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Jun 28, 2023

Captura quelante y eliminación magnética de no

Scientific Reports volumen 6, Número de artículo: 21027 (2016) Cita este artículo 7026 Accesos 28 Citas 7 Detalles de Altmetric Metrics Un método de remediación de suelos basado en el beneficio magnético es

Scientific Reports volumen 6, Número de artículo: 21027 (2016) Citar este artículo

7026 Accesos

28 citas

7 altmétrico

Detalles de métricas

Se reporta un método de remediación de suelos basado en beneficio magnético. Se utilizó un nuevo polvo quelante sólido magnético, FS@IDA (nanopartículas núcleo-cubierta Fe3O4@SiO2 recubiertas con quelantes de ácido iminodiacético), como portador magnético reactivo para capturar selectivamente metales pesados ​​no magnéticos en el suelo mediante quelación y eliminación mediante separación magnética. FS@IDA se preparó mediante reacciones de síntesis orgánicas e inorgánicas que generaron grupos quelantes en la superficie de nanopartículas magnéticas de múltiples núcleos y núcleo-cubierta de Fe3O4@SiO2 (FS). Estas reacciones utilizaron un agente acoplante de silano y cloroacetato de sodio. Los resultados muestran que FS@IDA podría quelar el componente de metal pesado de los carbonatos de Cd, Zn, Pb, Cu y Ni, el sulfato de plomo y el cloruro de plomo en sistemas de sales insolubles en agua. Los quelatos FS@IDA-Cd y FS@IDA-Pb resultantes podrían separarse magnéticamente, lo que da como resultado tasas de eliminación de aproximadamente 84,9 % y 72,2 % para Cd y Pb, respectivamente. FS@IDA no pudo eliminar los metales pesados ​​residuales y los unidos a la materia orgánica del suelo. FS@IDA no alteró significativamente la composición química del suelo y permitió una captura quelante rápida, una separación magnética simple y facilitó la elución de metales pesados. FS@IDA también podría prepararse y reprocesarse fácilmente.

Según un informe oficial publicado recientemente por el Ministerio de Protección Ambiental de China1, el 19,4% de la tierra cultivable en China está contaminada con metales pesados, como cadmio, mercurio y arsénico, y contaminantes orgánicos, como hidrocarburos aromáticos policíclicos, lo que resulta en problemas ambientales y preocupaciones sobre la seguridad alimentaria. Por ejemplo, en el “Incidente del arroz envenenado” de mayo de 2013, la Administración de Alimentos y Medicamentos de Guangzhou, China, encontró que el 44,4% del arroz y productos relacionados consumidos en Guangzhou estaban contaminados con cadmio2. Se necesita urgentemente la restauración del suelo en grandes superficies. Se han propuesto varias estrategias para eliminar metales pesados, como la lixiviación química3, la remediación electrocinética4 y la fitorremediación5,6,7,8,9,10 y se están utilizando a modo de prueba en China.

El uso de nanopartículas magnéticas (MNP) como materiales adsorbentes para abordar problemas ambientales ha recibido una atención cada vez mayor debido a sus propiedades únicas de adsorción de iones metálicos y su fácil separación de soluciones acuosas utilizando un imán11,12,13,14. Las MNP de Fe3O4 con grupos funcionales adsorbentes en sus superficies son muy adecuadas para extraer selectivamente iones de metales pesados ​​de aguas residuales o efluentes industriales15,16,17 capturando los iones metálicos en solución. Luego, las nanopartículas cargadas se pueden recuperar con un imán y posteriormente se pueden extraer los iones metálicos de las MNP. Este proceso es sostenible porque las MNP son reutilizables y no se emplean productos químicos peligrosos.

