Istraživanje prirodnih polimera za sanaciju heksavalentnog kroma

prirodni polimeri za remedijaciju heksavalentnog kroma
X / Twitter
LinkedIn
E-mail

Industrije diljem svijeta oslanjaju se na krom za niz primjena. Međutim, šestovalentni krom (CrVI) predstavlja veliki problem zbog svoje toksičnosti. Tu na scenu stupaju prirodni polimeri za sanaciju heksavalentnog kroma. 

Ovi održivi materijali nude obećavajuće rješenje za uklanjanje ovog onečišćivača iz naše vode. Vidite, konvencionalne metode za uklanjanje teških metala poput Cr(VI) iz otpadnih voda mogu biti skupe, zahtijevaju tone energije, pa čak i stvaraju više opasnog otpada.

Zato traženje održivijih metoda za uklanjanje ovog zagađivača iz naše vode postaje kritično.

Kako raste svijest o važnosti zaštite okoliša i održivosti, znanstvenici i inženjeri traže učinkovite, ekološki prihvatljive i pristupačne alternative.

Prirodni polimeri za remedijaciju heksavalentnog kroma označite ove okvire.

Sadržaj:

Po čemu se prirodni polimeri ističu?

Prirodni polimeri imaju nevjerojatnu sposobnost vezanja s ionima teških metala poput Cr(VI) u kontaminiranoj vodi. Ovaj proces vezivanja učinkovito hvata teški metal, sprječavajući ga da nanese štetu okolišu i živim organizmima.

Suočimo se s tim, uz strože ekološke propise i sve veću zabrinutost javnosti, pronalaženje sigurne i ekološki prihvatljive opcije za pročišćavanje industrijskih otpadnih voda ključno je, a prirodni polimeri dorasli su izazovu.

Što su zapravo prirodni polimeri?

Prirodni polimeri su materijali sastavljeni od ponavljajućih jedinica koje se nalaze u prirodi, a nazivaju se monomeri. Mnogi dolaze iz obnovljivih izvora i nevjerojatno su svestrani kada je riječ o praktičnoj upotrebi.

Zaronimo dublje: privlačnost prirodnih polimera za sanaciju heksavalentnog kroma

U redu, evo zašto je uporaba prirodnih polimera za uklanjanje Cr(VI) vruća tema u znanstvenim istraživanjima ovih dana:

  • Obiluje i obnovljivo: Majka priroda nam daje obilje ovih polimera – biljnih i morskih, kako god. Budući da se prirodno razgrađuju, za razliku od mnogih sintetičkih materijala, s vremenom se razgrađuju.
  • Niska toksičnost i utjecaj na okoliš: Ne trebaju vam jake kemikalije kada koristite prirodne polimere da biste obavili posao. Za razliku od tradicionalnih kemijskih metoda za tretiranje kontaminacije teškim metalima, prirodni polimeri neće dodati ionako velikom teretu opasnog otpada koji muči naš planet.
  • Svestranost: Jedna od zgodnih stvari kod prirodnih polimera je to što se mogu modificirati. Na primjer, znanstvenici i inženjeri mogu ih manipulirati da dizajniraju visoko selektivne materijale za ciljanje specifičnih zagađivača. Ova sposobnost da ih se prilagodi različitim uvjetima i cilja na zagađivače čini ih još moćnijima.
  • Isplativo rješenje: Razgovarajmo o praktičnosti. U usporedbi s mnogim komercijalno dostupnim adsorbentima ili drugim skupljim metodama uklanjanja teških metala, ovi su polimeri jeftiniji.

Ispitivanje njihove učinkovitosti: šaržne i kinetičke studije adsorpcije i učinkovitosti uklanjanja Cr(VI)

Znanstvenici i inženjeri provode ove laboratorijske testove koji se nazivaju "serijskim studijama" kako bi vidjeli koliko dobro određeni materijal hvata zagađivače iz otopine pod određenim uvjetima. “Kapacitet adsorpcije” odnosi se na maksimalnu količinu onečišćujućih tvari koje polimer može uhvatiti.

Druga metrika koja se koristi u ovoj vrsti istraživanja je "učinkovitost uklanjanja", koja mjeri koliko je materijal dobar u potpunom uklanjanju onečišćivača iz otopine.

U slučaju prirodnih polimera za sanaciju heksavalentnog kroma, imate ove čimbenike koji dolaze u obzir.

Svojstva polimera:

Sve se svodi na sam polimer – stvari kao što su te monomerne jedinice koje se ponavljaju, 3D raspored (struktura) polimera, koliko je dostupna unutarnja struktura materijala (poroznost) i postoje li promjene koje su napravljene na površinu materijala.

