Name: a dual-functional electroactive filter towards simultaneously sb(iii) oxidation and sequestration
Uploaded: 2019-12-05T14:30:00
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この作品は、中国・上海自然科学財団(第18ZR1401000)、上海浦江プログラム(第18PJ1400400)、中国国家主要研究開発プログラム(No. 2018YFF0215703)によって支援されました。

注意:すべての化学物質の関連安全データシート(SDS)をよく読み、使用前に適切な個人保護装置(PPE)を着用してください。化学物質のいくつかは、有毒で刺激性です。カーボンナノチューブを取り扱う際には、皮膚から吸入したり接触させたりすると、追加の危険が伴う場合がありますのでご注意ください。
1. 電気活性チタン酸CNTフィルタの調製
<ol><li>
チタン酸ナ?...

<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. S., 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=Sulfide-modified+zerovalent+iron+for+enhanced+antimonite+sequestration:+characterization,+performance,+and+reaction+mechanisms.">Sulfide-modified zerovalent iron for enhanced antimonite sequestration: characterization, performance, and reaction mechanisms.</a> Chemical Engineering Journal. 338, 539-547 (2018).</li><li>Ungureanu, G., Santos, S., Boaventura, R., Botelho, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Arsenic+and+antimony+in+water+and+wastewater:+Overview+of+removal+techniques+with+special+reference+to+latest+advances+in+adsorption.">Arsenic and antimony in water and wastewater: Overview of removal techniques with special reference to latest advances in adsorption.</a> Journal of Environmental Management. 151, 326-342 (2015).</li><li>Zou, J. 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>

この技術の鍵は、高いSB特異性を有する電気活性導電性および多孔質ハイブリッドフィルタを製造することです。これを行うには、製造プロセスに特別な注意を払う必要があります。チタン酸ナノワイヤの量は、フィルタの電気伝導度と表面積の間の「トレードオフ」効果のために正確に制御する必要があります。
また、適切な印加電圧が必要なことも留意すべきである...

近年、新たなアンチモン(Sb)による環境汚染が注目されている1、2.広範な研究は、Sb化合物がヒトおよび微生物に高い毒性を有することを示すが、環境3、4に低濃度で存在する。さらに悪いことに、従来の物理化学的または生物学的方法は、通常、その低濃度および高毒性5のためにこれらの新たな汚染物質を除去するのに効果的ではない。Sbの最も豊富な種はSb(V)とSb(III)であり、そのうち後者の形態はより毒性が高い。
現在入手可能な治療法の中でも、吸着は、その高効率、低コスト、および簡便性6、7に起因する有望かつ実現可能な代替であると考えられている。これまで、TiO 2 8、MnO29、チタン酸10、ゼロバレント鉄11、酸化鉄および他の二項金属酸化物12、13などの、調整性微細構造を有するいくつかのナノスケール吸着剤が開発されてきた。ナノスケール吸着剤を扱う際の一般的な問題は、粒子サイズが小さいための分離後の問題です。この問題に対処する 1 つの戦略は、マクロ/マイクロスケールサポート14にこれらのナノソルベントをロードすることです。吸着技術の広範な適用を制限するもう一つの挑戦的な問題は、標的化合物/分子15の限られた濃度によって引き起こされる貧しい大量輸送である。この問題は、膜設計を採用することによって部分的に対処することができ、条約は、質量輸送を大幅に強化することができる。最近の取り組みは、効果的なSb(III)除去のための単一の単位で吸着と酸化を組み合わせた高度な治療システムの開発に注力されています。ここでは、電気活性チタン酸カーボンナノチューブ(チタン酸-CNT)フィルタが合理的に設計され、同時に毒性Sb(III)の吸着および隔離に適用された方法を示す。チタン酸負荷量、印加電圧、流量を微調整することで、Sb(III)酸化速度と隔離効率をいかに応じて調整できるかを実証します。このプロトコルには電気活性フィルタの製造と応用が示されていますが、他の重金属イオンの処理にも同様の設計が適用できます。
製造プロセスおよび試薬のわずかな変化は、最終システムの形態および性能に大きな変化を引き起こす可能性がある。例えば、熱水時間、温度、化学純度は、これらのナノスケール吸着剤の微細構造に影響を与することが示されている。吸入液の流量は、フロースルーシステム内の滞留時間とターゲット化合物の除去効率も決定します。これらの主要な影響を与えるパラメータの明確な同定により、再現可能な合成プロトコルを確保し、Sb(III)の安定した除去効率を達成することができる。このプロトコルは、二重機能ハイブリッドフィルタの製造に関する詳細な経験を提供するだけでなく、フロースルーの方法で有毒な重金属イオンの除去に向けたアプリケーションを提供することを目的としています。

<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

チタン酸ナノワイヤーとカーボンナノチューブの2つの1次元材料からなる二重機能電気化学フィルターを合成するファシリティ法を設計しました。ハイブリッドチタン酸CNTフィルタは、濾過後経路と結合した超音波処理によって調製した。露出した吸着部位の増加の相乗効果により、電気化学的反応性、流れ抜け設計と相まってチタン酸CNTネットワークの小さな細孔サイズ、同時Sb(III)酸化および隔離が容易に可能達成。原子蛍光分光計技術は、応用電界がSb(III)変換速度を加速し、得られたSb(V)がSb特異性のためにチタン酸ナノワイヤーによって効果的に吸着されたことを実証した。このプロトコルは、非常に有毒なSb(III)および他の同様の重金属イオンの除去のための実用的な解決を提供する。

採用される電気活性濾過装置は、電気化学的に修飾されたポリカーボネート濾過ケーシングである(図1)。電界放出走査型電子顕微鏡(FESEM)及び透過型電子顕微鏡(TEM)技術は、チタン酸CNTフィルタの形態を特徴付けるために用いられる(図2)。電気化学的濾過システムの有効性を実証するために、時間の関数としてのSb総及びSb価量状態の変化が?...

