En ny løsning til spildevandsrensning

Syntetiske farvestoffer bruges på tværs af en lang række industrier og udgør en alvorlig bekymring, når det kommer til vandforurening. Disse farvestoffer er ikke kun giftige, men de forbliver også i miljøet i lang tid uden nedbrydning. De fleste metoder til at fjerne syntetiske farvestoffer fra vand er baseret på adsorption - et fænomen, hvor et kemisk molekyle bliver bundet til overfladen af ​​et substrat kaldet en adsorbent. Kulstofbaserede systemer er almindeligt anvendt som adsorbenter, men de er begrænset af behovet for en sikker bortskaffelsesvej for den brugte adsorbent og manglende evne til at genbruge materialet. Mange polymerer er også blevet undersøgt som adsorbenter, men de viser dårlig vandopløselighed og stabilitet.

For nylig har et internationalt team af forskere – inklusive prof. Wei-Hsin Chen fra National Cheng Kung University, Taiwan – udviklet en ny miljøvenlig og genanvendelig nanokomposit-baseret løsning til fjernelse af giftige farvestoffer fra spildevand. Papiret, der beskriver undersøgelsen, blev gjort tilgængeligt online den 31. juli 2021 og blev offentliggjort i bind 421 af Journal of Hazardous Materials den 5. januar 2022.

"Carboxymethylcellulose (CMC) er et billigt cellulosederivat, der er nemt at fremstille, miljøvenligt og biokompatibelt. Men det har relativt dårlige termiske og mekaniske egenskaber. I vores undersøgelse har vi med succes forbedret CMC ved at kombinere det med polyacrylsyre (PAA) De forberedte materialer kan være effektive adsorbenter til ioniske forurenende stoffer i spildevandsrensning," siger prof. Chen.

CMC er en velkarakteriseret, billig polymer afledt af naturlig cellulose, en rigelig polymer, der findes i planter og mikroalger såsom Chlorella sp. I denne undersøgelse kombinerede forskerne CMC med PAA - en vandelskende, ikke-giftig og sikker polymer - og fyldte de resulterende hydrogeler med grafenoxid. Endelig, ved at udsætte disse hydrogeler for gentagne cyklusser med vask og frysetørring, omdannede de hydrogelerne til "aerogeler", som er porøse faste netværk, der indeholder luftlommer, der har høj adsorptionskapacitet.

Forskerholdet karakteriserede derefter aerogelerne ved hjælp af feltemissionsscanningselektronmikroskopi og laboratorieteknikker og fandt ud af, at forskellige niveauer af grafenoxid skabte forskellige størrelser af porer i aerogelen. De fandt ud af, at tilsætningen af ​​grafenoxid øgede det specifikke overfladeareal og den termiske stabilitet af nanokomposithydrogelerne. De så også, at porestørrelsen af ​​hydrogelerne faldt med stigende koncentrationer af grafenoxid. Desuden havde aerogelen udviklet i denne undersøgelse en adsorptionskapacitet på 138 mg/g methylenblåt efter 250 minutter - hvilket er blandt de højeste methylenblåt-adsorptionskapaciteter rapporteret i litteraturen. Ifølge professor Chen, "Adsorbenten udviklet i denne undersøgelse er både miljøvenlig og omkostningseffektiv, hvilket indikerer dets høje anvendelsespotentiale til fjernelse af kationiske farvestoffer fra spildevand."

Endelig så forskerne, at de nye hydrogeler beholdt omkring 90 % af deres adsorptionskapacitet selv efter ni cyklusser med brug og regenerering.

De ønskede derefter at undersøge mekanismen bag hydrogelernes høje adsorptionskapacitet, så de udførte density functional theory (DFT) simuleringer. Resultaterne af deres simuleringer antydede, at methylenblåt bandt stærkere til grafenoxid end til CMC eller PAA. De så også, at adsorptionen af ​​methylenblåt på grafenoxidet i nanokompositten fandt sted via pi-elektronbinding, hydrogenbinding og elektrostatiske interaktioner.

Nanokomposithydrogelerne fremstillet i denne undersøgelse giver et miljøvenligt, stabilt, effektivt og genanvendeligt adsorberende materiale til at fjerne syntetiske farvestoffer fra spildevand og give forbedringer til både miljø og menneskers sundhed. + Udforsk yderligere

Vandrensningssystem konstrueret af træ med hjælp fra en mikrobølgeovn