מתכת כבדה נשלפת ממים באמצעות חומרים קו-ידידותיים לסביבה

מתכת כבדה נשלפת ממים באמצעות חומרים קו-ידידותיים לסביבה

זיהום מתכת כבד במקורות מים הוא דאגה גלובלית דחופה, עם מזהמים כגוןעופרת, כספית, קדמיום, כרום, ואסרנית מעמידה סיכונים חמורים למערכת האקולוגית ובריאות האדם. מתכות אלה הן לא ניתנות למדידה ונוטה לצבור ברמות חיים, ומובילות להפרעות כרוניות, כולל נזק עצבי, הפרעות התפתחותיות, ומקורות שונים של זיהום מתכת כבד מגופים סביבתיים (אך) כמו הגנה מפני מים לקויים (WHO) יש עדיין חומרים מסוכנים (אופטיים) כמו ארגונים סביבתיים).

טכניקות להסרת מסורתיות – כגון משקעים כימיים, החלפת ion, סינון קרום, ומודעות פחמן מופעלות - הן יעילות לעתים קרובות אך מגיעות עם חסרונות משמעותיים.הם יכולים להיות אנרגיה-רגישים, לייצר פסולת משנית, לדרוש חומרים יקרים, ואולי לא להיות בר קיימא בפתרונות המוגבלים למשאב.זה הוביל מחקר אינטנסיבי בחומרים מורכבים לסביבה אקולוגית או ביולוגית עם חומרים אחרים, כדי ליצור חומרים סביבתיים זולים, מציעים טיפול יעיל.

מקורות והשפעות בריאות של מתכת כבדה

(ב) [15] [17] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

בהתחשב הרעילות והעקשנות של אלה contaminants, טכנולוגיות ניתוק יעילות וזמינות נדרשים בדחיפות. ... [+] מרכיבים ידידותיים לסביבה הופיעו כמועמד מוביל בשל יעילות גבוהה שלהם, טביעת רגל סביבתית נמוכה ופוטנציאל לייצור מקומי מחומרי פסולת.

הבנת חומרים הקשורים לסביבה

תרכובת ידידותית לסביבה היא חומר המורכב משני מרכיבים שונים יותר - לפחות אחד מהם הוא ביו-דידה, מתחדש, או נגזר מפסולת טבעית - אשר יחד להציג תכונות גבוהות יותר להסרת מתכת כבדה.הסינרגיה בין רכיבים לעתים קרובות משפרת את יכולת המודעות, יציבות מכנית, וגמישות. עקרונות מרכזיים המניעים את העיצוב של תרכובות אלה כוללים קיימות (שימוש של משאבים מתחדשים), יכולת ביולוגית (מינימום זיהום אנרגיה נמוכה וזיהום אנרגיה), ומהירות נמוכה.

חומרים אלה מאופיין בדרך כלל על ידי שטח פני השטח גבוה, קבוצות פונקציונליות בשפע (למשל, hydroxyl, carboxyl, amine), ואת היכולת להיות regenerated לאחר השימוש. הגישה המורכבת מאפשרת לחוקרים להתאים את הכימיה משטח ואת המבנה pore עבור זרמי מתכת ספציפיים, השגת יעילות הסרת כי לעתים קרובות יריב או מעל אלה של מודעות קונבנציונליות.

למה "ידידותיות"

מודעות לאמנה כמו פחמן מופעל, ion-exchange resins, ומסגרות אורגניות מתכת (MOFs) יכול להיות יעיל אבל יש עלויות ייצור גבוהות ונטל סביבתי.הפעלה ייצור פחמן, למשל, דורש טמפרטורות גבוהות ולא חידושים של הזנות, לעומת זאת, תרכובות אלקטרוניות לעתים קרובות להשתמש בהערכה חקלאית או תעשייתית על ידי עקבות - כגון נזלת אורז, קליפות ממותק, או מנפחות מים.

סוגים עיקריים של אקו-חברתי Composites for Heavy Metal Removal

מגוון רחב של חומרים טבעיים ופסולת נחקרו כרכיבי בסיס עבור תרכובות.קטגוריות הנלמדות וההבטחות ביותר מתוארות להלן.

