Przegląd najważniejszych wydarzeń

1. Zeolite / nZ VI kompozytowy materiał do usuwania Pb jonu z roztworu wodnego.

2. Usuwanie Pb (II), w znacznym stopniu w zależności od wartości pH roztworu i temperatury.

3. Ponad 96% Pb (II) usunięto przez złożone w 140 minut z 0,1 g kompozytu.

4. Analizy dyfrakcji rentgenowskiej potwierdziły zmniejszenie niektórych Pb (II) PB⁰

A b s t r a c t

Skuteczność nano-zerowartościowego żelaza (nano Zero Valent Iron) do usuwania metali ciężkich z wody jest zmniejszona przez jej niską trwałość, słabe wytrzymałości mechaniczne, i tendencji do tworzenia agregatów. Kompozyt zeolitu i nano-zerowartościowe żelazo (Z-nZVI) pokonuje te problemy i pokazuje duży potencjał do usuwania ołowiu z wody. Widma FTIR opierają się o załadowaniu nZVI na zeolitu i zmniejszenie utleniania Fe⁰ w kompozycie Z-nZVI. Zdjęcia za SEM pokazują, że agregacja została wyeliminowana, natomiast zdjęcia z TEM pokazują dobrze rozproszony nZVI w „chain-like” strukturach w matrycy zeolitu. Powierzchnia średnia kompozytu wyniosła 80,37 m²/g, o wiele większą niż zeolitu ​​(1,03 m2 / g) lub samego nZVI (12,25 m2 /g), co określa się przez pomiar BET-N₂. Więcej niż 96% Pb (II) usuwa się z 100 ml roztworu zawierającego 100 mg Pb (II) / L, w ciągu 140 min mieszania z 0,1 g Z-nZVI. Testy z zawartości roztworu 1000 mg Pb (II) / L sugerowały, że zdolność pojemnościowa Z-nZVI jest około 806 mg Pb (II) / g. Rozpraszająca energię spektroskopia rentgenowska wykazała obecność Fe w kompozycie; Dyfrakcja rentgenowska potwierdziła tworzenie i unieruchomienie Fe⁰ i następnie sorpcję i redukcję niektórych Pb (II) do Pb⁰.Niska zawartośc Pb (II) recovered in water-soluble i ekstrahowalne frakcje Ca(NO ₃)₂ wskazują niską biodostępność usuniętego przez kompozyt Pb (II). Wyniki potwierdzają potencjalne zastosowania kompozytu Z-nZVI w przepuszczalnych barierach reaktywnych. Metale ciężkie są problematyczne dla ekosystemów z powodu ich toksyczności i większość metali ciężkich może być bardzo toksyczna nawet w niskich stężeniach. Wśród nich, Pb jest powszechnie stosowane w wielu gałęziach przemysłu, a w niektórych miejscach są uwalniane duże ilości ścieków zawierających wysokie stężenie jonów ołowiu. Ołów bezpośrednio lub pośrednio dociera do powierzchniowych wód i wód gruntowych, gdzie staje się „biomagnified in biotic communities”. Ołów gromadzi się głównie w mięśniach, kościach, nerkach, i tkankach mózgu oraz może powodować anemię, zaburzenia ośrodkowego układu nerwowego i choroby nerek [1]. Konwencjonalna jonowymienność, filtracja, adsorpcja, wytrącanie chemiczne, i odwrócona osmoza są stosowane do usuwania metali z wody [2]. Wśród tych metod, adsorpcja jest bardzo wydajną i ekonomiczną techniką usuwania [3].

Przepuszczalne bariery reaktywne (PRB_S) są opłacalne w technologii in situ do usuwania na szeroką skalę zanieczyszczeń z wód gruntowych. Optymalizacja materiałów reaktywnych pozostaje głównym wyzwaniem w rozwijaniu efektywnej technologii PRB. Zerowartościowe żelazo (ZVI) jest używane do usuwania metali ciężkich z wody gruntowej, ale niska reaktywność i trudność obsługi zmniejszyły jego zastosowanie w PRBs. Alternatywnie, w nano-zerowartościowe żelazo (nZVI) wykazało duży potencjał do usuwania metali i innych wodnych zanieczyszczeń. Jego właściwości fizykochemiczne i pojemność redukcyjna może ułatwić szybkie odkażanie zanieczyszczonej wody [5,6]. Niestety nZVI często tworzy agregaty, co zmniejsza wydajność, zmniejszając powierzchnię [7] i wytwarza mniej ujemny potencjał utleniania-redukcji [8]. Aby rozwiązać ten problem, różne metody immobilizacji są opracowane dla nZVI stabilizacji. Wei et al. [7] stabilizowane nZVI z biodegradowalnym środkiem powierzchniowo czynnym (surfaktantem) skutecznego usuwania chlorku winylu i 1,2-dichloroetanu z wody. Zhang et al. [9] przygotowali nZVI podpierane kolumnowo gliny, jako stabilizator dla usuwania azotanów z wody. Liu et al. [10] zastosowali chitozan do zmniejszenia nZVI agregacji i Calabro et al. [11] przygotowali nZVI mieszaniną granulowanego pumeksu w celu usunięcia jonów niklu w wodzie.

