Regenerálható ingerekre reagáló oltott polimer-agyag szorbens tervezése a vízszennyező anyagok szűrésére

  • Töltse le az idézetet
  • https://doi.org/10.1080/14686996.2018.1499381
  • CrossMark

Szerves és lágy anyagok (kolloidok, folyadékkristályok, gél, polimerek)

  • Teljes cikk
  • Ábrák és adatok
  • Hivatkozások
  • Kiegészítő
  • Idézetek
  • Metrikák
  • Engedélyezés
  • Újranyomtatások és engedélyek
  • PDF

ABSZTRAKT

GRAFIKAI ABSZTRAKT

cikk

1. Bemutatkozás

A huszonegyedik század egyik legnagyobb környezeti kihívása a minőségi víz iránti növekvő igény kielégítése. Ezért sok erőforrás a vízkezelési technológiák fejlesztésére és fejlesztésére irányul [1, 2]. Számos tanulmány új szorbensek kifejlesztését tűzte ki célul a szennyező anyagok eltávolítására [3 - 6], például szervesen módosított agyagásványokat, úgynevezett szerves agyagokat [7, 8]. Újabban az adszorbeált polimer agyag kompozitok gyakran meghaladták a kereskedelmi forgalomban lévő szorbensek teljesítményét, ezért a vízkezelés szorbenseként hívták fel a figyelmet [9–11]. Bebizonyítottuk, hogy a protonált poli (4-vinil-piridin) (PVP) alapú kompozitok elektrosztatikusan, kationcserével adszorbeálva montmorillonit agyaghoz (MMT) jobban teljesítenek, mint más polimer agyag kompozitok [12], a PVP által kialakítható interakciók tartománya miatt mikrot szennyező anyagokkal. Ezenkívül a polimer piridincsoportja tovább funkcionálható az összetett teljesítmény javítása érdekében [13, 14]. Valójában az adszorbeált funkcionalizált PVP – MMT kompozitok hatékony szorbensek voltak számos szennyező anyag szűrésére, beleértve oldott szerves anyagokat [14], pirént [15], fenolszármazékokat [16], gyógyszereket [13] és peszticideket [12, 17].

Ezáltal újszerű megközelítést javasolnak a regenerálható polimer-MMT kompozit szorbensek tervezéséhez, amelynek alapja az agyra ingerre reagáló polimer kovalens oltása. A funkcionális polimerek olajos ásványi felületekre történő ojtása javítja az agyagásványi felületek tulajdonságainak hangolásának képességét [18]. Az ilyen lehorgonyzott polimerek állófázist alkotnak, ami javíthatja a kompozit teljesítményét [19]. Számos polimerrel oltott nanorészecskét, például grafént [20], aranyat [21, 22], magnetitet [23, 24], fémoxidokat [25, 26] és természetes agyagokat [27–29] számoltak be és használtak egy széles körű alkalmazások.

Az oltás további előnye, hogy nagyobb terhelés érhető el, mint az adszorbeáló polimerek. Ezenkívül a polimerek reagálhatnak külső ingerekre, például pH-ra [30, 31], hőmérsékletre [32], ionerősségre [33] vagy infravörös fényre [21]. Az ilyen polimerek kovalens ojtása egy felületre stabil ingerekre reagáló polimer keféket eredményez [34, 35], amelyek a felszíni kémia és szerkezet megváltoztatásával reagálnak az ingerre, és ezért adszorbeálhatják vagy deszorbálhatják a szennyező anyagokat. Valóban, az oltott polimer kefék agyagokon történő szorpciós tulajdonságait nemrégiben ismerték el [28, 36, 37]. Ezen vizsgálatok közül azonban egyik sem mutatta be ezen szorbensek alkalmazását szűrési oszlopokban, ez a legvalószínűbb mód, amelyben bármely jelölt szorbent alkalmazunk, és összehasonlítjuk más szorbensekkel [34]. Ezenkívül sok esetben az ilyen szorbensek alkalmazásának korlátozó tényezője a nem hatékony újrafelhasználás [38, 39], mivel a regenerálásnak szelektíven el kell távolítania a szennyező anyagot, miközben a polimernek érintetlennek kell maradnia. Ezért ezt a kihívást még nem sikerült megfelelően megoldani [38].