המונחים: biochar-based Composites

ביוכריז הוא חומר עשיר פחמן המיוצר על ידי pyrolysis של ביומסה אורגנית (למשל, עץ, יבול, שאריות, מנייר) תחת חמצן מוגבל.מבנה ה ⁇ שלה ותפקוד פני השטח להפוך אותו נפוץ מצוין עבור היווצרות מורכבת. biochar מורכב בדרך כלל נוצר על ידי ערבוב ביושר עם תחמוצות מתכת (למשל, ברזל, manganese, או מגנזיום), או מינרלים אורגניים, כדי לשפר את היכולת פולימר.

(FLT:0) מינקניזם:FLT:1 ביוכריז מודעות מתכות כבדות באמצעות משיכה אלקטרוסטטית, חילופי יון ומורכבות פני השטח. תוספת של תחמוצת ברזל, למשל, יכול לקדם מודעות ארסן באמצעות החלפת ligand, בעוד מגנזיום שכבות תחמוצת עלייה pH ליד פני השטח, לטובת משקעים מתכת.

(FLT:0) Examples:FLT:1 biochar-Fe3O4 מורכב להסרת סימולטני ו- arsenic; היברידיות ביוכריז-צ'יטוסאן עבור ספיגה מוגברת של קדמיום. מחקרים הראו כי יכולות הסרה מעל 200 מ"ג /g עבור להוביל בתנאים המתאימים.

קליי-פוימר Composites

מינרלים טבעיים כגון מונטמורלייט, קאוליניט, ו bentonite יש יכולות חילופין גבוהות ושפע קבוצות הידרוקסיל משטח בשפע.עם זאת, חימר גולמי יכול להיות קשה להפריד מים לאחר טיפול. על ידי הטמעת חלקיקים לתוך פולימרים ברומנים biodegradable (למשל, פוליווייל אלכוהול, כוכב, תאוז), ליצור מדענים חזקים, מטופלים בקלות להיות סרטים מורכבים או יכולת חיים כיבדחת.

(FLT:0) מינקניזם: איור 1:1 (intercalation and Surface Reference) של מתכת לוכדים בין שכבות חימר או כבול לקבוצות פונקציונליות פולימר.נפיחות של פולימר במים חושפת אתרי מודעות טריים.

(ב) ⁇ :0) ,[דרוש מקור]: [ה] [ה] [ה]] [ה']'[דרוש מקור]'], ו[דרוש מקור] [ב[[1924]]]

צ'יטוסאן - מבוסס Composites

צ'יטוסאן, הנגזר מ ⁇ קרום, הוא אחד הביופוחיות המלומדים ביותר לטיפול במים.קבוצות האמינו וה הידרוקסיל שלה לפעול כמו אתרים מחייבים חזקים עבור תות מתכת כבדה וoxyanions. עם זאת, צ'יטוסאן טהור הוא חלש מכני ומתמוסס בתנאים חומציים.comiting עם חומרים אחרים - כגון גרפן גרף, תחמוצפנת, אח"כ, צינורות מגנטיים או חלקיקים.

(FLT:0) מינקניזם: FLT:1 צ'לציה ואינטראקציה אלקטרוסטטית.קבוצות amine חופשי (NH2) של שיטוסאן לתאם עם תצלומי מתכת, בעוד האופי הידרופילי של פולימר מסייע מתכת diffusion לתוך המריצה.

(FLT:0) Examples:FLT:1 צ'יטוסאן-מגנטי חלקיקים עבור הפרדה קלה והסרה להוביל; צ'יטוסאן-ביונכריז מורכב להסרת סימולטנית של מתכות מרובות; הידרוג'לים שינטוסאן-תאים אלה למודעות גבוהה של מים.

המונחים: Alginate- Based Composites

אלג'ינאטה, מופקת מ-חום Seaweed, יוצרת ג'לים בנוכחות של כתמים די שווים.נכס ג'לציה זה משמש כדי לבודד מודעות אחרות (למשל, חימר, ביושר, פחמן מופעל) לתוך חרוזים. Alginate עצמו יכול לקשור מתכות באמצעות קבוצות carboxyl, מה שהופך אותו חומר ממטריקס מעולה.

