Nos últimos anos, o rápido desenvolvimento industrial levou a problemas ambientais cada vez mais graves, especialmente a poluição da água. A poluição por metais pesados é um dos fatores importantes que causam a poluição da água. Os íons de metais pesados em corpos d'água apresentam alta toxicidade e carcinogenicidade, mesmo em níveis vestigiais. Podem acumular-se nos animais através da bioacumulação na cadeia alimentar, causando danos persistentes e induzindo diversas doenças. Portanto, explorar métodos para remover metais pesados de corpos d'água é um meio eficaz para garantir a segurança da água e melhorar a reutilização dos recursos hídricos.
1. Introdução
Nos últimos anos, o rápido desenvolvimento industrial levou a problemas ambientais cada vez mais graves, especialmente a poluição da água. A poluição por metais pesados é um dos fatores importantes que causam a poluição da água. Os íons de metais pesados em corpos d'água apresentam alta toxicidade e carcinogenicidade, mesmo em níveis vestigiais. Podem acumular-se nos animais através da bioacumulação na cadeia alimentar, causando danos persistentes. Os metais pesados podem induzir diversas doenças. Explorar métodos para remover metais pesados de corpos d'água é um meio eficaz para garantir a segurança da água e melhorar a reutilização dos recursos hídricos.
Os principais íons de metais pesados que poluem os corpos d'água em meu país incluem cádmio (Cd), cromo (Cr), chumbo (Pb) e arsênico (As), entre os quais Cd(II) e Cr(VI) são extremamente tóxicos. Os métodos para remover metais pesados de corpos d'água incluem principalmente precipitação química, troca iônica, separação por membrana e adsorção. Dentre estes, a adsorção tem atraído muita atenção devido à sua alta eficiência, baixo custo e facilidade de operação. Wu et al. (2000) e Zan et al. (2006) relataram o uso de membranas líquidas para adsorver íons de metais pesados e, ao mesmo tempo, sintetizar nanopartículas, "transformando resíduos em tesouros" e removendo íons de metais pesados. Ge et al. (2013) descobriram que nanopartículas de Al2O3 apresentam bom desempenho de adsorção de Cr(VI) em solução aquosa, com taxa de adsorção de até 90%. No entanto, após a adsorção, as minúsculas partículas de óxido metálico são difíceis de recuperar. Freqüentemente, isso leva à perda ou até mesmo a nova poluição. A imobilização de nanopartículas de Al2O3 em materiais como hidroxiapatita, montmorilonita e quitosana pode resolver efetivamente os problemas acima. Porém, o carreador orgânico está sujeito à decomposição irreversível durante a regeneração do adsorvente, resultando na perda de nanopartículas, o que limita a aplicação prática desses materiais. O aço inoxidável poroso 316L (PSS, 022Cr17Ni12Mo2) é um tubo de membrana porosa com alta resistência mecânica e é um transportador relativamente ideal para imobilizar nanopartículas de óxido metálico. Este estudo tem como objetivo sintetizar nanopartículas de Al2O3 pelo método hidrotérmico e imobilizá-las em PSS 316L usando um método de dip-coating de partículas suspensas para preparar uma membrana porosa de alumina à base de aço inoxidável. Ao mesmo tempo, utilizando esta membrana como adsorvente, será investigado seu desempenho de adsorção para Cr(VI) e Cd(II) em solução aquosa.
2. Parte Experimental 2.1 Instrumentos e Reagentes
Instrumentos: Microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo (FESEM, JEOL S-4800, Hitachi, Japão), difratômetro de raios X (D/MAX-3C, Ricoh Corporation, Japão), equipamento de escala piloto de membrana de fibra oca (HFM-0530, Xiamen Shida Membrane Technology Co., Ltd.), espectrômetro de absorção atômica de forno de grafite (AAS-9000, Jiangsu Tianrui Instrument Co., Ltd.), centrífuga de alta velocidade (ZONKIA, HC-3018, Anhui Zhongke Zhongjia Co., Ltd.). Os materiais experimentais foram nanopartículas de γ-Al₂O₃ de fabricação própria e aço inoxidável poroso 316L (grau de aço: 022Cr17Ni12Mo₂, tamanho de poro 1 μm, comprimento 30 cm, diâmetro interno 8 mm, diâmetro externo 12 mm).
Reagentes: Aluminato de sódio (NaAlO₂), ureia (CON₂H₄), nitrato de potássio (KNO₃) e etanol anidro (C₂H₅OH) eram todos de grau analítico; o polietilenoglicol (PEG 2000) e o poliacrilato de sódio (PAAS 20M) eram quimicamente puros. Todos os reagentes foram adquiridos na Tianjin Kemei Chemical Reagent Factory; a água de teste foi água desionizada.
