Rimozione di metalli pesanti e coloranti organici tramite un nitruro di boro esagonale poroso ibrido

npj Clean Water volume 5, numero articolo: 24 (2022) Citare questo articolo

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Sono stati introdotti numerosi adsorbenti per rimuovere in modo efficiente i metalli pesanti e i coloranti organici dai campioni di acqua ambientale. Tuttavia, gli aerogel magnetici e a rete porosa vengono raramente sviluppati per catturare gli inquinanti inorganici e organici dalle acque. Qui abbiamo fabbricato nanofogli di nitruro di boro esagonale (h-BNNS) basati su aerogel ibridi magnetici (MHA) come adsorbente leggero per un robusto assorbimento di Cr(VI), As(V), blu di metilene (MB) e arancio acido (AO) . La procedura sintetica di h-BNNS modificati con poli (etileneimmina) (PEI-h-BNNS) prevedeva la policondensazione termica di melamina e acido borico, la pirolisi dei prodotti risultanti che ha consentito l'esfoliazione mediante processo di ultra-sonicazione un'ulteriore funzionalizzazione con modifica mediata da PEI di h-BNNS. I PEI-h-BNNS così formati hanno consentito la formazione in situ di nanoparticelle di magnetite (NP Fe3O4) decorate sulle loro superfici, che si sono trasformate in NP PEI-h-BNNS@Fe3O4. Il trattamento di liofilizzazione degli idrogel PVA caricati con NP PEI-h-BNNSs@Fe3O4 ha generato MHA con grandi strutture porose, gruppi funzionali diversi e numerosi, buon superparamagnetico e carica superficiale netta pari a zero. Queste caratteristiche hanno consentito di utilizzare l'adsorbente proposto (MHA) per rimuovere in modo efficiente Cr(VI), As(V), MB e AO da una soluzione acquosa, con una capacità di adsorbimento massima stimata in 833, 426, 415, 286 mg g −1, rispettivamente. La cinetica di adsorbimento e i dati sull'isoterma hanno dimostrato che l'adsorbimento mediato dagli MHA di Cr(VI), As(V), MB e AO seguiva il modello isotermo di Freundlich e un modello cinetico di pseudo-secondo ordine. Questa scoperta significa che gli MHA mostrano un comportamento di legame eterogeneo con chemiassorbimento multistrato di Cr(VI), As(V), MB e AO. Successivamente, l'applicazione pratica è stata convalidata eseguendo la disintossicazione del cromo e dell'arsenico in campioni di soli-sludge.

La rapida urbanizzazione e l’espansione industriale hanno causato massicci aumenti degli inquinanti organici e inorganici nell’acqua naturale, che sono fortemente collegati alla salute pubblica e alla qualità dell’acqua1,2,3. Varie industrie scaricano i loro metalli pesanti, coloranti organici e idrocarburi policiclici aromatici (IPA) nei sistemi acquatici senza un adeguato processo di purificazione di questi inquinanti. La rimozione di metalli tossici1,2,3, coloranti organici4 e idrocarburi policiclici aromatici (IPA)5,6,7,8 dalle acque ambientali è stata recentemente considerata come una delle questioni più essenziali per ottenere acqua pulita a causa della loro persistenza ambientale e tossicità estrema. In risposta a questo requisito, sono state introdotte diverse procedure per purificare i metalli pesanti e l'acqua contaminata da coloranti organici, comprese le tecniche di fotocatalisi9, flocculazione10, biodegradazione11, separazione tramite membrana12 e adsorbimento13. Tra questi, i metodi legati all'adsorbimento sono stati intensamente utilizzati per rimuovere diversi inquinanti grazie al loro funzionamento economicamente vantaggioso, all'elevata efficienza di cattura e alla creazione di inquinamenti secondari molto limitati. Per identificare un adsorbente appropriato si prevede che soddisfi i seguenti criteri: (1) elevata capacità di adsorbimento per diversi inquinanti a basse concentrazioni; (2) eccellente riutilizzabilità senza sacrificare i siti di legame superficiale; (3) velocità di adsorbimento rapida in matrici complesse.

Secondo i principi di cui sopra, sono stati proposti numerosi adsorbenti per riparare gli inquinanti ambientali, esemplificati da carbone attivo14, compositi a base di ossido di grafene15, polimeri sintetici16, polimeri di coordinazione17, strutture metallo-organiche18, struttura organica covalente19 e biopolimero ancorato a tensioattivi20. Recentemente, il nitruro di boro esagonale (h-BN) mostra un'alternativa promettente per catturare gli inquinanti ambientali grazie alla sua struttura altamente porosa, ai legami polari B–N e all'ibridazione sp2. I materiali correlati all'h-BN riportati includono sfere BN2, baffi h-BN21, nanofogli BN (BNNS)22, BN 3D simile al formaggio23, fibre BN attivate chimicamente24 e sfere cave BN25. Inoltre, l'introduzione di agenti adatti può funzionalizzare attraverso la loro superficie h-BN con gruppi specifici in grado di interagire in modo efficiente con gli adsorbati. Questo effetto sinergico consente agli adsorbenti correlati all'h-BN di avere più siti di legame per interagire con diversi inquinanti ambientali26,27,28. Come esempio di assorbimento di metalli pesanti, i legami polari B–N ottenuti da materiali correlati all'h-BN potrebbero attrarre elettrostaticamente cationi metallici tossici attraverso la loro superficie, come Cr(III)1,2,3,27, Cu(II) 1,2 e Pb(II)1,2,3. Inoltre, i materiali porosi a base di h-BN esfoliati con polianilina ulteriormente decorati con nanoparticelle di magnetite (NP Fe3O4) erano adatti per l'assorbimento di Cr(VI)26 e As(V)28, rispettivamente. In un altro esempio, l'adsorbente poroso correlato a h-BN può rimuovere efficacemente i coloranti cationici e anionici dall'acqua ambientale attraverso le loro interazioni π-π, difetti strutturali e legami polari B–N1,2,3,21,22,23,24, 25. Sebbene recenti studi della letteratura mostrino il potenziale comportamento per rimuovere gli inquinanti ambientali da un sistema acquoso, questi adsorbenti porosi a base di BN soffrono di una capacità di adsorbimento insufficiente a causa della loro natura idrofobica e del basso rapporto superficie-volume. Vale la pena ricordare che i valori massimi di capacità di adsorbimento degli adsorbenti sopra discussi sono stati riportati essere 10–133 mg g−1 per Cr(VI)26, 10–30 mg g−1 per As(V)28 e 10– 392 mg g−1 per blu di metilene (MB)2,22,23,24,–25, in sequenza.