Sintesi di un nuovo organico multifunzionale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12845 (2023) Citare questo articolo

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In questo studio, abbiamo utilizzato strategie di meccanosintesi assistita da solventi per formare nanocompositi organici-inorganici multifunzionali in grado di rimuovere contaminanti sia organici che inorganici. Un composito di zeolite X (Ze) e carbone attivo (AC) è stato sintetizzato tramite miscelazione meccanica all'avanguardia in presenza di poche gocce d'acqua per formare Ze/AC. Il secondo composito (Ze/L/AC) è stato sintetizzato in modo simile, tuttavia questo composito aveva l'aggiunta di tereftalato disodico come linker. Entrambi i materiali, Ze/AC e Ze/L/AC, sono stati caratterizzati utilizzando il microscopio elettronico a scansione (SEM), la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS), la diffrazione di raggi X in polvere (P-XRD), la spettrometria a infrarossi in trasformata di Fourier (FTIR), sistema di area superficiale e porosimetria accelerato (ASAP) e analisi termogravimetrica (TGA). Il SEM–EDS ha mostrato la struttura superficiale e la composizione di ciascun materiale. Il contenuto di sodio, ossigeno e carbonio è aumentato dopo che il linker ha collegato Ze e AC. Il P-XRD ha confermato la cristallinità di ciascun materiale e dei compositi, mentre il FTIR ha indicato i gruppi funzionali (C=C, O–H) in Ze/L/AC. Gli esperimenti di adsorbimento dei contaminanti hanno studiato gli effetti del pH, della temperatura e della forza ionica sull'adsorbimento di blu di metilene (MB) e Co(II) per ciascun materiale. Nell'adsorbimento MB, la velocità di reazione del primo ordine di Ze/L/AC (0,02 h−1) era doppia rispetto a quella di Ze/AC (0,01 h−1). Anche la velocità di reazione di Ze/L/AC (4,8 h−1) era straordinariamente superiore a quella di Ze/AC (0,6 h−1) nell'adsorbimento di Co(II). Il composito Ze/L/AC ha raggiunto una capacità di adsorbimento massima di 44,8 mg/g per MB e 66,6 mg/g per gli ioni Co(II). L'adsorbimento MB di Ze/AC e Ze/L/AC si adattava meglio al modello di Freundlich con R2 di 0,96 e 0,97, rispettivamente, che indicava l'adsorbimento multistrato. Nell'adsorbimento di Co(II), i dati erano altamente in linea con il modello di Langmuir con R2 di 0,94 e 0,92 che indicava l'adsorbimento monostrato. Questi risultati hanno indicato che entrambi i materiali presentavano chemiassorbimento. L'energia di attivazione di Ze/L/AC nell'adsorbimento di MB (34,9 kJ mol−1) era superiore a quella di Ze/L/AC nell'adsorbimento di Co (II) (26 kJ mol−1).

L'inquinamento causato dall'uso eccessivo di ioni di metalli pesanti e di materia organica nei processi industriali ha portato direttamente e indirettamente allo scarico di materiali di scarto nei corsi d'acqua, contaminando gli ecosistemi e influenzando la vita umana1,2,3. Gli ioni di metalli pesanti come il cobalto (II), il nichel (II), il cromo (VI), il piombo (II) e altri possono essere tossici per la vita anche a basse concentrazioni4,5,6,7. La tossicità di cobalto, nichel, cromo e piombo può verificarsi rispettivamente a 7 µg/L, 100 µg/L, 50 µg/L, 5 µg/dL8,9. I metalli pesanti come il cobalto vengono rilasciati nell’ambiente in diversi modi, compreso l’uso di Co non radioattivo nei processi industriali e dei radionuclidi 60Co e 58Co in medicina5. È stato riferito che il livello di cobalto nel sangue era associato all'aumento della spasticità muscolare8. Allo stesso modo, livelli elevati di inquinanti organici come coloranti e componenti fenolici possono essere altamente tossici. Ad esempio, l'assunzione di blu di metilene (MB) può causare sudorazione profusa, nausea, vomito, apoptosi neuronale, sensazione di bruciore e molti altri effetti negativi sulla salute10,11.

Sono stati applicati vari metodi efficaci per filtrare metalli pesanti e coloranti, tra cui l'osmosi inversa, la distillazione e l'adsorbimento. Tuttavia, è difficile trovare un metodo economico ed efficace. Ad esempio, l’osmosi inversa è il metodo più comune applicato per filtrare l’acqua, ma il metodo spesso spreca una quantità significativa di acqua12. Inoltre, il processo di osmosi inversa rimuove sempre una grande quantità di minerali benefici dall'acqua12. La distillazione è un altro metodo comune, ma può filtrare solo piccole quantità di acqua e costa più energia13. Tra i metodi, l’adsorbimento è ancora il metodo più efficace grazie alla sua elevata efficienza e al suo basso costo13. Gli adsorbenti possono essere prodotti a basso costo da materiali a basso costo come rifiuti agricoli, nanomateriali e polimeri13. Questi adsorbenti possono essere progettati fisicamente e chimicamente per filtrare contaminanti specifici. Ad esempio, vari tipi di materiali con struttura metallo-organica (MOF), tra cui Zr-MOF, ZIF-8, ZIF-67 e KIUB-MOF-1, sono stati progettati per rimuovere metalli specifici come piombo, mercurio, blu di metilene e metile. arancione14,15,16.