2.2 Métodos Experimentais
316 L de PSS foram limpos por ultrassom sequencialmente com soluções 0,1 mol·L⁻¹ de NaOH e HNO₃ por 10 min, depois lavados com água deionizada até neutro e finalmente limpos por ultrassom com etanol anidro por 5 min. Após a secagem, o pó de γ-Al₂O₃ foi preparado conforme método descrito na literatura (Zhang et al., 2016). Especificamente, uma certa quantidade de aluminato de sódio, uréia e poliacrilato de sódio foram adicionados sequencialmente a 50 mL de água deionizada, agitados por 30 minutos e depois despejados em um reator hidrotérmico de aço inoxidável e reagidos em um forno a 140°C por 10 horas. Após a reação, o produto foi removido, lavado e seco a vácuo por 12 horas. O pó branco resultante foi então calcinado num forno mufla a 500 ℃ durante 3 h para obter pó de γ-Al2O3. Em seguida, uma certa quantidade de polietilenoglicol foi dissolvida em 1000 mL de água deionizada para preparar uma dispersão e foram adicionados 2 g de [ingrediente não especificado]. Foi utilizado pó de γ-Al2O3 (proporção de massa de polietilenoglicol para γ-Al2O3 1:7,9). A resistência das partículas da solução foi ajustada para C(KNO3) = 1 mmol·L1 com KNO3. O pH da suspensão foi então ajustado para 7,0 com soluções 0,1 mol.L1 NaOH e 0,1 mol.L1 HNO3. Após dispersão ultrassônica à temperatura ambiente por 15 min, a suspensão foi revestida em um substrato poroso de aço inoxidável usando um método de revestimento por imersão de partículas suspensas, seguido de sinterização a 400 ℃ por 3 h. O programa de sinterização foi: 250 ℃ por 1 hora, depois 400 ℃ por 3 horas. Para evitar rachaduras no filme de alumina devido ao aquecimento excessivamente rápido, a taxa de aquecimento durante a sinterização foi de 1 ℃·min⁻¹. Após a sinterização, o filme foi resfriado no forno.
2.3 Experimento de Adsorção
O desempenho de adsorção da membrana foi estudado usando um processo descontínuo clássico. O módulo de membrana de alumina à base de aço inoxidável poroso foi conectado a um dispositivo de escala piloto de membrana de fibra oca. A adsorção foi realizada sob pressão constante (0,1 MPa). Todas as experiências foram repetidas três vezes.
A temperatura foi ajustada para a temperatura ambiente, as concentrações iniciais de Cr(VI) e Cd(II) foram ambas de 5 mg·L⁻¹ e o tempo de adsorção foi de 8 h. Nestas condições, foi investigado o efeito do pH inicial da solução na capacidade de adsorção. Os valores iniciais de pH para Cr(VI) foram 3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 9,0, 10,0 e 11,0, e para Cd(II) foram 3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0 e 9,0. As concentrações iniciais de Cr(VI) e Cd(II) foram fixadas em 2, 5, 10 e 20 mg·L⁻¹, respectivamente. O pH inicial foi considerado o pH ótimo de adsorção. O tempo de adsorção foi investigado em (0, 1, 5, 10, 15, 20, 80, 100, 120, 140, 210, 270, 360 e 480 h). O efeito das concentrações iniciais (0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40 mg·L⁻¹) de Cr(VI) e Cd(II) na capacidade de adsorção foi investigado sob pH de adsorção ideal, temperatura ambiente e tempo de adsorção de 8 h. As isotermas de adsorção foram plotadas e um modelo de ajuste foi obtido. As concentrações de Cr(VI) e Cd(II) foram determinadas por espectrometria de absorção atômica em forno de grafite. Todas as experiências foram repetidas três vezes.
A capacidade de adsorção foi calculada usando a equação (1), e a porcentagem de adsorção r foi calculada usando a equação (2). Os dados cinéticos de adsorção foram ajustados usando modelos cinéticos de adsorção de pseudo-primeira ordem e pseudo-segunda ordem (Ho et al., 1999), e suas equações são mostradas nas equações (3) e (4). Os dados termodinâmicos de adsorção foram ajustados usando modelos de isotermas de adsorção de Langmuir (Langmuir, 1918) e Freundlich (Freundlich et al., 1939). As equações são mostradas nas equações (5) e (6), respectivamente.
Kunming Mingzhu Environmental Protection Technology Co., Ltd.