Uzeti Zeoturb, koji se ističe kada je u pitanju adsorpcija metala. Studije pokazuju da ovaj polimer morskog porijekla s puno ovih -NH2 skupine imaju jaču privlačnost prema ionima teških metala jer su u interakciji s tim slobodnim elektronskim parom na atomu N, povlačeći ga za adsorpciju.

Parametri vodene otopine:

Ovdje razmatrate početnu koncentraciju Cr(VI) u kontaminiranoj vodi. pH, temperatura (koja zapravo može povećati učinkovitost uklanjanja nekih materijala za određene zagađivače), vrijeme dok polimer i kontaminirana voda borave zajedno, pa čak i postojanje drugih iona koji se natječu za pozornost. Sve te točke dolaze u obzir.

Zapamtite ovo, pH otopine snažno utječe na naboje adsorbenata. Može odrediti dostupne oblike prisutnog kroma (Cr) i igrati ključnu ulogu u odlučivanju o konačnoj učinkovitosti prirodnog polimera u remedijaciji heksavalentnog kroma.

Utjecaj izmjene i poboljšanja:

Tu blista magija “modifikacije” – prilagođavanje prirodnih polimera da postanu još bolji adsorberi.

Igrajući se sa stvarima kao što je njegova struktura pora, udaranjem po reaktivnim skupinama, presađivanjem polimera ili njihovim spajanjem s nanomaterijalima poput nanočestice silicija, istraživači i inženjeri dobivaju taj "učinak poboljšanja".

Oni stvaraju jaču privlačnost prema ionima teških metala i smanjuju koliko se ti ioni na kraju vežu za nešto drugo, omogućujući bolju, bržu adsorpciju.

Zašto su "kinetičke studije" važne: Uvid u brzinu adsorpcije i učinkovitost zadržavanja zagađivača

Ovih dana znanstvenici se bave razumijevanjem zamršenog plesa prirodnih polimera s njihovim ciljnim zagađivačima.

Želite biti sigurni da vaši prirodni polimeri stvarno učinkovito privlače ione teških metala.

Pomalo je poput tanga; morate dobro shvatiti koliko se glatko te molekule mogu kretati kroz unutarnju strukturu tog prirodnog polimernog materijala da se vežu s aktivnim mjestima unutra za adsorpciju.

I, kako bi procijenili tu "kinetiku", inženjeri se okreću raznim modelima, koji otkrivaju naznake o tim mehanizmima zadržavanja zagađivača, identificiraju uska grla (korake koji ograničavaju brzinu) u procesu adsorpcije i kvantificiraju "apsorpcijski kapacitet".

  • Istraživanje popularnih kinetičkih modela za adsorpcijske procese: Da bismo ovo bolje razumjeli, ispitajmo nekoliko kinetičkih modela.
  1. Jednostavan ples "modela pseudo-prvog reda": U ovom osnovnom modelu brzina adsorpcije ovisi samo o jednom čimbeniku - koncentraciji onečišćujuće tvari u otopini u bilo kojem trenutku.
  2. Dodatna složenost: uđite u "model pseudo-drugog reda": ovaj model kaže da postoji interakcija koja se događa na površini adsorbenta koja diktira koliko brzo se ti ioni zagađivača vežu. Razmislite o "kemijskim interakcijama" - onim silama, bilo od suprotnih naboja, od uparivanja slobodnih elektrona ili od zamjene iona - koje određuju koliko brzo adsorbens može pokupiti one zagađivače.
  3. Putovanje kroz polimerni labirint: Navigacija "modelom intračestične difuzije": Ovdje mijenjamo brzinu kako brzo ti ioni zagađivača prolaze kroz te pore u toj prirodnoj polimernoj strukturi prije nego što zgrabe ta aktivna mjesta.

Razotkrivanje zamršenih detalja: funkcionalne skupine prirodnih polimera i mehanizmi sanacije heksavalentnog kroma

Djelovanje prirodni polimeri za remedijaciju heksavalentnog kroma leže unutar "funkcionalnih skupina" koje vise duž molekularne strukture polimera.

Ove skupine nisu samo promatrači; igraju ključnu ulogu u zadržavanju zagađivača poput Cr(VI).

Dakle, pogledajmo kako ove funkcionalne skupine preuzimaju odgovornost kada je riječ o uklanjanju Cr(VI).

Vrste vezivanja: Arsenal prirodnih polimernih funkcionalnih skupina za hvatanje Cr(VI):

  • Snažan stisak elektrostatske privlačnosti:

Uzmite one funkcionalne skupine koje nose ili pozitivan ili negativan naboj.