(FLT:0)Examples: FLT:1 קלקליום-אלג'ינאטה עם זאוליט מוטבע להסרת מוביל וגזרום; אלג'ינטה-גרף ארובד לפרסומות אולטרה סגולות של נחושת ופטפטן כחול (למרות שצבעים אורגניים אינם מתכות כבדות, עקרונות דומים).

cellulose ננוקריסטל (CNC) ו-Nanofibril (CNF) Composites Composites

צלולוז משקע עץ או פסולת חקלאית יכול להיות שבור לתוך nanocrystals או ננופיבר עם יחס היבט גבוה וקבוצות הידרוקסיל משטח בשפע. nanomaterials אלה ניתן לשלב עם פולימרים, חלקיקים מתכת, או biocides כדי ליצור ⁇ מאוד, מכני חזק membranes או ספוגים עבור מחמת מתכת כבדה.

(FLT:0) Advantage:FLT:1 Cellulose הוא מתחדש, biodegradable, והוא יכול להיות שונה מבחינה כימית (למשל, carboxylation, amination) כדי להציג אתרים מחייבים חזקים.

עוד מיצגים

(ב) ⁇ :0 (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מכניזם של מתכת כבדה נשלל על ידי אקו-חברתי Composites

הבנת האופן שבו מסובכים אלה מסירים מתכות כבדות היא חיונית לקידוד העיצוב והפרמטרים התפעוליים שלהם.המנגנונים העיקריים המעורבים הם:

מודעות

התהליך הדומיננטי, שבו תות מתכת לדבוק על פני השטח המורכב באמצעות כוחות פיזיים (van der Waals) או אג"ח כימי (chemisorption) (שטח פני השטח הגבוה ונפיחות של חומרים כמו ביושר וחימר מספקים אתרים פעילים נרחבים.יעילות אדמירציה תלויה ב- pH, טמפרטורה, זמן מגע וריכוז מתכת ראשוני.

Ion Exchange

מסובכים רבים (במיוחד אלה המכילים חימר או שיוטוסאן) נושאים צגים ניתנים להחלפה (למשל, Na+, Ca2+, H+) שניתן להחליף אותם במושגים מתכתיים כבדים.לדוגמה, ברכיבים מרחפים, cms בין-laminar עשויים להחליף עבור Pb2+ או Cd2+.תהליך זה הוא לעתים קרובות תלוי pH.

מורכבות

קבוצות פונקציונליות על המורכב - כגון -OH, -COOH, -NH2, -SH - רפורמות חזקות עם צילומי מתכת. קבוצות amine של צ'יטוסאן יעילות במיוחד עבור נחושת מורכבת אבץ. אג"ח אלה הם לעתים קרובות יציבים מספיק כדי לאפשר הסרה סלקטיבית אפילו בנוכחות של מושגים מתחרים.

הריון

במקרים מסוימים, ה- pH המקומי ליד פני השטח שלו, גורם מתכות להתרבות כמו הידרוקסידים או פחמן.ד. oxide-biochar מורכב הוכח כדי לגרום למשקעים ארסן כמו אפריק מולד.

Reduction

תרכובות מסוימות יכולות להפחית את מיני מתכת רעילים לצורות פחות מזיקות או פחות ניידות.לדוגמה, חלקיקים של ברזל אפס-ערך המוטבעים במריצה צ'יטוסאן יכולים להפחית Cr(VI) ל- Cr(III), שהוא פחות רעיל ומודעות נינוחה יותר.

משיכה אלקטרוסטטית

מסובלים רבים נושאים מטען משטח נטו שמושך ציות מתכת טעונות באופן מנוגד.מנגנון זה רלוונטי במיוחד להסרת כרית (למשל, Cr(VI) אוקסניות) כאשר פני השטח המורכבים הוא פרוטון ומואשם חיובי ב pH נמוך.

היתרונות של אקו-חברתי Composites על שיטות לאמנה

המעבר לכיוון מורכב ידידותי לסביבה מונע על ידי מספר יתרונות משכנעים:

אחריות וכלכלה מעגלית

להאכיל עבור אלה מרוכבים הם לעתים קרובות שאריות חקלאיות, תוצרים תעשייתיים, או ביופוחיות מתחדשות.שימוש בהם לטיפול במים יוצר ערך מפסולת, מפחית את נטל הקרקע, ומפחית את טביעת הרגל של תהליך הטיפול.כמה מסובכים ניתן לסווג או לחדור בבטחה לאחר השימוש, המאפשר התאוששות מתכת.