Recientemente, se prepararon MNP núcleo-cubierta únicas, específicamente Fe3O4@SiO2 (FS), que tienen grupos quelantes de superficie mediante reacciones orgánico-inorgánicas y de funcionalización de superficie18. Se prepararon partículas de FS recubiertas con ácido N-[(3-trimetoxisilil)propil]etilendiaminotriacético y se utilizaron para extraer y separar iones de tierras raras18. Estos materiales también se han funcionalizado con grupos amino, imino y sulfónicos y se han utilizado para eliminar selectivamente Pb(II) y Cr(VI) de soluciones acuosas19. Se emplearon partículas de FS funcionalizadas con porfirina para detectar, adsorber y eliminar iones Hg2+ acuosos17. La comparación de las partículas de FS funcionalizadas en la superficie con las MNP muestra que no solo tienen una resistencia mejorada a ambientes ácidos durante la recuperación magnética, sino que también adsorben selectivamente algunos iones de metales pesados, que pueden desorberse fácilmente más adelante. Sin embargo, hasta la fecha, prácticamente todos los informes publicados sobre la separación de iones de metales pesados ​​mediante partículas MNP y FS con grupos de superficie quelantes se centran en sistemas de solución acuosa. Por el contrario, la captura de otras formas químicas de metales pesados ​​en sistemas sólido-líquido y sistemas de suelo multifásicos no se ha investigado ampliamente.

En este estudio, informamos la preparación de un nuevo portador magnético reactivo elaborado recubriendo las superficies inorgánicas de un polvo magnético (FS) con quelantes de ácido iminodiacético (FS@IDA) mediante reacciones de síntesis orgánica. El material FS@IDA resultante capturó rápidamente los metales pesados ​​de los carbonatos insolubles de Cd, Zn, Pb, Cu y Ni, el sulfato de plomo y el cloruro de plomo mediante quelación, lo que volvió límpidos los líquidos en suspensión de los sistemas de sales insolubles en agua. Además, el cadmio y el plomo en la capa superior del suelo contaminado cerca de una refinería de plomo y zinc en Zhuzhou, provincia de Hunan, China, formaron complejos de quelatos sólidos magnéticos con este nuevo material y posteriormente se eliminaron del suelo mediante un imán.

La preparación de FS@IDA se muestra esquemáticamente en la Fig. 1. El producto de aminación superficial FS@-N20,21 se preparó mediante la reacción inorgánico-orgánica de partículas de FS21 con γ-aminopropiltrietoxisilano (APTES). Luego, se preparó FS@IDA mediante la reacción de sustitución nucleofílica de FS@-N con cloroacetato de sodio.

FS, Fe3O4@SiO2; APTES, γ-aminopropiltrietoxisilano; FS@-N, FS superficialmente aminado; FS@IDA, quelante magnético sólido del ácido trimetileno iminodiacético; FS@IDA-M, complejo de quelato sólido magnético; M2+, ion de metal pesado divalente.

Las imágenes del microscopio electrónico de transmisión (TEM) mostraron que los agregados de MNP (gris oscuro) estaban recubiertos con membranas de SiO2 (gris claro), lo que indica que el material FS@IDA tenía una estructura de núcleo-cubierta de múltiples núcleos con un diámetro de partícula de 0,3– 3,0 µm (Fig. 2a). En el patrón XRD de FS @ IDA, se observó un pico amplio cerca de 2θ = 23 °, lo que indica la presencia de SiO2 no cristalino (Fig. 2b). Los espectros FTIR de FS, FS @ -N y FS @ IDA (Fig. 2c) exhibieron picos de vibración de Si-O-Si a aproximadamente 1100 y 470 cm-1 y un pico de adsorción de Fe3O4 característico a aproximadamente 588 cm-1. El pico amplio en el espectro FS a aproximadamente 3448 cm-1 se asignó al pico de vibración de los grupos silanol superficiales unidos por enlaces de hidrógeno. La intensidad de este pico fue más débil en el espectro FS@IDA, lo que sugiere que algunos de los grupos hidroxilo de silicio participaron en la reacción orgánico-inorgánica. Las vibraciones de metileno de FS@-N y FS@IDA se observaron a aproximadamente 2930 y 2850 cm-1, respectivamente, y FS@IDA también exhibió un fuerte pico de adsorción de carboxilo a aproximadamente 1430 cm-1. Los resultados indican que se injertaron grupos iminodiacetato en la superficie del FS. Se midió que la concentración del grupo amido de FS@-N estaba en el rango de 0,035–0,067% (correspondiente a 0,025–0,047 mmol·g−1) mediante el método del nitrógeno de Kjeldahl y el pH de la solución estaba en el rango de 3 a 6. Por lo tanto, se supuso que la carga del grupo quelante se produjo en este rango de concentración del grupo amido.

