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への洞察を得る方法 Biochar 希土類元素を使用した吸着動作

Biochar は、バイオマスの熱分解に由来する炭素が豊富な製品です。 Biochar は、(i) 土壌肥沃度の改善、(ii) 炭素隔離の強化、および (iii) 土壌修復の促進に対する大きな可能性があるため、幅広い関心を集めています.

biochar の適用は主に、特に有毒金属 (重金属ではない。以下のボックスを参照) の固定化のための表面官能基を意味します。

たとえば、Pourret と Houben (2018) によってレビューされたように、バイオ炭は、主にバイオ炭粒子の表面にあるヒドロキシル基およびカルボキシル基との Al の錯体形成により、アルミニウム (Al) に結合する可能性があります。同様に、バイオチャーは、酸素含有カルボキシル、ヒドロキシル、およびフェノール官能性表面基を使用して、銅 (Cu) および鉛 (Pb) を収着する可能性があります。したがって、バイオ炭の表面反応性をその用途に理解する必要があります。

biochar の官能基を特徴付けるために、分析的アプローチが頻繁に採用されてきました。それらには、フーリエ変換赤外分光法 (FTIR) または核磁気共鳴分光法が含まれます。しかし、これらの技術では、科学者が各官能基がさまざまな条件下で金属結合にどの程度寄与しているかを判断することはできません。有機材料に関する以前の研究では、カルボン酸およびフェノール部位への金属の結合は、水相の pH およびイオン強度に強く依存することが示されています。

これらの有機材料の特性評価では、カルボキシル基は一般に金属親和性の低い部位を示し、フェノール基は親和性の高い部位を示すことも強調されています。したがって、さまざまな条件下(pHおよびイオン強度)でのバイオ炭による金属結合に対する各タイプのグループ(カルボン酸およびフェノール)の挙動と相対的な寄与を理解することは、(i)バイオ炭との金属結合に関する洞察を得るために重要です。 (ii) 幅広い条件でのバイオ炭による金属の挙動を予測すること。

有機化合物による希土類元素 (REE) 収着の相対分布 (以下、パターンと記述) を分析することは、これらの有機物質の表面反応性を特徴付けるための新たなアプローチとなっています。この研究では、非常に類似した一貫した化学的性質を示すグループを形成する希土類元素として、14 の安定なランタニド (La から Lu まで) のみを考慮します。それらの特定の特性により、有機材料と水溶液の間の REE 分配係数 (バイオチャーのような固相による潜在的な溶解金属吸着を推定するために使用される) は、結合部位の不均一性 (すなわち、官能基の性質) に非常に敏感です。

有機物質の表面にある主要な結合部位の種類に応じて、特定の分配係数パターンが生じます。たとえば、対数分配係数パターンは、REE 結合がカルボキシル部位で発生すると、中程度の REE (MREE) 下向きの凹面を示します。逆に、REE がフェノール基に結合すると、La から Lu への規則的な増加を示す対数分配係数パターンが生じます。これらの結果により、REE をトレーサーとして使用して、さまざまな環境条件下で、カルボン酸、フェノール、またはキレート官能基のどれが有機材料への金属結合に関与しているかを判断することができます。

Pourret と Houben の研究 (2018) は、REE と有機物との相互作用に関する以前の研究に基づいて、この新しいアプローチを開発し、さまざまな pH およびイオン強度下でのバイオチャーへの金属結合部位の性質と役割をよりよく理解しました。

バイオ炭への希土類元素の収着は、バッチ実験 (pH 3 から 9 および IS 10mol/L から 10mol/L) を使用して分析されました。希土類元素パターンは、5 以下の pH で中位 REE (MREE) 下向きの凹面を示し、低塩分条件 (すなわち 10 mol/L) を表すイオン強度を示しました。これらの REE パターンは、REE と有機物との結合を定量化する現在のデータセットと一致しています。確かに、REE-バイオ炭パターンが示す MREE の下向きの凹みは、REE パターンとさまざまな有機物質 (フミン酸、アセテートなど) と一致します。

パターン形状の比較におけるこのような類似性のおかげで、バイオチャーの主な REE 結合部位がカルボキシル基であるという事実を強調するのに役立ちます。最終的に、バイオ炭との金属結合強度は、pH とイオン強度が増加すると増加します。中性付近のpHと比較的高いイオン強度での長期的な金属固定化には、バイオ炭がより効率的であることを示唆しています。これらの結果はスペシエーション モデリングを使用してさらに検証され、結論が確認されました。

バイオチャー表面の反応性挙動について詳細を示さない FTIR などの技術とは異なり、REE と有機物質の相互作用に関する以前の研究に基づく現在の貢献は、さまざまな条件下でのバイオ炭上の金属結合部位の相対的な分布を説明するのに最初に苦労したものでした (つまり、さまざまな pH およびイオン強度)。私たちの結果は、環境条件がバイオ炭に吸着された金属の量だけでなく、金属とバイオ炭の結合強度と安定性にも影響することを示しています。より詳細には、pHとイオン強度が増加すると、バイオチャーとの金属結合の強度が増加します。実際、そのような結果は、長期的にはバイオチャーを金属吸着剤として使用することに大きな意味を持っています。私たちの研究は、バイオチャーを含む吸着マトリックスへの金属結合部位の特徴付けのためのフィンガープリントとしての REE の大きな可能性も強調しています。

これらの調査結果は、ジャーナル Heliyon に最近掲載された、希土類元素をフィンガープリントとして使用した biochar への金属結合部位の特徴付けというタイトルの記事で説明されています。 .この作業は、UniLaSalle の Olivier Pourret と David Houben によって実施されました。


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