Na primjer, amino skupine su obično pozitivno nabijene u vodi dok su karboksilne skupine negativno nabijene.

Nabijene Cr(VI) vrste poput dikromatnih iona snažno se privlače za adsorpciju na suprotne naboje.

Kada te sile zadrže vlast, lako mogu učiniti ovu "elektrostatsku privlačnost" najistaknutijim igračem, čak nadmašujući sve maštovite redoks reakcije.

Razmisli o tome. Pozitivno nabijene amino skupine (-NH3+) uobičajeni su heroji.

Istraživači su otkrili da vole privlačiti i vezati se s negativno nabijenim kromovim oksianionima (HCrO4- ili Cr2O72-).

  • Timski rad u kelaciji:

Hajdemo ispitati što se događa kada imate nekoliko ovih "funkcionalnih skupina" sa slobodnim elektronskim parovima koji vise na tom prirodnom polimeru.

Tada dolazi "kelacija" - ioni teških metala pronalaze višestruke "ligande" za stabilnije držanje.

Razmislite o atomima kisika sa slobodnim elektronskim parovima koji se nalaze u -COOH, -OH pa čak i -SO3H grupe.

Svi se mogu povezati s Cr(VI) ionima za ovu vrstu hvatanja teških metala.

  • Promjena partnera u “Ion Exchange”:

Još jedan intrigantan igrač u svijetu sanacije heksavalentnog kroma je ova "ionska izmjena".

U ovom procesu prirodni polimeri kao što su Zeoturb, a tekući bioorganski polimer flokulant sa svojim nizom nabijenih skupina u biti zamjenjuje vlastite ione ionima teških metala.

Kationske skupine poput amina (âNH3+) skupine u nekim prirodnim polimerima privlače i izmjenjuju kromove katione, dok su anionske skupine poput karboksilnih skupina u alginatu privlačne za izmjenu kromovim anionima.

Ovaj ples se odvija bez dramatične promjene prirodnog polimera. Ključni igrač ovdje je ponovno pozitivan površinski naboj. A kada je "pozitivan", ionska izmjena će postati korak koji kontrolira brzinu za remedijaciju prirodnog polimera heksavalentnog kroma.

Smanjenje toksičnosti kroma: transformacija Cr(VI) u manje štetni Cr(III):

Ne radi se samo o hvatanju tih Cr(VI) iona.

Mnogi istraživači idu korak dalje, radeći na stvarnoj transformaciji u manje štetni Cr(III), čineći ga lakšim za uklanjanje.

Tu nastaje pravi genij prirodnih polimera za remedijaciju heksavalentnog kroma.

  • Pokretanje "redoks reakcija":

Dakle, vratimo se onim raznolikim funkcionalnim skupinama na ovim prirodnim polimerima.

Neki mogu lako donirati ili čak otimati elektrone kako bi olakšali promjenu oksidacijskog stanja kroma - proces poznat kao "redoks reakcija".

Uzmimo polimere s -OH, -CHO i -COOH. Spremno žrtvuju elektrone za Cr(VI) kako bi ga reducirali na ekološki prihvatljiv Cr(III).

Ova promjena često ovisi o okolnim pH razinama vodene otopine.

Ako studija otkrije da konačni pH (nakon tog kemijskog tanga s polimerom i kontaminantom) završi veći od 7, "taloženje hidroksida" se pridružuje zabavi.

U ovoj reakciji, pozitivno nabijeni metalni ioni poput Cr(III) reagiraju s hidroksidom (OH-) u vodi, što dovodi do ovog procesa taloženja.

Vizualizacija procesa:

Razmislite o tome na ovaj način, zamislite ion teškog metala u susretu s jednim od onih neobičnih prirodnih polimernih materijala.

Ako imate "elektrostatske sile" koje odlučuju, dobivate površinsku interakciju tih zagađujućih iona koji se zakače za vanjske reaktivne skupine na polimeru.

Kako znamo da ovo radi?

Evo što je učinjeno kako bi se potvrdilo da prirodni polimeri za remedijaciju heksavalentnog kroma stvarno djeluju.

Iskorištavanje XPS i FTIR: Ispitivanje površinskih mehanizama za adsorpciju teških metala materijalima na bazi prirodnih polimera

Istraživačima su potrebni čvrsti dokazi da pokažu heksavalentni krom
sanacija. 

