Эффективный метод для селективного опреснения анионов радиоактивного йода с использованием золотых наночастиц встроенный мембранный фильтр

Эффективный метод для быстрого и ионоселективного опреснения радиоактивного йода в несколько водных растворах описан с использованием золотых наночастиц прикол ацетилцеллюлозы мембранные фильтры.

Здесь мы демонстрируем детали протокола для подготовки наноматериалы встроенный композитных мембран и его применение к эффективной и ионоселективного удаления радиоактивный йод. С помощью цитрат стабилизированный наночастиц золота (средний диаметр: 13 Нм) и ацетат целлюлозы мембраны, золото легко были сфабрикованы наночастиц встроенный ацетат целлюлозы мембраны (Au-CAM). Нано адсорбенты на Au-CAM были весьма стабильными в присутствии высокой концентрации неорганических солей и органических молекул. Йодид-ионов в водных растворах быстро может быть захвачен этой инженерии мембраны. Через процесс фильтрации с помощью Au-CAM, содержащий фильтр единицы, отличные удаления эффективность (> 99%) также как ионоселективного опреснения результат был достигнут в течение короткого времени. Кроме того АС-CAM предоставил хорошую возможность повторного использования без значительного снижения своих выступлений. Эти результаты предложили нынешней технологии с использованием инженерии гибридные мембранные будет многообещающий процесс для крупномасштабных обеззараживания радиоактивного йода от жидких отходов.

На протяжении нескольких десятилетий огромное количество жидких радиоактивных отходов был порожденных медицинских институтов, научно-исследовательских учреждений и ядерных реакторах. Эти загрязнители часто была ощутимой угрозы для окружающей среды и здоровья человека^1,2,3. Особенно радиоактивный йод признается в качестве одного из наиболее опасных элементов АЭС аварий. Например, экологической доклад о Фукусима и Чернобыль, ядерный реактор показал, что количество выпустила радиоактивный йод, включая ¹³¹I (t_1/2 = 8,02 дней) и ¹²⁹я (t_1/2 = 15,7 млн лет) в окружающую среду было больше, чем из других радионуклидов^4,5. В частности воздействие этих радиоизотопов привели к высокой поглощения и обогащения в щитовидной железы человека⁶. Кроме того выпущенный радиоактивный йод может вызвать серьезное загрязнение почвы, морской воды и грунтовых вод вследствие их высокой растворимостью в воде. Таким образом были расследованы много восстановительных процессов с использованием различных неорганических и органических адсорбенты для захвата радиоактивный йод в сточные воды^{,78,9,10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20}. Несмотря на обширные усилия для разработки передовых адсорбента систем, создание метода обеззараживания показаны удовлетворительные выступления под постоянное состояние в поток был весьма ограниченным. Недавно мы сообщили процесс роман опреснения, показаны хорошие удаления эффективность, Ион избирательности, устойчивости и повторного использования с помощью гибридного нано композитные материалы из золотых наночастиц (AuNPs)^{21,22 , 23}. среди них, золотых наночастиц встроенный ацетилцеллюлозы мембраны (Au-CAM) способствовало высокоэффективных опреснения йодид-ионов в непрерывный поток системы, по сравнению с теми из существующих адсорбирующие материалы. Кроме того вся процедура может быть завершена в течение короткого времени, которое было еще одно преимущество для лечения ядерные отходы, образующиеся после использования в медицинских и промышленных целей. Общая цель этой рукописи является предоставлять пошаговые протокол для подготовки Au-CAM²⁴. Мы также демонстрируют процесс фильтрации быстрый и удобный для ионоселективного захват радиоактивного йода с использованием инженерии композитных мембран. Подробный протокол в настоящем докладе будет предлагать полезное применение наноматериалов в области исследований экологической науки.