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

カーボンナノチューブとチタン酸ナノワイヤーからなる二重機能電気活性フィルタの合理的な設計のためのプロトコルが報告され、Sb(III)酸化と隔離に向けた環境応用が提示される。

Sb(III) 酸化と隔離を同時に行う二重機能電気活性フィルタ

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

表面水からの新たな汚染のアンチモンの除去は非常に要求される。最も豊富なアンチモン種はアンチモン3種とアンチモン5種で、アンチモン3はアンチモン5種の10倍の毒性があります。2段階の酸化沈殿戦略は、アンチモン3の除去、すなわちアンチモン3を最初にアンチモン5に酸化し、続いて化学的沈殿に対して採用される。しかし、私たちは単一のユニットでこれを達成することができました。アンチモンは、ヒ素やリンのような同じ窒素群の他の元素と同様の物理的化学的性質を共有しているため、この方法はこれらの化合物にも拡張できると考えています。すべての化学物質のSDSを注意深く読んでください。プロトコルと現職の指示に密接に従い、アンチモン3と5を区別する方法を学びます。プロトコルのわずかな変更により、システムのパフォーマンスが大幅に低下する可能性があります。例えば、あまりにも多くのチタン酸塩は、あなたの伝導率とフィルタのアンチモン3除去キネティクスを抑止する可能性があります。チタン酸ナノワイヤを調製するために、まず活発な攪拌下で100ミリリットルの脱イオン水に56グラムの水酸化カリウムを溶解する。次に、溶液に3グラムの二酸化チタン粉末を加えます。テフロンの並んだ原子炉への溶液のための入り口。200°Cで24時間保持します。得られた白色沈殿を水圧酸及び脱イオン水1リットル当たり0.1モルで洗浄する前に、中性の豊かなpHが得られるまで。製品を60°Cで一晩乾燥させます。その後、チューブ炉に製品を転送し、1分あたり1度のランプレートで2時間摂氏600度に材料を加熱します。チタン酸CNTフィルター調製物の場合、CnTの20ミリグラムを40ミリリットルのN-メチルピロリドンに加え、プローブを40分間超音波処理して均質な溶液を得る。次に、200ミリグラムのチタン酸ナノワイヤをメチルピロリドンの20ミリリットルに加え、20分間混合物を超音波処理します。超音波処理の最後に、CNT分散溶液とチタン酸分散溶液を混合し、PTFE膜上に得られた混合物をフィルタリングします。その後、100ミリリットルのエタノールでフィルターを1回、200ミリリットルの脱イオン水で1回リンスします。電気化学アンチモン濾過の場合、まず1,000ミリリットルの脱イオン水に2.2ミリグラムの抗酸アンチリアート酸カリウムを加え、1リットル当たり800マイクログラムのアンチモン溶液を150ミリリットルのビーカーに加えます。溶液を7のpHに調整し、調製したチタン酸CNTフィルター陽極を電気化学改変ポリカーボネート濾過ケースに入れる。CNT単独フィルターをカソードとしてケーシングに入れ、アノードとカソードを穿穿チタンリングで接続します。絶縁シリコーンゴムを使用してケーシングを分離し、密封し、適当な流量で濾過システムを通してアンチモン溶液を通過させ、濾過中に正しい電圧を印加するためにDC電源を使用する。濾過の最後に、原子蛍光分光計を使用して、標準プロトコルに従って3つの濃度の合計アンチモンとアンチモンを決定します。電気活性濾過装置は、電気化学的に改質されたポリカーボネート濾過ケーシングである。チタン酸CNTフィルターの電界発光走査型電子顕微鏡画像は、粗い表面を示唆している。透過電子顕微鏡特性解析は、CNTが処理後にチタン酸ナノワイヤと絡み合っていることを示唆しており、チタン酸-CNTハイブリッド材料の合成に成功したことを示している。電気化学濾過システムの効力を実証するために、時間の関数としてのアンチモン合計とアンチモン価合状態の変化を求めることができる。例えば、この代表的な分析では、アンチモン5濃度は最初の30分以内に急激に上昇した。完全なアンチモン3回の変換が再循環モードでの連続濾過の1時間にわたって観察されたが、アンチモン3酸化が初期段階での主な反応プロセスであったことを示し、アンチモン5は、装填されたチタン酸ナノワイヤによって効果的に吸収されることを可能にする。さらに、電気移動による静電相互作用の強化と表面輸送の近傍により、加圧電圧と共にアンチモンの吸着運動と容量の両方が増加した。このプロトコルは、水中のアンチモン3および他の同様の成分の除染のための複雑なタスク、膜科学、および電気化学を統合することによって有望な戦略を提供するために捧げられる。作製されたフィルターを陰極濾過システムとして使用して機能または還元吸収が実証され得る。クロム6のような他の重金属イオンの除染を可能にする。次のステップでは、天然有機材料がアンチモン3除去性能に及ぼす影響を調査し、改善されたキネティクスを達成するためのラボ機能の開発に専念する予定です。化学物質の中には、毒性、腐食性、刺激物があります。使用時には、必ず適切な個人用保護具を着用してください。

Research

JoVE Journal

Environment

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