Oni koriste nekoliko alata za zavirivanje u to kako se zagađivači zadržavaju na površini ili za identificiranje promjena u tim posebnim "funkcionalnim skupinama", pa čak i za praćenje putovanja Cr(VI) transformacije u nježniji Cr(III).

U nastavku je više informacija o dvije tehnike.

  • Nevjerojatno oko "rendgenske fotoelektronske spektroskopije" ili "XPS":

U ovoj tehnici osvjetljavate X-zrake. Kada se te rendgenske zrake odbiju od objekta i rasprše, izbacuju elektrone (nazivaju se "emisije fotoelektrona").

Mjerenje energije tih oslobođenih elektrona može istraživačima dati specifične uvide.

To je način na koji ti atomi na površini međusobno djeluju, identificiraju kojim elementima ti atomi pripadaju, pa čak i otkrivaju kako ti atomi dijele ili se drže elektrona.

Ova vrsta analize mogla bi otkriti površinski naboj i kemijske modifikacije prirodnog polimera nakon adsorpcije.

To može potvrditi učinkovitost prirodnih polimera za remedijaciju heksavalentnog kroma otkrivajući koliko je iona Cr(VI) ili Cr(III) prionulo na taj polimer.

  • Osvjetljavanje infracrvene zrake s "infracrvenom spektroskopijom s Fourierovom transformacijom", poznatom kao "FTIR",:

Pa promijenimo brzine kako bismo zasjali snopom "infracrvenog svjetla".

Različite veze u tim kemijskim spojevima podrhtavaju i vibriraju kada su osvijetljene na određeni način.

Kada se te specifične frekvencije apsorbiraju, znanstvenici vide sliku te interakcije između tih vibracijskih veza s infracrvenim svjetlom.

Jedinstven je (kao otisak prsta), uspješno su uhvatili specifične ione teških metala (budući da se njihovi vibracijski signali pojavljuju u spektru nakon tretmana).

Istraživači mogu pratiti promjene funkcionalnih skupina u prirodnim polimerima nakon vezanja s ionima teških metala. 

Testiranje performansi u stvarnom svijetu – korištenje sustava kontinuiranog protoka

Istraživači trebaju načine za procjenu stvarnih primjena korištenja prirodnih polimera za remedijaciju heksavalentnog kroma.

Jedna uobičajena postavka uključuje protok vode kroz cilindar napunjen tim materijalom koji zadržava zagađivače (mislite na pročistač).

Istraživači prate koliko iona na kraju prolazi za pražnjenje. Daje sliku o tome kako se ovaj "adsorpcijski sustav" nosi s kontinuiranom uporabom velikih razmjera u procesima industrijske obrade vode.

Odabir vaših polimera za ekipu za čišćenje Chromiuma

Ovo istraživanje razmatra različite materijale koje istraživači stavljaju na test.

Najbolji natjecatelji u kemiji prirodnih polimera: Kratka slika igrača

  •  Zeoturb – Ovaj jedinstveni prirodni polimer potječe iz morskog života. Studije otkrivaju da ovaj proizvod može učinkovito funkcionirati kao biosorbent za Cr(VI) i također su potvrdile da se površina ovog materijala povećala sa 6.336 na 13.521 m2/g nakon tretmana kemijskom aktivacijom, povećavajući njegovu sposobnost uklanjanja Cr(VI). Njegova pristupačnost i jedinstvene mogućnosti su razlog zašto mnogi vide Zeoturb kao praktično rješenje za obradu heksavalentnog kroma u otpadnim vodama.
  • Alginat: Ovaj materijal nalazite u izobilju u morskim algama. Kada su ga istraživači umrežili, otkrili su da ovo biorazgradivo čudo nudi impresivnu selektivnost pri ciljanju specifičnih iona teških metala.

Iskorištavanje timskog rada: partnerstvo s anorganskim saveznicima za poboljšanu sanaciju

Ne zaboravimo nevjerojatnu svestranost prirodnih polimera za uklanjanje heksavalentnog kroma.

Uzmimo "polimerne kompozite". Inženjeri poboljšavaju ta aktivna mjesta vezivanja za te teške metale - znate, stvarajući veći kapacitet.

Čak pomaže poboljšati lakoću prikupljanja, uklanjanja i čak recikliranja nakon završetka tretmana. To je pobjeda za performanse i praktičnost, dinamičan duo.

Zaključak

Na kraju, prirodni polimeri za remedijaciju heksavalentnog kroma nude nekoliko jasnih prednosti u odnosu na te konvencionalne metode – obilje, isplativost i prijeko potrebnu ekološku prihvatljivost.