1. синтез наночастиц золота цитрат стабилизированный

1. Вымойте двух шея раунд нижней колбе (250 мл) и магнитный перемешать бар с aqua regia, смесь концентрированной соляной кислоты и концентрированной азотной кислоты в соотношении 3:1 тома.
   Предупреждение: Aqua regia решения чрезвычайно агрессивных и может привести к взрыву или кожа горит, если не подходить с крайней осторожностью.
2. Промойте стекло тщательно с дейонизированной водой для удаления остатков водного раствора кислоты.
3. Добавить 120 мл раствора Тетрахлороауратовая кислоты (HAuCl₄, 1 мм) в двух шея раунд нижней колбе (250 мл) и тепло его рефлюкс при постоянном помешивании.
4. Быстро добавить 12 мл раствора натрия цитрата tribasic (35 мм) в двух шея раунд нижней колбе и рефлюкс полученную смесь для еще 20 минут для полного сокращения золото соли.
5. Разрешить коллоидных подвеска наночастиц (темно-красный) остыть до комнатной температуры.
6. Измерить концентрацию наночастиц золота (AuNPs) с спектроскопия UV-vis на длине волны 520 Нм (Коэффициент вымирания 2.8 x 10⁸) с использованием кварцевые кюветы (1 см Длина пути).
7. Добавление одной капли AuNPs подвеска на углерод покрытием медной сетки (400 mesh) и просушите при комнатной температуре. Измерьте размер AuNPs с просвечивающей электронной микроскопии (ТЕА).
8. Держите подвеска коллоидное золото наночастиц на 4 ° C.

2. Подготовка гибридные мембранные (Au-CAM)

1. Подготовка золотых наночастиц встроенный мембраны фильтра с помощью шприца
   1. Промойте мембрану ацетат целлюлозы (размер пор: 0.45 мкм, диаметр: 25 мм) поддерживается фильтр с дейонизированной водой (10 мл) в три раза.
   2. Вывести 10 мл цитрат стабилизированный AuNPs (10 Нм) с помощью стерильного шприца (20 мл) и медленно добавить его в предварительно выстиранные ацетат целлюлозы мембранный фильтр (рис. 1).
   3. Промойте фильтр с 10 мл деионизованной воды три раза чтобы удалить не прикол AuNPs.
      Примечание: AuNPs, иммобилизованных на мембране ацетат целлюлозы весьма стабильны, и таким образом Au-CAM может храниться в условиях окружающей среды в течение нескольких недель без потери их химических свойств или стабильности.
2. Подготовка золотых наночастиц мембраны фильтра вакуумного насоса
   1. Место мембраны ацетат целлюлозы (размер пор: 0.45 мкм, диаметр: 47 мм) между поддержкой стекла фриттированных держатель фильтра (диаметр: 40 мм) и закончил воронку (300 мл).
   2. Подключите комбинированных подразделения поддержки, фриттированных стекла и закончил воронка восстановить колбу (500 мл) и вакуумного насоса.
   3. Добавить 10 мл цитрат стабилизированный AuNPs (10 Нм) в градуированный воронки, а затем применить вакуум до тех пор, пока все AuNPs передаются через мембрану ацетат целлюлозы (примерно 20 s).
   4. Повторите процедуру на другой стороне мембраны для иммобилизации AuNPs по обе стороны мембраны (шаг 2.2.3).
   5. Анализ поверхности Au-CAM, используя сканирующий электронный микроскоп (SEM) в условиях высокой производительности с ускоряющего напряжения до 15 кв (рис.d).
      Примечание: Для проверки стабильности наночастиц на Au-CAM в условиях высокой соли, композитные мембраны был погружен в раствор NaCl 1,0 М 2 h, а затем для подтверждения стабильности Au-CAM был проведен визуальный осмотр.

3. адсорбция радиоактивного йода с использованием Au-CAM в пакетной системы

1. Разбавления радиоактивного йода ([¹²⁵я] Най, 2.2 MBq) в 3 мл чистой воды, 1.0 М NaCl или 10 Нм Най и добавьте каждого решения в чашке Петри (50 мм диаметр × 15 мм высота).
   Предупреждение: Окисленных радиоактивного йода может быть нестабильной и должны быть обработаны с достаточного Шилдс и привести флаконов. Все радиохимической шаги должны выполняться в хорошо проветриваемом угольного фильтра капот, и экспериментальной процедуры должны контролироваться детекторы радиоактивности.
2. Место Au-CAM, который готовится с помощью вакуумного фильтра в решения радиоактивного йода и слегка встряхните их при комнатной температуре.
3. Вывести из Петри 10 мкл раствора радиоактивного йода на дано время точки (0, 5, 10, 30, 60, 120 мин) и измерения радиоактивности Алиготе, используя автоматическое γ-счетчик.
4. Промойте Au-CAM с очищенной водой после 120 минут, а затем измерить количество радиоактивности, снятые на мембрану с использованием автоматического γ-счетчика (рис. 3).

