Remoção de metais pesados ​​e corantes orgânicos através de um nitreto de boro hexagonal poroso híbrido

npj Clean Water volume 5, número do artigo: 24 (2022) Citar este artigo

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Numerosos adsorventes foram introduzidos para remover eficientemente metais pesados ​​e corantes orgânicos de amostras de água ambiental. No entanto, aerogéis de rede magnética e porosa raramente são desenvolvidos para capturar poluentes inorgânicos e orgânicos de ambientes aquosos. Nós aqui fabricamos nanofolhas hexagonais de nitreto de boro (h-BNNSs) baseadas em aerogéis híbridos magnéticos (MHAs) como um adsorvente leve para absorção robusta de Cr (VI), As (V), azul de metileno (MB) e laranja ácido (AO) . O procedimento sintético de h-BNNSs modificados com poli(etilenoimina) (PEI-h-BNNSs) envolveu policondensação térmica de melamina e ácido bórico, pirólise dos produtos resultantes que permitiram esfoliação por processo de ultra-sonicação posterior funcionalização com modificação mediada por PEI de h-BNNSs. Os PEI-h-BNNSs formados permitiram a formação in-situ de nanopartículas de magnetita (NPs de Fe3O4) decoradas em suas superfícies, que são transformadas em NPs de PEI-h-BNNSs@Fe3O4. O tratamento de liofilização de hidrogéis de PVA carregados com PEI-h-BNNSs@Fe3O4 NPs gerou os MHAs com grandes estruturas porosas, diversos e numerosos grupos funcionais, boa superparamagnética e carga superficial líquida zero. Essas características permitiram que o adsorvente proposto (MHAs) fosse utilizado para remover eficientemente Cr (VI), As (V), MB e AO de uma solução aquosa, com capacidade máxima de adsorção estimada em 833, 426, 415, 286 mg g- −1, respectivamente. A cinética de adsorção e os dados de isoterma demonstraram que os MHAs mediaram a adsorção de Cr (VI), As (V), MB e AO seguiram o modelo de isoterma de Freundlich e um modelo cinético de pseudo-segunda ordem. Esta descoberta significa que os MHAs exibem comportamento de ligação heterogêneo com quimissorção multicamadas de Cr (VI), As (V), MB e AO. Posteriormente, a aplicação prática foi validada através da realização da desintoxicação de cromo e arsênio em amostras de lodo soli.

A rápida urbanização e a expansão da indústria causaram aumentos maciços de poluentes inorgânicos e orgânicos na água natural, que estão fortemente ligados à saúde pública e à qualidade da água1,2,3. Diversas indústrias descarregam seus metais pesados, corantes orgânicos e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAH) nos sistemas aquáticos sem um processo adequado de purificação desses poluentes. A remoção de metais tóxicos1,2,3, corantes orgânicos4 e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAH)5,6,7,8 das águas ambientais tem sido recentemente considerada uma das questões mais essenciais para a obtenção de água limpa devido à sua persistência ambiental. e toxicidade extrema. Em resposta a esta exigência, vários procedimentos foram introduzidos para purificar metais pesados ​​e água poluída com corantes orgânicos, incluindo técnicas de fotocatálise9, floculação10, biodegradação11, separação por membrana12 e adsorção13. Entre eles, os métodos relacionados à adsorção têm sido intensamente utilizados para remover diferentes poluentes devido à sua operação econômica, à alta eficiência de captura e à criação de poluições secundárias muito limitadas. Espera-se que a identificação de um adsorvente adequado cumpra os seguintes critérios: (1) elevada capacidade de adsorção para diversos poluentes em baixas concentrações; (2) excelente capacidade de reutilização sem sacrificar os locais de ligação superficial; (3) taxa de adsorção rápida em matrizes complexas.

De acordo com os princípios acima, numerosos adsorventes foram propostos para remediar poluentes ambientais, exemplificados por carvão ativado14, compósitos à base de óxido de grafeno15, polímeros sintéticos16, polímeros de coordenação17, estruturas metal-orgânicas18, estrutura orgânica covalente19 e biopolímero ancorado em surfactante20. Recentemente, o nitreto de boro hexagonal (h-BN) apresenta uma alternativa promissora para a captura de poluentes ambientais devido à sua estrutura altamente porosa, ligações polares B – N e hibridização sp2. Os materiais relacionados ao h-BN relatados incluem esferas BN2, bigodes h-BN21, nanofolhas BN (BNNSs)22, BN23 3D semelhante a queijo, fibras BN quimicamente ativadas24 e esferas ocas BN25. Além disso, a introdução de agentes adequados pode funcionalizar através de sua superfície h-BN com grupos específicos que podem interagir eficientemente com adsorbatos. Este efeito sinérgico permite que os adsorventes relacionados ao h-BN tenham múltiplos locais de ligação para interagir com diversos poluentes ambientais . Como exemplo de sorção de metais pesados, as ligações polares B – N obtidas de materiais relacionados ao h-BN poderiam atrair eletrostaticamente cátions metálicos tóxicos através de sua superfície, como Cr (III) 1,2,3,27, Cu (II) 1,2 e Pb(II)1,2,3. Além disso, os materiais porosos à base de h-BN esfoliados com polianilina ainda decorados com nanopartículas de magnetita (NPs de Fe3O4) foram adequados para a absorção de Cr(VI)26 e As(V)28, respectivamente. Em outro exemplo, o adsorvente poroso relacionado ao h-BN pode remover eficientemente corantes catiônicos e aniônicos da água ambiental através de suas interações π-π, defeitos estruturais e ligações polares B – N . 25. Embora estudos recentes da literatura mostrem o comportamento potencial para remover poluentes ambientais de um sistema aquoso, estes adsorventes porosos à base de BN sofrem de capacidade de adsorção insuficiente devido à sua natureza hidrofóbica e baixa relação superfície-volume. Vale ressaltar que os valores máximos de capacidade de adsorção dos adsorventes discutidos acima foram relatados como sendo 10–133 mg g-1 para Cr(VI)26, 10–30 mg g−1 para As(V)28 e 10– 392 mg g-1 para azul de metileno (MB)2,22,23,24,–25, em sequência.