Ovi polimeri koji apsorbiraju krom, poput Zeoturba, predstavljaju obećavajuću granicu u održivoj obradi vode. Njihovo obilje, biorazgradivost i svestranost čine ih atraktivnim alternativama trenutnim metodama liječenja. 

Kako istraživanja napreduju, možemo očekivati ​​učinkovitija, isplativija i ekološki prihvatljivija rješenja za rješavanje globalnog izazova kontaminacije kromom.

Integracija prirodnih polimera s inovativnim tehnologijama kao što su mikrobne gorivne ćelije i razvoj naprednih polimernih kompozita pomiču granice onoga što je moguće u pročišćavanju vode. Ovi pristupi ne samo da se bave trenutnom potrebom za učinkovitim uklanjanjem Cr(VI), već su i usklađeni sa širim ciljevima održivosti i obnove resursa.

Kako napredujemo, kontinuirano istraživanje i optimizacija rješenja temeljenih na prirodnim polimerima igrat će ključnu ulogu u zaštiti naših vodnih resursa i ublažavanju utjecaja industrijskih aktivnosti na okoliš.

Iskorištavanjem snage prirodnih materijala, poduzimamo značajne korake prema čišćoj, sigurnijoj i održivijoj budućnosti.

Kontaktirajte stručnjake za obradu vode u Genesis Water Technologies danas na +1 877 267 3699 ili putem e-pošte na customersupport@genesiswatertech.com kako biste saznali više o tome kako prirodni polimeri poput tekućeg bioorganskog flokulanta Zeoturb mogu pomoći vašoj organizaciji u održivom pročišćavanju otpadnih voda heksavalentnog kroma.

Često postavljana pitanja o prirodnim polimerima za remedijaciju heksavalentnog kroma

Što neutralizira šestovalentni krom?

Postoji nekoliko tvari koje mogu pretvoriti toksični šestovalentni krom u manje štetan oblik u vodenim otopinama.

Reducirajući agensi sa sposobnošću doniranja elektrona (pomislite na moćne antioksidanse), poput "željezovog sulfata", "natrijevog metabisulfita" i "natrijevog bisulfita", često vode naboj.

pH (koliko je otopina kisela ili bazna) tog vodenog tanga može promijeniti koliko učinkovito preuzima te heksavalentne ione kroma.

Sve se svodi na prebacivanje zaduženja Cr(VI) za ekološki prihvatljiviju izlaznu strategiju.

Drugi faktori u igri? Koliko je svaki kemijski igrač koncentriran, pa čak i okolna temperatura, utječu na njihovu učinkovitost i brzinu.

Kako sanirati šestovalentni krom?

Sanacija ili uklanjanje ovog problematičnog onečišćivača Cr(VI) ovisi o nekoliko tehnologija i metodologija za hvatanje, a ponekad čak i promjenu naboja za manje štetno ispuštanje natrag u okoliš. 

Evo kratkog pogleda:

  1. "Adsorpcija": uključuje korištenje specifičnih materijala koji lako privlače (i često hvataju) šestovalentni krom, a često se događa unutar "postrojenja za obradu" za ispuštanje otpadnih voda. Istraživači koriste i "prirodne" materijale, "sintetičke materijale", pa čak i žive organizme.
  2. “Ionska izmjena”: Ovdje se radi o kemiji. Sjetite se onih reaktivnih "funkcionalnih skupina" duž prirodnih polimernih lanaca i mnogih kreacija koje je napravio čovjek - pa, ovdje te tvari razmjenjuju svoje ione s ionima heksavalentnog kroma za učinkovito hvatanje.
  3. Prebacivanje brzina, "Kemijska redukcija": uklanjanje heksavalentnog kroma često uključuje te "reducente" koji nude svoje elektrone za manje toksičnu promjenu naboja u trovalentni krom (Cr3) 
  4. Majka priroda pridružuje se ekipi Clean Up s "Bioremedijacijom": Znanstvenici su otkrili mikrobe, pa čak i gljivice s apetitom za ovaj toksin. I polje nastavlja cvjetati s učinkovitijim strategijama za korištenje ovih živih bića – pomislite na MFC koji čak pružaju dodatnu prednost proizvodnje električne energije.

Određivanje idealne metode? Svodi se na specifične uvjete primjene kao što je količina kroma s kojom se borimo, druge prisutne kemikalije (oni konkurentski ioni) i koliko troškova možemo apsorbirati da bismo uspješno tretirali kontaminaciju.

Upamtite, “sigurno uklanjanje” ovih zagađivača iz naših “industrijskih otpadnih voda (otpadnih voda) uvijek je glavni prioritet.