4. опреснение радиоактивного йода в условиях непрерывной в поток

1. Удаление анионов радиоактивного йода (¹²⁵я^–) с использованием фильтра Au-CAM
   1. Радиоактивного йода (3,7 MBq) растворяют в 50 мл чистой воды, PBS 1 x, 1.0 М NaCl, 0,1 М NaOH, 0,1 М HCl, 10 мм CsCl, 10 мм SrCl₂, синтетической мочи, или морской воды.
   2. Вывести 50 мл каждого решения с помощью стерильного шприца (50 мл) и пройти через фильтр Au-CAM в в расход около 1,5 мл/сек с использованием шприцевый насос (рис. 1).
   3. Передача 5 мл фильтрата в пластиковый флакон для количественного определения радиоактивности в растворе.
   4. Измерьте количество остаточная радиоактивность в фильтрат решения с помощью автоматического γ-счетчика (рис. 4).
2. Повторного испытания Au-CAM фильтра
   1. Растворите радиоактивный йод в синтетической мочи или морской воды (3,7 MBq/50 мл).
   2. Вывести 50 мл раствора с помощью стерильного шприца (50 мл) и добавить его в блок фильтра Au-CAM в в расход около 1,5 мл/сек с использованием шприцевой насос.
   3. Повторите ту же процедуру фильтрации (шаг 4.2.2) для семь раз с использованием единого подразделения фильтр Au-CAM.
   4. Передача 5 мл фильтрата в пластиковый флакон для количественного определения радиоактивности в растворе.
   5. Измерьте количество радиоактивности в семи фильтрата решений с помощью автоматического γ-счетчика.

Мы продемонстрировали простые методы для изготовления АС-CAM с использованием цитрат стабилизированный AuNPs и ацетат целлюлозы мембраны(рисунок 1). На поверхности Au-CAM наблюдалось SEM, который показал, что наноматериалы были включены стабильно на nanofibers целлюлозы (рис. 2). Наночастицы, тюрьму на мембране были понесены стабильно и не были освобождены от мембраны постоянного мытья с водными растворами, например 1.0 М NaCl. Адсорбционный потенциал АС-CAM был примерно 12,2 мкмоль аниона йодид 1 г AuNPs²⁴. Для оценки эффективности опреснения, АС-CAM, подготовленный при содействии вакууме методом были погружается в водных растворах, содержащих 2.2 MBq из [¹²⁵я] Най (рис. 1б). После 30 минут инкубации, большая часть радиоактивного йода (> 99%) в чистой воде и 1,0 М NaCl был захвачен Au-CAM (рис. 3). С другой стороны, адсорбция радиоактивности было тормозится полностью присутствии нерадиоактивные Най, потому что на поверхности AuNPs была оккупирована доступ количество йодида анионов (¹²⁷я^–).

Для более полезное применение текущего метода Au-CAM фильтр был применен к процессу непрерывного опреснения. Радиоактивного йода решения (3,7 MBq/50 мл) были переданы через фильтр, содержащий Au-CAM в в расход 1,5 мл/с (рис. 1c). Количество остаточная радиоактивность в фильтрат была измерена с помощью γ-счетчик. Эффективность удаления (%) определяется по следующей формуле (1).

Эффективность удаления (%) = (C₀ - C_e) /C₀ x 100 (1)

Где C₀ — концентрация радиоактивного йода перед фильтрации шаг и C_e — концентрация радиоактивного йода после фильтрации шаг.

Как показано на рисунке 4, концентрация радиоактивного йода значительно сократилось, и превосходную эффективность была получена через шаг фильтрации. В частности производительность опреснительных Au-CAM не было подавлено высокие концентрации неорганических солей натрия, цезия, стронция и несколько органических веществ. Во всех случаях эффективность удаления Au-CAM был выше, чем 99,5%. Au-CAM показал эффективность высокой удаления под нейтральной и основные условия (до рН 13), однако, она упала до около 90% кислых условиях (рН 1). Кроме того АС-CAM может быть повторно для повторяющихся опреснения радиоактивного йода в синтетической мочи и морской воды. Во время процесса последовательных фильтрации более чем на 99% радиоактивности в водной был захвачен эффективно с помощью единого блока АС-CAM фильтр²⁴.