(a) Imagen de microscopio electrónico de transmisión de FS@IDA. (b) Patrones de difracción de rayos X de Fe3O4 y FS@IDA. (c) Espectros de espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier.

Los experimentos de sorción y desorción ácida utilizando muestras FS@IDA se repitieron tres veces, y la concentración de nitrógeno de la muestra inicial y la desorción ácida la primera, segunda y tercera vez se midieron continuamente. Midieron que la concentración de nitrógeno fue 656, 646, 614 y 642 μg·g-1 (correspondientes a 0,047, 0,046, 0,044 y 0,046 mmol), respectivamente. No hubo disminución en la concentración de nitrógeno, lo que significó que la reducción del grupo efectivo fue relativamente pequeña y el FS@IDA pudo reutilizarse.

Se analizaron las propiedades magnéticas de FS@IDA (0,0455 g) (Fig. 3). Según el bucle de histéresis, la coercitividad de FS@IDA fue de aproximadamente 90 Oe, lo que obviamente indica material magnético blando. La magnetización de saturación del FS@IDA fue menor que la del Fe3O4, y disminuyó un 7,6% en un pequeño rango debido a la introducción de elementos no metálicos (C, N, O y Si), así como al efecto antimagnético y cubriente del elementos no metálicos. Este efecto también mostró que la superficie de Fe3O4 estaba completamente recubierta. La ligera disminución de la magnetización de saturación podría deberse al efecto de una capa de modificación recubierta de superficie más delgada.

Bucle de histéresis magnética de FS@IDA.

El experimento midió las propiedades magnéticas del suelo fresco y del suelo tratado con FS@IDA después de la separación magnética. La tasa de recuperación de FS@IDA se expresó como la relación entre FS@IDA seco (2,96 g) después de la separación magnética y la cantidad agregada a la muestra inicial (3 g). Los resultados muestran que el 98,7% del FS@IDA se puede reciclar. Es probable que se hayan producido errores durante el pesaje y la limpieza de las muestras, por lo que es probable que este nuevo material sea reciclable. Además, el componente principal del material era hierro, silicio y un nuevo portador magnético reactivo creado recubriendo las superficies inorgánicas de un polvo magnético (FS) con quelantes del ácido iminodiacético (FS@IDA) mediante reacciones de síntesis orgánica, por lo que no hay potencial riesgo ambiental.

El número de iones metálicos divalentes solvatados adsorbidos en FS@IDA se vio afectado por el pH, el tiempo de adsorción, la calidad de FS@IDA, la concentración inicial de cadmio y la presencia de otros iones. Inicialmente, se añadió 1 g de FS@IDA a 100 ml de soluciones de cadmio 0,89 mM y 2,67 mM, que luego se mantuvieron a temperatura ambiente durante 12 h. Se determinaron los efectos del pH, la concentración inicial de Cd2+ y la presencia de otros iones sobre la cantidad de Cd2+ adsorbido, y los resultados se muestran en la Fig. 4.

(a) Concentración inicial de Cd2+ de 2,67 mM. (b) Concentración inicial de Cd2+ de 0,89 mM.

Como se muestra en la Fig. 4a,b, la cantidad de Cd2+ adsorbida aumentó al aumentar el pH y alcanzó un máximo cuando el pH estaba entre 6 y 7. Por encima de pH 7, la cantidad adsorbida disminuyó. La concentración de H+ disminuyó al aumentar el pH, lo que resultó en una disminución en las reacciones entre los radicales carboxilato, los átomos de nitrógeno y los iones H+ y un aumento de la quelación de Cd2+. Sin embargo, el ion cadmio formó fácilmente un hidrato en condiciones alcalinas, dificultando su adsorción. Cuando las concentraciones iniciales de Cd2+ fueron 0,89 mM y 2,67 mM, las capacidades máximas de adsorción de FS@IDA fueron aproximadamente 6,40 mg·g-1 y 22,5 mg·g-1, respectivamente.

El comportamiento de adsorción incluyó adsorción tanto química como física, y la cantidad máxima de adsorción de Cd2+ estuvo relacionada con la concentración inicial de Cd2+. Generalmente, cuanto mayor sea la concentración inicial, mayor será la cantidad de adsorción. Entonces la adsorción de Cd2+ fue mayor que la carga de nitrógeno. Mientras que la concentración de nitrógeno de la muestra se midió mediante una determinación semimicro Kjeldahl, y los resultados de este método generalmente fueron bajos, lo que resultó en que la capacidad de adsorción de la curva de adsorción dinámica real fuera mayor que la carga de nitrógeno, lo que denotaba la cantidad del grupo quelante del material FA@IDA.

