida.La caratterizzazione della microscopia elettronica a trasmissione suggerisce che i CNT sono impigliati con i nano fili di titanato dopo l'elaborazione, indicando una sintesi riuscita del materiale ibrido titanato-CNT. Per dimostrare l'efficacia del sistema di filtrazione elettrochimica, è possibile determinare il cambiamento del totale antimonia e dello stato di valenza antimonia in funzione del tempo. Ad esempio, in questa analisi rappresentativa, l'antimonia a cinque concentrazione è aumentata bruscamente entro i 30 minuti iniziali.Mentre un'antimonia completa è stata osservata tre conversioni in oltre 1 ora di filtrazione continua in modalità di ricircolo, indicando che l'antimonia tre ossidazione è stato il processo di reazione principale nella fase iniziale, permettendo all'antimonia cinque di essere assorbita efficacemente dai nano fili titanati caricati. Inoltre, sia la cinetica antimonia che la capacità sono aumentate con la tensione applicata a causa delle interazioni elettrostatiche migliorate e vicino al trasporto superficiale per elettromigrazione. Questo protocollo è dedicato a fornire una strategia promettente integrando compiti complicati, scienza delle membrane ed elettrochimica per la decontaminazione dell'antimonia tre e altri componenti simili nell'acqua.È possibile dimostrare l'utilizzo del filtro fabbricato come sistema di filtrazione catodica alla funzione o riduzione e assorbimento. Permettendo la decontaminazione di altri ioni heavy metal come il cromo sei. Nella fase successiva abbiamo in programma di indagare l'impatto dei materiali organici naturali sulle tre prestazioni di rimozione antimonia e dedicato allo sviluppo di funzionalità di laboratorio per ottenere una cinetica migliorata.Alcune delle sostanze chimiche sono tossiche, corrosive o irritanti. Assicurati di indossare sempre l'attrezzatura di protezione personale appropriata durante il loro utilizzo.

Research

JoVE Journal

Environment

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