Zeolity są mikroporowatymi glinokrzemianami, minerałami powszechnie stosowanymi, jako adsorbenty do kilku rodzajów zanieczyszczeń. Naturalne zeolity mają wysoką zdolność sorpcji zanieczyszczeń nieorganicznych, w tym metali ciężkich i amonu [12]. Basaldella et al. [13] stosowali zeolity typu NaA w celu usunięcia Cr z wody. Cs i Sr zostały usunięte z roztworu wodnego przy użyciu zeolitu A [14]. Cincotti et al. [15] opisali usuwanie preferencyjnie w stosunku Cu Pb, Cd, Zn przez Sardyński naturalny zeolit, natomiast Panayotova i Velikov [16] wykazali, że Pb (II) było skutecznie unieruchomione przez bułgarski naturalny zeolit. Ostatnio, Yang et al. [17] wykazali, że NKF-6 zeolit ​​skutecznie usuwa Pb (II) z dużych ilości wody. Zeolity, okazały się skuteczne w zastosowaniach środowiskowych, takich jak na PRB_S dla kontrolowania rozprzestrzeniania kationu zanieczyszczonych wód gruntowych [18]. Jednak tylko ograniczone próby zostały wykonane w celu stabilizacji nZVI z zeolitami do usuwania zanieczyszczeń z wody, [19]. Lee et al. [19] zastosowali materiał zerowartościowego zeolitu (ZanF żelaza) do redukcji azotanów bez uwolnienia amonu pod niebuforowanego pH. ZanF usunęło amoniak poniżej granicy wykrywalności przez adsorpcję, natomiast sam ZVI nie usunął to w znaczącym stopniu.

Celem niniejszego badania są (i) synteza i charakteryzacja kompozyt zeolitu z nZVI (Z-nZVI) oraz (ii) ocena efektywności usunięcia Pb.

Wydajność Fe⁰,jako czynnika redukującego [20], w połączeniu z właściwościami zeolitu powinny wspierać wydajne usuwanie i redukcję Pb (II) PB0. 2.

Materiały i metody 2.1.

Materiały i substancje

Naturalnie występujące zeolity uzyskano z Alfa Aesar, A Johnson Matthey Co., Seulu, w Korei Południowej. Zeolit stworzony z Al₂ (SiO₃) ₃, Na, Ca, K, oraz H₂O, a także miał twardość według skali Mohsa 3,5-5,5. Pojemność kationowymienna (CEC) zeolitu wynosiła 105,38 cmol + / kg, w typowym zakresie dla naturalnych zeolitów [12]. Po całonocnym suszeniu w temperaturze 80 ^oC, zeolit ​​rozdrobniono i przesiano przez sito 100 oczek na cm² (100 mesh) przed użyciem. Czystość kwasu etylenodiaminotetraoctowego (EDTA; DAE Jung Siheung, Korea) wynosiła> 99%. Wszystkie inne środki chemiczne były czystości analitycznej. Nanoczystość wody (przewodność = 18 uOHM/m, TOC< 3 ug/L; Barnstead, Waltham, MA, USA) użyto do przygotowania wszystkich odczynników. Roztwór Pb przygotowano przez rozpuszczenie 1,60 g Pb (NO₃) ₂ w 100 ml odgazowanej wody i stężenie robocze przygotowywano rozcieńczając roztwór podstawowy.

