Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Syntetiska färgämnen används inom en mängd olika industrier och utgör ett allvarligt problem när det gäller vattenföroreningar. Dessa färgämnen är inte bara giftiga, utan de finns också kvar i miljön under lång tid utan nedbrytning. De flesta metoder för att ta bort syntetiska färgämnen från vatten är baserade på adsorption - ett fenomen där en kemisk molekyl binds till ytan av ett substrat som kallas adsorbent. Kolbaserade system används vanligtvis som adsorbenter, men de begränsas av behovet av en säker avfallshanteringsväg för den använda adsorbenten och oförmågan att återanvända materialet. Många polymerer har också undersökts som adsorbenter, men de visar dålig vattenlöslighet och stabilitet.
Nyligen har ett internationellt team av forskare – inklusive professor Wei-Hsin Chen från National Cheng Kung University, Taiwan – utvecklat en ny miljövänlig och återanvändbar nanokompositbaserad lösning för att ta bort giftiga färgämnen från avloppsvatten. Uppsatsen som beskriver studien gjordes tillgänglig online den 31 juli 2021 och publicerades i volym 421 av Journal of Hazardous Materials den 5 januari 2022.
"Karboximetylcellulosa (CMC) är ett billigt cellulosaderivat som är lätt att producera, miljövänligt och biokompatibelt. Men det har relativt dåliga termiska och mekaniska egenskaper. I vår studie har vi framgångsrikt förbättrat CMC genom att kombinera det med polyakrylsyra (PAA) De förberedda materialen kan vara effektiva adsorbenter för joniska föroreningar vid rening av avloppsvatten", säger professor Chen.
CMC är en välkarakteriserad, billig polymer som härrör från naturlig cellulosa, en riklig polymer som finns i växter och mikroalger som Chlorella sp. I den här studien kombinerade forskarna CMC med PAA - en vattenälskande, giftfri och säker polymer - och laddade de resulterande hydrogelerna med grafenoxid. Slutligen, genom att utsätta dessa hydrogeler för upprepade cykler av tvätt och frystorkning, omvandlade de hydrogelerna till "aerogeler", som är porösa fasta nätverk som innehåller luftfickor som har hög adsorptionskapacitet.
Forskargruppen karakteriserade sedan aerogelerna med hjälp av fältemissionsskanningselektronmikroskopi och laboratorietekniker och fann att olika nivåer av grafenoxid skapade olika stora porer i aerogelen. De fann att tillsatsen av grafenoxid ökade den specifika ytarean och den termiska stabiliteten hos nanokomposithydrogelerna. De såg också att porstorleken på hydrogelerna minskade med ökande koncentrationer av grafenoxid. Dessutom hade aerogelen som utvecklades i denna studie en adsorptionskapacitet på 138 mg/g metylenblått efter 250 minuter - vilket är bland de högsta adsorptionskapaciteterna för metylenblått som rapporterats i litteraturen. Enligt professor Chen, "Adsorbenten som utvecklats i denna studie är både miljövänlig och kostnadseffektiv, vilket indikerar dess höga användningspotential för att avlägsna katjoniska färgämnen från avloppsvatten."
Slutligen såg forskarna att de nya hydrogelerna behöll cirka 90 % av sin adsorptionskapacitet även efter nio cykler av användning och regenerering.
De ville sedan undersöka mekanismen bakom den höga adsorptionskapaciteten hos hydrogelerna, så de utförde simuleringar av densitetsfunktionella teorin (DFT). Resultaten av deras simuleringar antydde att metylenblått band starkare till grafenoxid än till CMC eller PAA. De såg också att adsorptionen av metylenblått på grafenoxiden i nanokompositen skedde via pi-elektronbindning, vätebindning och elektrostatiska interaktioner.
De nanokomposithydrogeler som tillverkas i denna studie ger ett miljövänligt, stabilt, effektivt och återanvändbart adsorberande material för att ta bort syntetiska färgämnen från avloppsvatten och ge förbättringar för både miljön och människors hälsa. + Utforska vidare