Además, la adsorción de Ca2+, Mg2+, Zn2+ y Hg2+ podría competir con la adsorción de Cd2+. Los efectos del Ca2+ y Mg2+ sobre la cantidad de Cd2+ adsorbido fueron los mismos y ligeramente mayores que los del Zn2+ y Hg2+. Además, cuando se usó una solución que contenía cantidades iguales de Cd2+ y Pb2+, la cantidad de Cd2+ adsorbida disminuyó aproximadamente un 50%, lo que demuestra que la presencia de Pb2+ tuvo un mayor impacto en la adsorción de cadmio que los otros iones. Estos resultados indican que FS@IDA se puede utilizar para capturar y separar selectivamente iones Cd2+ y Pb2+ solvatados.

Se agregaron varios polvos de carbonato insoluble (M = Cd, Zn, Pb, Cu, Ni), sulfato de plomo y cloruro de plomo a 100 ml de soluciones acuosas a pH 7. Las concentraciones de iones de metales pesados ​​en las soluciones fueron 100 mg·L- 1 (Cd: 0,89 mM, Zn: 1,53 mM, Pb: 0,49 mM, Cu: 1,57 mM, Ni: 1,69 mM). Se añadió FS@IDA (3,5 g, la concentración del grupo quelante era superior a 1,75 mmol·g-1) a la solución, que se agitó intermitentemente durante 12 h a temperatura ambiente. El sólido magnético se separó mediante un imán; se eliminaron los polvos de carbonato, sulfato y cloruro insolubles; y la suspensión se volvió clara (Experimento complementario S1).

En este estudio, la solubilidad del carbonato de cadmio y la concentración de iones fueron bajas en la solución, por lo que se pudo ignorar el efecto de la fuerza iónica sobre el producto de solubilidad. Además, el material FS@IDA se utilizó principalmente para la eliminación de metales pesados ​​del suelo, y la conversión de la adsorción y precipitación de metales pesados ​​no daría como resultado un cambio de pH en el fuerte sistema amortiguador del suelo. Por tanto, las soluciones acuosas se ajustaron a pH 7.

Las constantes del producto de solubilidad y concentración corresponden a las condiciones de equilibrio y a las condiciones experimentales reales, respectivamente. Los resultados de los experimentos de disolución del precipitado y captura de metales pesados ​​se muestran en la Tabla 1. Cuando se usó una cantidad adecuada de FS@IDA, los iones Cd, Zn, Pb, Cu y Ni en el carbonato insoluble y los compuestos PbSO4 y PbCl2 suspendidos en solución formaron quelatos sólidos magnéticos con FS@IDA-M, lo que permitió la eliminación magnética (Fig. 1), pero los iones de los compuestos de fosfato correspondientes no formaron quelatos con FS@IDA.

Según la teoría del equilibrio de solubilidad, cuando la constante del producto de concentración de iones Ksp′ es menor que la constante del producto de solubilidad Ksp de la sal insoluble, la sal insoluble se disuelve.

Las constantes de disociación del H2CO3 en agua son Ka1 = 4,2 × 10−7 y Ka2 = 5,6 × 10−11. El coeficiente de efecto ácido del CO32− es

En este estudio, se utilizó carbonato de plomo como ejemplo para demostrar la disolución del precipitado.

s = 1,28 × 10−5.

La concentración de [Pb2+]' de la solución fue de 1,01 × 10-6 M 12 h después de que se añadió el polvo FS@IDA. Porque

PbCO3 se disolvió en la solución, lo que llevó a la formación de FS@IDA-Pb.

Las constantes de disociación del H3PO4 en agua son Ka1 = 7,6 × 10−3, Ka2 = 6,3 × 10−8 y Ka3 = 4,4 × 10−13. El coeficiente de efecto ácido de PO43+ es

En este estudio, se utilizó Zn3(PO4)2 como ejemplo para demostrar por qué no se produjo la disolución del precipitado.

Con Ksp = 9,1 × 10−33, = 1,02 × 10−25 y > Ksp, el precipitado no se disolvió.