2.2. Preparatyka kompozytu

Kompozyt Z-nZVI wytworzono według Wang et al. [21]. W skrócie, 1 g FeSO4? 7H2O i 0,5 g naturalnego zeolitu miesza się w 250 ml odgazowanego nanoczystej wody. PH roztworu doprowadzono do 4 za pomocą 1 M HNO3. Mieszaninę poddano działaniu ultradźwięków przez 10 minut, po czym mieszano energicznie w temperaturze pokojowej przez 30 minut. W celu zapewnienia skutecznej redukcji Fe (II), 25 ml 1 M roztworu KBH4 dodano 30 kropli / min, podczas mieszania. Reakcję redukcji jest następująca:

Fe²⁺ + 2BH₄ + 6H₂0 -> Fe⁰+ 2B(OH)₃ + 7H₂

Po inkubacji, czarne ciało stałe oddziela się od roztworu za pomocą kolby filtracji próżniowej (filtr membranowy 0,45 um), przemyto kilka razy z odgazowaną wodą w celu usunięcia pozostałości siarczanu, a następnie suszono pod zmniejszonym ciśnieniem.

2.3. Charakterystyka kompozytu

Pole emisji SEM (FE-SEM; Hitachi S-4700, Tokyo, Japan) było użyte w celu wyświetlenia na morfologii i właściwości powierzchniowych nZVI i zeolitu. Charakterystyka kompozytu Z-nZVI została otrzymana stosując biologiczną transmisyjnej mikroskopii elektronowej (Bio-TEM; Hitachi H-7650, Tokyo, Japan) i energia dyspersji widma X-ray (EDS) została uzyskana przy użyciu FESEM. Powierzchnie zeolitu, nZVI i Z-nZVI kompozytu mierzono za pomocą adsorpcji N₂ Micromeritics ASAP (Accelerated Surface Area porozymetria) oraz analizator 2020 (BELSORP-MINI, BEL Japonia, Inc., Osaka, Japonia) [6]. Widma w podczerwieni z zeolitu, nZVI i Z nZVI złożonych proszków uzyskuje się w pastylek KBr na Perkin-Elmer podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) spektrofotometru (Irvine, CA, USA) w trybie odbicia rozproszonego przy rozdzielczości 4 cm ^-1.

2.4. Pb(II) usuwanie i uwalnianie [to już ktoś inny]

Procedury Zhang i wsp. [22] wykorzystano w celu określenia wpływu początkowego pH (2-6), temperatury (5-60? C) i Pb (II) Stężenie (100, 250, 500 i 1000 mg / L) w adsorpcji na Z-nZVI kompozytowe. Początkowe wartości pH roztworów regulowano za pomocą 0,1 M HCI albo 0,1 M NaOH, ale nie było kontrolowane w czasie doświadczenia. W skrócie, 0,1 g kompozyt miesza się z 100 ml Pb (II) roztworu (100 mg / L) i umieszczono na wytrząsarce obrotowej przy 180 obrotach na minutę i w temperaturze pokojowej. Próbki pobierano periodycznie, co 140 minut i przesączono stosując filtr strzykawkowy 0,45 um. Pb (II), stężenia w przesączu oznaczano za pomocą ICP-AES (Inductively Coupled Plasma, Leeman Labs, Inc., Hudson, NH, USA). Zeolit został użyty jako kontrola do tego eksperymentu. Sekwencyjną procedurę ekstrakcji zastosowano do załadowanego Pb (II) z Z-nZVI kompozytem do określenia dostępności Pb (II), zgodnie z ogólnymi procedurami z Basta i Gradwohl [23] i Castaldi i in. [24]. Aby wyodrębnić łatwo dostępne Pb (II), Z-nZVI kompozyt (1 g) zawierający 1,3 mg Pb (II) wytrząsa się z 25 ml nanoczystą wodą (pH 6,8) przez 2 godziny w temperaturze pokojowej (~ 26 = C). Kompozyt następnie ekstrahowano 25 ml 0,1 M Ca (NO₃)₂ (pH 7,8) w celu usunięcia wymiennego Pb (II), a następnie 25 ml 0,1 M EDTA (pH 8,0) w celu usunięcia ściślej związanego Pb (II), lub wytrąca się wodorotlenek Pb na aktywnych miejscach, które nie były łatwo dostępne biologicznie [23-25]. Po ekstrakcji, kompozyt suszono przez noc w temperaturze 105 ^ C i trawiono 0,1 M HNO₃ i 0,1 M HCl, aby oznaczyć Pb⁰ i inne nie-wymienialne Pb (prawdopodobnie obecny jako tlenki lub mieszaniny tlenków ołowiu Pb-Fe). Po każdej ekstrakcji kompozytów wirowano (6000 rpm przez 10 minut) i sączy się w celu oddzielenia fazy stałej roztworu oraz [23].