עלויות-אווירה

חומרי גלם עבור ביושר, חימר, שיטוסאן ואלג'ינאטה זמינים נרחב ו זול יחסית תהליכי ייצור (pyrolysis, ג'לציה, extrusion) הם פחות אנרגיה מאשר ייצור רזים סינתטיים או עתירי זמן גבוהה מופעל פחמן.זה הופך את הסביבה אקולוגית ידידותית במיוחד אטרקטיבית עבור אזורים בעלי הכנסה נמוכה וטיפול במים מבוזרים.

יעילות גבוהה וזמינות רחבה

מסובכים רבים מפגינים יעילות הסרת התפוקה העולה על 90% עבור מתכות כבדות במקביל, בריכוזים החל מחלקים ל- מיליארד חלקים למיליון. הם יכולים להיות מותאמים עבור תות מתכת ספציפיות על ידי התאמת כימיה משטח או הרכב מורכב.

Biodegradability וזיהום משני נמוך

בניגוד לפולימרים סינתטיים או מושקעים פחמן מופעל הדורשים סילוק מיוחד, רבים מהרכיבים ידידותיים לסביבה יכולים להיות מפורשים לאחר התאוששות מתכת או אדמה מלאה בבטחה ללא שחרור מזיק על ידי מוצרים.זה מקטין את האחריות הסביבתית ארוכת טווח.

Ease of Use and Scalability

Composites יכול להיות מיוצר כמו חרוזים, מלמבריונים, סרטים, או אבקות בשימוש בעמודות שטוחות קבועות, לעורר טנקים, או מערכות סינון.העיצוב שלהם יכול להיות מותאם למפעלים עירוניים בקנה מידה גדול או מסננים ביתיים בקנה מידה קטן.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה שלהם, מסובכים ידידותיים לסביבה מתמודדים עם כמה מכשולים שיש להתגבר עליהם על הפריסה נרחבת.

חידוש ויציבות

רבים מהחומרים הטבעיים סובלים מביצועים מופחתים לאחר מחזור המודעות הראשון.שיטות של Desorption (באמצעות חומצות, בסיסים או סוכנים chelating) יכולות להיות יעילות אך עלולות לפגום במבנה המורכב.פיתוח תרכובות חזקות שיכולות לעמוד בתקופות מרובות של חידוש ללא אובדן יכולת משמעותי הוא אזור מחקר פעיל.

סקלאלה וייצור קונסיסטנסיות

ייצור בקנה מידה מעבדה לעתים קרובות מניב חומרים ביצועים גבוהים, אבל קנה לכמויות מסחריות תוך שמירה על איכות עקבית (למשל, גודל פומר, צפיפות קבוצתית פונקציונלית) הוא מאתגר. Variability ב biomass Feedstock יכול להוביל להבדלים אצווה-to-batch.

אפשרויות ל-Bolware Metal Systems

מי פסולת אמיתי מכיל מתכות מרובות ומושגים מתחרים (למשל, Ca2+, Mg2+, N+) מסובכים רבים להציג העדפה למתכות מסוימות, המוביל לפרסומות תחרותיות המפחיתות את היעילות עבור contaminants מטרה. עיצוב מרוכבים עם בחירה גבוהה נשאר עדיפות.

יציבות מכנית ו הידרודינמית

כמה מרוכבים, במיוחד הידרוגלס, יכולים להתמוסס או להתפורר תחת לחץ הרהר או בתנאים חומציים / אלקלקטיים. Enhancing כוח מכני ללא יכולת אופטימיזציה של מודעות נדרש עבור יישומי עמודה.

ניהול חיים

בעוד שתרכובות הן ביו-דיד, גורל המודעות של מתכות כבדות לאחר שסילוק הוא דאגה.אם מגובש, מתכות עשויות להיות משוחררות בחזרה לסביבה.שיקום בטוח של מתכות מסובלות (למשל, על ידי אי-סימפציה ונשמל) הוא שדה מתפתח שזקוק לפיתוח נוסף.