Рисунок 1 . Схематическая иллюстрация процедуры опреснения в этот протокол, с помощью Au-CAM. (a) изготовление Au-CAM с помощью шприца фильтр. (b) адсорбции радиоактивного йода в пакетной системы. (c) фильтрация радиоактивного йода в условиях непрерывной в поток. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2. Характеристика Au-CAM. (a) фотографическое изображение мембраны ацетат целлюлозы (диаметром 47 мм). (b фотографическое изображение АС-CAM (диаметром 47 мм). (c) SEM изображение мембраны ацетат целлюлозы (40, 000 X). (d) SEM изображение АС-CAM (40, 000 X). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

На рисунке 3. Время зависимых эффективность удаления радиоактивного йода с использованием Au-CAM в чистой воде, 1.0 М NaCl и 10 мм Най. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4 . Фильтрация анионов радиоактивного йода в несколько водных растворах, используя Au-CAM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

В последний год разработаны различные инженерии наноматериалов и мембраны для удаления опасных радиоактивных металлов и тяжелых металлов в воде, на основе их конкретных функциональных в адсорбции методы^{25,26, 27 , 28 , 29 , 30 , 31 , 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37}. в этом исследовании, мы продемонстрировали весьма полезный метод для быстрого и эффективного разделения видов радиоактивных галогенов. С помощью цитрат стабилизированный AuNPs и коммерчески доступных ацетат целлюлозы мембраны, Au-CAM можно легко приготовить и изготовление шаг высокую воспроизводимость. Как йодистый анионов спонтанно хемосорбированной на поверхности AuNPs, АС-CAM может применяться к восстановлению радиоактивный йод в различных средах. Среди различных радиоизотопов йода, мы выбрали ¹²⁵я^– , как элемент target в этом исследовании, потому что он испускает низкого излучения энергии, по сравнению с другими радиоактивный йод и распада half-life (59.5 дней) достаточно долго развивать Оптимизирован процесс. Но реактивности ¹²⁵я^– идентичен с других изотопов йода, и таким образом этот метод будет использоваться для удаления более опасных радиоэлементов например ¹³¹I^– и ¹²⁹я^–.

В присутствии высокой концентрации конкурирующих анионов как фосфат, хлорид и гидроксид нано гибридные мембранные (Au-CAM) показали отличные опреснения эффективность и хорошую возможность повторного использования. Другим важным преимуществом является то, что прикол наночастиц на мембране ацетат целлюлозы является стабильным высоким соли условиях и разнообразный рН. Похоже, что AuNPs на мембране углеводов стабилизировались атомом кислорода, содержащие функциональные группы, включая гидроксильных и карбонильных групп^38,39. Таким образом гибридные мембранные могут храниться в течение нескольких недель без потери производительности и химической стабильности. Как показано на рисунке 4, АС-CAM показали отличные удаления эффективность в различных средах. Ограничение нынешнего метода является, что Au-CAM не будет полезным в органических растворителей системы, включая спирты и диметилсульфоксид, потому что ацетат целлюлозы частично растворяется в этих средствах массовой информации и таким образом AuNPs может быть освобожден от мембраны.

Было несколько сообщений о опреснения радиоизотопов в загрязненной воды с использованием различных адсорбентов, включая инженерии мембраны^40,,4142. Непрерывный процесс в настоящем исследовании превосходит традиционно используемых методов с точки зрения эффективности удаления, Ион избирательности и повторного использования. С помощью одной АС-CAM (диаметр: 25 мм), ОК. 90 мл водного отходов могут быть очищены в 1 мин. Предполагается, что многие Au-CAM фильтров будет выпускаться легко в короткое время, потому что крупномасштабные синтеза и характеристика AuNPs цитрат стабилизированный устоявшихся. Взятые вместе, АС-CAM будет перспективным адсорбента системы стоит для изучения практических рекультивации промышленных и медицинских радиоактивного йода отходов.

Авторы не имеют ничего сообщать.

Эта работа была поддержана исследовательский грант от Национальный исследовательский фонд Кореи (номер гранта: 2017M2A2A6A01070858).