El sulfato y el cloruro de plomo no se hidrolizaron y, para estos compuestos, < Ksp; por lo tanto, estos precipitados se disolvieron.

Estos resultados muestran que FS@IDA podría promover la disolución de algunas sales metálicas insolubles al capturar los iones metálicos con sus grupos superficiales quelantes (Fig. 1), lo que permite la separación magnética dirigida de metales no magnéticos multifásicos.

En este estudio, la muestra de polvo de FS@IDA-Cd se obtuvo mediante separación magnética. Después de secar la muestra a 105 °C, sus elementos superficiales se analizaron con SEM-EDS22. Los puntos rojos (Fig. 5d) y los puntos verdes (Fig. 5e) en el espectro de energía completo representan átomos de carbono y nitrógeno, respectivamente, que se introdujeron durante la reacción de injerto. Los puntos morados representan iones de cadmio quelados por FS@IDA (Fig. 5f). Según el espectro de energía, se encontró que las cargas de nitrógeno y cadmio eran 3,57 y 1,07% en peso, respectivamente (Fig. 5c).

(a) Imagen SEM. (b) Espectro de puntos EDS. c) Contenido elemental relativo en el punto correspondiente. Imágenes EDS que muestran las ubicaciones de los átomos (d) C, (e) N y (f) Cd.

Los metales pesados ​​se encuentran en diferentes formas químicas en los suelos, y esas formas tienen diferentes actividades en reacciones como disolución, precipitación, coagulación y formación de complejos. Tessier et al.22 clasificaron los sedimentos y metales pesados ​​del suelo en diferentes fracciones; fracción soluble en agua, intercambiable, unida a carbonato, unida a óxido de hierro-manganeso, unida a orgánico y residual. La estabilidad química de las diferentes fracciones de metales pesados ​​es la siguiente: residual >unido a orgánico >unido a óxido de hierro-manganeso >unido a carbonato >intercambiable >soluble en agua.

Se eligió la capa superior del suelo cerca de una refinería de plomo y zinc en Zhuzhou, provincia de Hunan, porque es representativa de suelos que están significativamente contaminados por metales pesados. Esta fábrica está especializada en metales pesados ​​como Pb, Zn y Cu y sus aleaciones y combina metales pesados ​​no ferrosos como Au, Ag, Cd, In, Ge, Ga, Se y Te, con productos de la industria química como el vitriolo. Se determinó que la concentración de cadmio y plomo era 10,91 ± 2,06 mg·kg-1 y 190,0 ± 33,2 mg·kg-1 (Tabla 2), respectivamente, utilizando el método estándar GB/T17138-199723. Las formas de metales pesados ​​se analizaron mediante el método de Tessier22.

Para medir la cantidad de cadmio y plomo eliminados del suelo, se preparó una suspensión de 50 g de suelo y 150 g de agua destilada. El pH se ajustó entre 6 y 7 y se añadieron 5 g de FS@IDA a la suspensión a temperatura ambiente. Los sólidos magnéticos se separaron usando un imán después de agitación intermitente durante 7 días. La concentración de cadmio y plomo en el suelo se redujo a 1,639 y 52,7 mg·kg−1 (Cuadro 2), correspondientes a porcentajes de remoción de 84,9 y 72,3%, respectivamente. Estos resultados sugieren que las fracciones de Cd y Pb solubles en agua, intercambiables, unidas a carbonato y unidas a óxido de hierro-manganeso (pero no las fracciones unidas orgánicamente o residuales en el sistema de suelo multifásico) podrían formar quelatos sólidos magnéticos. FS@IDA-Cd y FS@IDA-Pb, que posteriormente se separaron utilizando un imán (Fig. 1 y Experimento complementario S2). Este novedoso quelante sólido magnético preparado en este estudio tiene potencial para su uso en aplicaciones de separación magnética y en la eliminación de contaminantes de metales pesados ​​del suelo.

Se sumergió FS@IDA-Cd (1 g) en ácido clorhídrico 1,0 M (100 ml) durante 1 h, lo que provocó la desorción de más del 85 % de los iones cadmio. La tasa de eliminación de Cd2+ por FS@IDA aún era superior al 55% después de tres ciclos de adsorción-desorción, lo que indica que este material puede reciclarse.