כיוונים עתידיים וחדשנות

החוקרים מטפלים באתגרים אלה באמצעות גישות חדשניות שיכולות להפוך את התחום.

ננו-חומר-Enhanced Composites

שילוב חלקיקים (למשל, צינורות פחמן, תחמוצת גרפן, ננו חלקיקים מתכת) לתוך מטבול טבעי יכול להגדיל באופן דרסטי את שטח פני השטח ולהציג אתרים פעילים חדשים.לדוגמה, תרכובות סגסוגת גרפן חמצני הראו יכולת מודעות יוצאת דופן עבור מוביל ופרקמיום.עם זאת, הרעילות והעלות של ננו-חומרים חייבים להיות מנוהל בקפידה.

היברידית ורב-Functional Composites

שילוב מנגנוני הסרה - כגון מודעות בתוספת photocatalysis או הפחתת - עם אחד מורכב.לדוגמה, מורכב של דו תחמוצת טיטניום צ'יטוסאן יכול גם מודעות כבדות מתכות ומזהמים אורגניים מדרג כאשר נחשפים לאור.

Bio-Inspired ו-Green Synthesis

תהליכים טבעיים מימתיקים (למשל, ביו-מיןיזציה) או באמצעות מיקרואורגניזמים לייצר חומרים מורכבים.תאים Bacterial בשילוב עם peptides מתכת הוא דוגמא אחת. תמצית צמחים ניתן להשתמש גם כדי להפחית ולייצב חלקיקים מתכת בתוך מקררבים, לחסל את הצורך בכימיקלים קשים.

ספווסקים חכמים

חומרים שמשנים את יכולת המודעות שלהם או את הבחירה בתגובה לגירויים סביבתיים (pH, טמפרטורה, אור) לדוגמה, שיוטסאן-פואלי (N-isopropylacrylamide) המורכב כי swells בטמפרטורות ספציפיות כדי לשחרר או מודעות.

שילוב עם אנרגיה מתחדשת

סינון מבוסס מורכב עם משאבות המופעלות על ידי השמש או באמצעות חום נמוך מאספן תרמי השמש עבור שלבים חידוש.זה יכול לעשות את מערכות הטיפול הכולל פחמן-ניטרלי מתאים למקומות מחוץ לריד.

עיצוב ולמידה של מכונות

באמצעות סימולציות מולקולריות ו-AI כדי להאיץ את גילוי ואופטימיזציה מורכבים.מודלים של למידת מכונות המוכשרים על נתונים קיימים של מודעות יכולים לחזות שילובים חומריים חדשים ותנאי תפעול, צמצום הניסוי במעבדה וטרור.

תוצאות חיפוש ויישומים אמיתיים

כמה פיילוט בקנה מידה מלא יישום להראות את האפשרות של תרכובות ידידותיות אקולוגית.לדוגמה, יחידות סינון מבוססות ביושר הוקמו בקהילות כפריות בהודו ואפריקה שמדרום לסהרה כדי להסיר אסרנית ופלואוריד ממי הקרקע. Chitosan beads זמינים מסחרית עבור מי פסולת תעשייתית ללטש.

מחקרים מראים כי תרכובות ביו-כריז יכולות להפחית את הריכוז המוביל מ 500 pb עד מתחת 10 ppb במבצע עמודה רציף, עמידה בהנחיות של ארגון הבריאות העולמי באופן דומה, alginate-kaolin beads שימש לטיפול במכשולים כרייה, השגת > 95% הסרת נחושת ואבץ בשבריר של עלות של שינויים קונבנציונליים של ion-exchanges.

מסקנה

חומרים מורכבים ידידותיים לסביבה מייצגים שינוי פרדיגמה בהסרה כבדה של מתכת מן המים, המציעים אלטרנטיבה בת קיימא, יעילה ויעילה לטכנולוגיות קונבנציונליות.על ידי valorizing פסולת חקלאית ותעשייתית, אלה מורכבים התואמים עם עקרונות כלכלה מעגלית תוך מתן מים בטוחים והגנה על מערכות אקולוגיות מימיות מתקדמות נעשות בהבנה מנגנוני הסרת חומרים מורכבים, פיתוח סוגים מורכבים, והפגנת יכולת עמידה.