Ebben a tanulmányban kifejlesztettünk egy regenerálható, pH-re reagáló szorbent, amely montmorillonitra (GPC) ojtott PVP kefék alapján készült. Az új GPC jellemzőit összehasonlítottuk a hagyományos, elektrosztatikusan adszorbeált PVP agyag kompozitokkal (adszorbeált PVP kompozit [APC]). A GPC-t úgy tervezték, hogy reagáljon a pH-ra; alacsony – mérsékelt pH esetén a polimer protonálódik, elősegítve a szennyező anyagok adszorpcióját, míg magas pH esetén a polimer deprotonál, elősegítve a szennyező deszorpciót. Feltártuk hat vízmikroszennyező anyag, a szelenát, az arzenát, a szulfentrazon, az atrazin, a metilkék és az eozin-Y GPC általi eltávolítási potenciálját. Az oxianionok (szelenát) és a szerves anionok (eozin-Y) szűrése GPC oszlopokkal hatékonyabb volt, mint APC oszlopokkal vagy kereskedelmi szorbens oszlopokkal. Továbbá sikeresen igazolták a GPC „oszlopon belüli” regenerálódását, amelyet pH váltott ki.

2. Kísérleti szakasz

2.1. Anyagok

A montmorillonit agyagot, SWy-2 (MMT), a Source Clay Repository-tól (Clay Minerals Society, Columbia, MO, USA) vásároltuk. 3-amino-propil-trietoxi-szilán (ATPES), 2-bróm-izobutiril-bromid (BIB), 4-vinil-piridin (4-VP), PVP, etanol, glicerin, vízmentes toluol és vízmentes trimetil-amin (TMA) (nagy teljesítményű folyadékkromatográfiai fokozat), kálium-arsenátot (KH2AsO4), eozin-Y-t (C20H6Br4Na2O5), kénsavat (98%) és rézsókat (CuCl H2O és CuCl2) a Sigma Aldrich Ltd.-től (Rehovot, Izrael) vásároltunk. A trisz (2-dimetil-amino-etil) -amint, a kálium-szelenátot (K2SeO4) és a metilkéket (C37H27N3Na2O9S3) az Alfa Aesar, Yehud, Izrael szállította. Az atrazint (C8H14ClN5) 98% és a szulfentrazont (C11H10Cl2F2N4O3S) 91,3% a Makhteshim-Agan Industries Ltd.-től, Tel-Aviv, Izrael. Granulált aktív szén (GAC) Hydraffin 30 N Donau-szenet a Reactive Ltd.-től, Shahak Industrial Park, Izrael. A Dow Water & Process Solutions által gyártott ivóvíz minőségű anioncserélő gyantát (AMBERLITE ™ PWA15) a TREITEL vegyipari mérnöki kft-től kaptuk, Tel-Aviv, Izrael.

2.2. Adszorbeált PVP kompozit előállítása

Az APC elkészítéséről korábban beszámoltak [12]. Röviden: 3 g PVP-t 14 mM H2SO4 oldatban oldunk. Ezután a polimer oldatot lassan hozzáadtuk az MMT szuszpenzióhoz (1,67 g/l). A szilárd anyagot centrifugálással elválasztjuk a felülúszótól, mossuk és fagyasztva szárítjuk.

2.3. Oltott PVP kompozit előállítása

A montmorillonit felületmódosítás szakaszait az 1. ábra szemlélteti. A montmorillonit felület savaktiválása és aminálása: Sütőben száraz MMT-t (15 g) szuszpendáltunk 300 ml vízben 80 ° C-on. Kénsavat (3 ml; 98%) adunk a szuszpenzióhoz keverés közben (120 perc). A savval aktivált montmorillonitot (aa-MMT) ezután desztillált vízzel mossuk, fagyasztva szárítjuk és exszikkátorban tároljuk. Ezután 10 g száraz aa-MMT-t szuszpendálunk 500 ml etanol és víz (3: 1, térfogatarány) elegyében, visszafolyatás közben, 80 ° C-on. ATPES-t (6,24 ml) összekevertünk 100 ml etanol/víz elegyben, majd cseppenként hozzáadtuk, és a hőmérsékletet 24 órán át 95 ° C-ra emeltük. A szilárd anyagokat centrifugálással elválasztjuk, etanollal és vízzel alaposan mossuk és fagyasztva szárítjuk. Aa-MMT-t oltott száraz ATPES-t (aa-MMT – ATPES) exszikkátorban tároltuk.