Estudios relacionados han informado que las MNP con alta eficiencia se pueden usar para eliminar metales pesados, como Cd, Pb, Cu, Hg24,25,26, en solución acuosa. En este estudio no se destacó que FS@IDA fuera un material nanométrico. De hecho, era una estructura de núcleo-capa de múltiples núcleos y el tamaño promedio de partícula no era el tamaño de partícula de nanomaterial. Además, el material de adsorción magnética a nanoescala es demasiado pequeño, mientras que en el sistema suelo-líquido y en el sistema de suelo heterogéneo, debido al efecto de fijación de la arcilla del suelo, es difícil separarlo por completo, por lo que se controló el tamaño del FS@IDA. en el rango de unas pocas micras a decenas de micrómetros. El material FS@IDA se aplicó en un sistema de suelo sólido-líquido y en un sistema de suelo heterogéneo. La condición del sistema del suelo era más complicada que en una solución acuosa. Se demostró que el FS@IDA tenía el potencial de quelar metales pesados ​​sedimentarios (M), como carbonatos, sulfatos, fosfatos y fracciones unidas a óxido de hierro y manganeso, en sólidos magnéticos solubles que eran fáciles de separar magnéticamente.

La reacción entre los iones de cadmio y FS@IDA ilustra el mecanismo de quelación. Tanto los átomos de nitrógeno como los de oxígeno del grupo quelante del ácido iminodiacético tienen pares de electrones que pueden coordinarse con iones metálicos, lo que da como resultado una estructura quelante tridentada. La superficie FS @ IDA tiene muchos grupos quelantes de ácido alquil iminodiacético que pueden coordinarse con iones metálicos a través de los átomos de nitrógeno y oxígeno para formar quelatos de anillo estables de cuatro, tres y cinco miembros dobles27. Además, el ion cadmio tiene una estructura de capa de 18 electrones con un orbital desocupado, un radio iónico relativamente pequeño y una electronegatividad relativamente fuerte y, por lo tanto, puede formar fácilmente complejos de seis o cuatro coordenadas28. En la Fig. 1 se muestran las posibles ecuaciones de reacción de quelación y la estructura FS@IDA-Cd resultante que muestra la coordinación de los grupos quelantes FS@IDA con el ion cadmio.

El quelato sólido magnético FS@IDA-Cd tenía iones de cadmio coordinados con cuatro átomos, el nitrógeno y dos átomos de oxígeno de un grupo quelante y especies en solución. H2O, OH- o ion halógeno en una configuración de anillo doble de cinco miembros. Por lo tanto, se asumió que los iones de cadmio fueron capturados mediante una reacción de adsorción quelante en la superficie FS@IDA o en la interfaz sólido-líquido.

Se midió el efecto del tiempo de adsorción sobre la cantidad de Cd2+ adsorbido en FS@IDA a diferentes temperaturas. Se añadió FS@IDA (1 g) a una solución de 100 mg·L-1 Cd2+ (100 ml) y el pH se ajustó a 7. La temperatura se ajustó a 293, 303 o 313 K. La adsorción de cadmio aumentó rápidamente dentro de las primeras 0,5 h, alcanzando más del 75% de la adsorción máxima, lo que indica que FS@IDA puede capturar estos iones rápidamente (Fig. 6a). La formación de enlaces químicos durante el proceso de adsorción fue el factor clave que afectó la adsorción dinámica secundaria y además se asumió que el cadmio se adsorbía principalmente en FS @ IDA mediante quelación (Fig. 6b).

(a) Efectos del tiempo de adsorción sobre la cantidad de Cd2+ adsorbido en FS@IDA a diferentes temperaturas. (b) Los datos a 293 K se simularon utilizando un modelo de dinámica cuasi secundaria, donde k2 es la constante de velocidad de adsorción, Qe es la cantidad adsorbida en el equilibrio (mg·g−1) y Qt es la cantidad adsorbida en el tiempo t ( mg·g-1).

