Effects of aging and transformation of anatase and rutile TiO2 nanoparticles on biological phosphorus removal in sequencing batch reactors and related toxic mechanisms

2. EXPERIMENTAL

 

2.1 TiO

2

-NPs and reagents

 

We purchased the same pristine TiO

2

-A and TiO

2

-R NPs (99.8% trace metal basis 

in both) that we used in our previous study (Li et al., 2019b) from Sigma-Aldrich (St. 

Louis,  MO,  USA);  the  basic  inscription  information  is  provided  in  Table  1.  We 

obtained all chemicals and reagents from Aladdin (Shanghai, China). 

Nanoparticles aging: briefly, through the addition of 1.0 g of TiO

2

-NPs to 1000 

mL  of  filtered  sewage  (enough  parallel  groups),  a  1000  mg/L

 

TiO

2

-NPs  stock 

suspension  was  prepared  in  a  tin  foil  wrapped  beaker,  followed  by  1-hour  of 

ultrasonication  (20  °C,  250  W,  40  kHz),  and  then  aged  for  30  days  with  180  r/min 

stirring  constantly.

 

The  water  consumption  in  the  device  is  replenished  with  filtered 

sewage at any time. At the end of aging, the mixture was then centrifuged at 5000×

g

 

for 30 min and washed three times with nanopure water to eliminate any unbounded 

residues.  The  pellet  was  collected  after  removing  the  supernatant,  and  freeze-dried. 

Lyophilization was  then conducted

 

under vacuum at  0.014 mbar for 48 hours  with  a 

Labconco  Freezone

 

Plus  2.5  L  Benchtop  Cascade  Freeze  Dry  Systems  (Labconco, 

USA)

 

equipped  with  a  Welch  8912Z-02  Vacuum  (Welch  8912Z-02,

 

Gardner  Denver 

Welch Vacuum Technology Inc., USA). And then gently grind it into powder. A small 

Journal Pre-proof

---

8 

portion  of  the  powder  was  used  to  characterize  the  morphology  and  environmental 

behavior  of  the  aged  TiO

2

-NPs,  and  more  powder  was  reconfigured  to  the  desired 

concentration with

 

ultrapure water by 1-hour of ultrasonication (20 °C, 250 W, 40 kHz) 

for  the  exposure  test  of  activated  sludge.  It  was  reported  that  sonication  of 

nanoparticles  has  a  minimal  effect  on  particle  surface  charge.  Sonication  has  been 

utilized to facilitate particle dispersion and solution mixture (He et al., 2016; Warheit, 

2008).  Detailed  information  of  background  description  of  aging  test  and 

characterization test of nanoparticles are available in the Supporting Information (SI) 

(Tests. S1 and Tests. S2).   

Notably,  here,  ratios  of

 

TiO

2

-NPs  to  organics  may  be  significantly  greater  than 

the  environmentally  relevant  concentrations  anticipated  from  model  predictions, 

which  seems  to  prevent  the  application  of  research  results  and  theories.  However, 

excessive amounts of NPs used in the previous aging tests have also occurred, such as 

up to  5% ratio of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs)  to  sediment  as  well as 

1g/L TiO

2

-NPs directly in the medium F-12/8% fetal bovine serum (FBS) (Fan et al., 

2016; Wang et al., 2015), because if the effect of NPs is dependent on concentration, 

observations  of  no  effect  or  minimal  effects  at  high  concentrations  will  also  be 

applicable to low environmentally relevant concentrations (Li et al., 2013).