Para lograr una eliminación altamente selectiva y eficiente de metales pesados ​​del suelo contaminado, se preparó un nuevo material híbrido inorgánico-orgánico, el polvo quelante sólido magnético FS@IDA. Las partículas inorgánicas de FS mostraron un magnetismo suave y los grupos de ácido alquil iminodiacético orgánico en la superficie de la partícula pueden capturar metales pesados ​​mediante quelación. Específicamente, FS@IDA puede coordinarse con los metales pesados ​​(M) de los carbonatos de Cd, Zn, Pb, Cu y Ni, sulfato de plomo y cloruro de plomo, que eran insolubles en los sistemas acuosos probados, para formar FS@IDA-M para magnéticos. separación. Sólo las especies de metales residuales y orgánicas del suelo no pueden ser queladas por FS@IDA. Además, FS@IDA-M podría reprocesarse y reciclarse fácilmente mediante un tratamiento ácido. Este material tiene el potencial de usarse para eliminar selectivamente metales pesados ​​no magnéticos de sistemas de suelo multifásicos en condiciones naturales mediante separación magnética y podría usarse potencialmente para purificar y gestionar grandes áreas de tierras agrícolas contaminadas con metales pesados.

Polvos de Fe3O4 (Tianjin Bodi Chemical Engineering Co., Ltd., Tianjing, China), tetraetoxisilano (TEOS) (Tianjin Fuchen Chemical Reagent Factory, Tianjing, China), APTES (Hubei Wuda Organosilicon New Material Co., Ltd., Wuhan, China) ) y cloroacetato de sodio (Instituto de Investigación de Química Fina Tianjin Guangfu, Tianjing, China).

TEM (Hitachi H-800), SEM (Hitachi SU-8010), XRD (Bruker AXS D8 Focus), Avatar 370 FTIR (US Nicolet), VSM (HH-10, Nanjing Nanda Instrument Plant) y Z-2000 AAS ( Se emplearon instrumentos Hitachi).

Se agitaron TEOS (9 g) y Fe3O4 en polvo (10 g) en 70 ml de etanol anhidro a 50 °C. Luego, se añadió gota a gota a la suspensión con agitación una solución de 12 ml de hidróxido de amonio, 30 ml de etanol y 14,4 ml de agua desionizada y se dejó reaccionar la mezcla durante 8 h. El producto se separó mediante un imán y se lavó con agua. Finalmente, el polvo de FS resultante se secó al vacío a 70 °C hasta un peso constante.

El polvo de FS (5 g) se añadió a 150 ml de etanol anhidro y se añadió 1 g de APTES después de agitar. La solución de reacción se ajustó a pH 5. La reacción se mantuvo a 40 °C durante 5 h. Después de la reacción, el producto se separó usando un imán y se lavó con agua. Las partículas magnéticas de FS-N se secaron a 105 °C para generar la estructura núcleo-cubierta de múltiples núcleos aminada.

Se disolvieron FS-N (5 g), cloroacetato de sodio al 3% en peso (100 ml) y una solución de amoníaco al 10% v/v (10 ml) en 100 ml de agua destilada. La solución de reacción se mantuvo a 70 °C durante 8 h. Luego, el producto se separó mediante un imán y se lavó con agua destilada. El polvo de FS@IDA se obtuvo mediante la reacción de sustitución nucleofílica de FS@-N con cloroacetato de sodio después de secar a 105 °C.

Se agregaron muestras de suelo (30 g, tamizadas con malla 100) a 75 ml de agua destilada y se agitaron durante 10 minutos para preparar una suspensión de suelo con una proporción de agua de suelo de 2,5. Se utilizó un imán columnar con una intensidad de campo magnético de 5000 gauss para eliminar materiales magnéticos de la suspensión del suelo. Se añadió FS@IDA (3 g) a la suspensión del suelo y se agitó durante 30 min. Luego, las muestras se separaron magnéticamente después de reposar durante 120 min, y las partículas de suelo de la superficie del FS@IDA se lavaron con agua destilada, se secaron a 70 °C y se pesaron.

Se colocó una solución de cadmio con una concentración determinada en un vaso de precipitados y se añadió FS@IDA. Se ajustó el pH. Después de reaccionar a temperatura ambiente, el producto final se separó utilizando un imán. Se midió la concentración de cadmio residual en la solución para calcular la cantidad adsorbida en FS@IDA y la tasa de eliminación de cadmio.

La fórmula para calcular la cantidad adsorbida es

La fórmula para calcular la tasa de eliminación de cadmio es

La concentración inicial y el volumen de la solución de cadmio se denotan por C0 (mg·L-1) y V0 (mL), respectivamente. La concentración y el volumen de la solución de cadmio después de la reacción de adsorción se denominan C1 (mg·L-1) y V1 (mL), respectivamente. La masa de FS@IDA utilizada es m0 (g).

Se sumergió FS@IDA-Cd (1 g) saturado en 100 ml de ácido clorhídrico 1 M y las sustancias magnéticas se separaron usando un imán después de que se permitió que el cadmio se desorbiera agitando a temperatura ambiente durante 1 h. Se midió la concentración de cadmio en la solución y se calculó la tasa de desorción como:

La concentración y el volumen de la solución de cadmio después de la desorción se denotaron por C2 (mg·L-1) y V2 (mL), respectivamente. La masa de cadmio adsorbida por FS@IDA se denominó m2 (g).

Cómo citar este artículo: Fan, L. et al. Captura quelante y eliminación magnética de sustancias metálicas pesadas no magnéticas del suelo. Ciencia. Rep. 6, 21027; doi: 10.1038/srep21027 (2016).

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Esta investigación fue apoyada por el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo de Alta Tecnología (Programa 863) a través del Duodécimo Plan Quinquenal (2011AA100503) y el Fondo Abierto del Laboratorio Clave Provincial de Hubei para Ciencia de Materiales Catalizadores (CHCL06008). La Facultad de Ciencia de Materiales y Química de la Universidad de Geociencias de China (Wuhan) y el Instituto de Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible en Agricultura de la Academia China de Ciencias Agrícolas contribuyeron por igual a este trabajo, y todos se consideraron como la primera afiliación. Los trabajos del Dr. LR Fan, el Dr. SP Wang, el Dr. M. Zeng, el Sr. XM Li, el Sr. Y. Zhou y el Dr. HF Li han sido financiados por el Fondo Abierto de Ciencia de Materiales Catalizadores del Laboratorio Provincial Clave de Hubei (CHCL06008). El trabajo del Dr. JQ Song y el Dr. WB Bai' recibió el apoyo del Programa Nacional de I+D de Alta Tecnología (Programa 863) a través del 12º Plan Quinquenal (2011AA100503). El Sr. HW Lu recibió una compensación como director de Hunan Modern Environment Technology Co., Ltd. Esta empresa no proporcionó fondos para los experimentos y no necesita información relacionada con el desarrollo del producto, ni tampoco le importa como unidad en el manuscrito.

Facultad de Ciencia de Materiales y Química, Universidad de Geociencias de China (Wuhan), Wuhan, 430074, Hubei

Liren Fan, Shengping Wang, Ming Zeng, Xiaoming Li, Yang Zhou y Haifeng Li

Instituto de Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible en Agricultura, Academia China de Ciencias Agrícolas, Beijing, 100081

Jiqing Song y Wenbo Bai

Hunan Modern Environment Technology Co., Ltd, Changsha, Hunan

Haiwei Lu

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F.-LR concibió y diseñó la aplicación de FS@IDA, analizó su principio químico y mecanismo quelante y redactó el artículo. S.-JQ diseñó la aplicación de FS@IDA para el tratamiento de la contaminación del suelo y escribió el manuscrito con F.-LR, B.-WB realizó algunos de los experimentos con el suelo y escribió algunos párrafos del manuscrito. L.-XM realizó la mayoría de los experimentos, incluida la preparación del FS@IDA, la caracterización de la estructura y el estudio de rendimiento. W.-SP participó en la caracterización del material, estudio de funcionamiento y concepción del tratamiento de la contaminación del suelo. Z.-M. participó en la preparación del material y editó el texto en inglés. Z.-Y. realizó el análisis elemental, mediciones de cadmio y análisis de principios químicos. L.-HF ayudó con la caracterización de la estructura y el estudio de desempeño. L.-HW proporcionó las muestras de suelo y exploró los requisitos de aplicación.

Correspondencia a Jiqing Song.

Los autores no declaran tener intereses financieros en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Fan, L., Song, J., Bai, W. et al. Captura quelante y eliminación magnética de sustancias metálicas pesadas no magnéticas del suelo. Representante científico 6, 21027 (2016). https://doi.org/10.1038/srep21027

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Recibido: 15 de junio de 2015

Aceptado: 15 de enero de 2016

Publicado: 16 de febrero de 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep21027

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