ハイブリッド多孔質六方晶窒化ホウ素による重金属と有機染料の除去

npj クリーンウォーター 5 巻、記事番号: 24 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

環境水サンプルから重金属や有機染料を効率的に除去するために、数多くの吸着剤が導入されています。しかし、水から無機および有機汚染物質を捕捉する磁性多孔質ネットワークエアロゲルはほとんど開発されていません。今回我々は、Cr(VI)、As(V)、メチレンブルー(MB)、アシッドオレンジ(AO)を強力に取り込むための軽量吸着剤として、磁性ハイブリッドエアロゲル(MHAs)をベースにした六方晶系窒化ホウ素ナノシート(h-BNNS)を作製した。。ポリ(エチレンイミン)修飾 h-BNNS (PEI-h-BNNS) の合成手順には、メラミンとホウ酸の熱重縮合、得られた生成物の熱分解が含まれ、超音波処理プロセスによって剥離され、PEI を介した修飾でさらに官能化されます。 h-BNNS の。形成されたままの PEI-h-BNNS により、その表面に修飾されたマグネタイトナノ粒子 (Fe3O4 NP) がその場で形成され、PEI-h-BNNS@Fe3O4 NP になります。 PEI-h-BNNS@Fe3O4 NPs 担持 PVA ハイドロゲルの凍結乾燥処理により、大きな多孔質構造、多様で多数の官能基、優れた超常磁性、および正味表面電荷がゼロの MHA が生成されました。これらの特徴により、提案された吸着剤 (MHA) を利用して、水溶液から Cr(VI)、As(V)、MB、および AO を効率的に除去することが可能になり、最大吸着容量は 833、426、415、286 mg g と推定されます。それぞれ -1。吸着速度論および等温線データは、MHA を介した Cr(VI)、As(V)、MB および AO の吸着がフロイントリヒ等温線モデルおよび擬似 2 次速度論モデルに従うことを実証しました。この発見は、MHA が Cr(VI)、As(V)、MB、および AO の多層化学吸着による不均一な結合挙動を示すことを意味します。その後、固形汚泥サンプル中のクロムとヒ素の無害化を行い、実用化を検証しました。

急速な都市化と産業の拡大により、天然水中の無機および有機汚染物質が大幅に増加しており、これらは公衆衛生と水質に深く関係しています1、2、3。さまざまな産業が、汚染物質の中から重金属、有機染料、多環芳香族炭化水素 (PAH) を適切な精製プロセスを経ずに水系に排出しています。有毒金属 1、2、3、有機染料 4、および多環芳香族炭化水素 (PAH) 5、6、7、8 を環境水から除去することは、環境に残留するため、最近、きれいな水を得るために最も重要な問題の 1 つとみなされています。そして極度の毒性。この要求に応えて、重金属や有機染料で汚染された水を浄化するために、光触媒9、凝集10、生分解11、膜分離12、吸着13などのいくつかの手法が導入されています。中でも、吸着関連の方法は、費用対効果の高い操作、高い捕捉効率、および発生する二次汚染の発生が非常に限られているため、さまざまな汚染物質を除去するために集中的に利用されています。適切な吸着剤を特定するには、次の基準を満たすことが期待されます。 (1) 低濃度で多様な汚染物質に対する高い吸着能力。 (2) 表面結合部位を犠牲にすることなく、優れた再利用性を実現します。 (3) 複雑なマトリックス中での吸着速度が速い。

上記の原理に従って、環境汚染物質を修復するために、活性炭 14、酸化グラフェンベースの複合材料 15、合成ポリマー 16、配位ポリマー 17、金属有機フレームワーク 18、共有結合性有機フレームワーク 19、界面活性剤固定バイオポリマー 20 などの多数の吸着剤が提案されています。最近、六方晶系窒化ホウ素 (h-BN) は、その高度に多孔質な構造、極性 B-N 結合、および sp2 ハイブリダイゼーションにより、環境汚染物質を捕捉するための有望な代替品として注目されています。報告されている h-BN 関連材料には、BN 球体 2、h-BN ウィスカー 21、BN ナノシート (BNNS) 22、チーズ状 3D BN23、化学的に活性化された BN 繊維 24 および BN 中空球体 25 が含まれます。さらに、適切な薬剤を導入すると、h-BN 表面を特定の基で官能基化し、吸着質と効率的に相互作用させることができます。この相乗効果により、h-BN 関連吸着剤は、多様な環境汚染物質と相互作用する複数の結合部位を持つことが可能になります 26、27、28。重金属収着の一例として、h-BN 関連材料から得られる極性 B-N 結合は、その表面を通じて Cr(III)1,2,3,27、Cu(II) などの有毒金属陽イオンを静電的に引き付ける可能性があります。 1、2、および Pb(II)1、2、3。さらに、マグネタイトナノ粒子（Fe3O4 NP）でさらに装飾されたポリアニリンで剥離された h-BN ベースの多孔質材料は、それぞれ Cr(VI)26 と As(V)28 の取り込みによく適していました。別の例では、h-BN 関連の多孔質吸着剤は、π-π 相互作用、構造欠陥、極性 B-N 結合を通じて環境水からカチオン性およびアニオン性染料を効率的に除去できます 1,2,3,21,22,23,24。 25. 最近の文献研究では、水系から環境汚染物質を除去する潜在的な挙動が示されていますが、これらの BN ベースの多孔質吸着剤は、疎水性と表面積対体積比が低いため、吸着能力が不十分です。上述の吸着剤の最大吸着容量値は、Cr(VI)26 については 10 ～ 133 mg g-1、As(V)28 については 10 ～ 30 mg g-1、および 10-メチレンブルー (MB)2、22、23、24、–25 の場合は順に 392 mg g-1。

PEI-h-BNNSs > PEI-h-BN quantum dots. Given that, Raman intensity of the D band is proportional to the layer number of h-BN38,39, we point out that the as-prepared PEI-h-BNNSs are indeed and exfoliated to few-layer structures./p>65% uptake of Cr(VI) and As(V) from an aqueous solution. This finding implies that the electrostatic attraction of MHAs with Cr(VI) and As(V) is the critical factor influencing their absorption capability. For example, at pH 9.0, strong electrostatic repulsion is expected to exist between the MHAs and HAsO42−. However, the MHAs adsorption of As(V) still kept approximately 96%. Therefore, we recommend that hydrogen bonding is the predominant driving force to trigger the MHAs to interact with Cr(VI) and As(V) in an aqueous solution. In support of the above-mentioned discussion, the adsorption isotherm experiments were conducted to determine their adsorption enthalpy of Cr(VI) and As(V) on the MHAs. The equilibrium adsorption capacity (qe) values of Cr(VI) and As(V) on the MHAs were gradually decreased with raising the incubation temperature at pH 7.0 and 9.0 (Supplementary Fig. 5a, b), reflecting that these adsorption process are exothermic. This phenomenon was suggested to be strong electrostatic repulsion between the MHAs and HAsO42− (or HCrO4−) at pH 9.0. Furthermore, the enthalpy changes (ΔH0) was determined mechanism associated with binding type of MHAs to Cr(VI) and As(V). It is well documented that the London-van der Waals interaction energy is 4 to 8 kJ mol−1, while the strength of hydrogen bonds varies from 8 to 40 kJ mol−1./p> 0.98; Supplementary Table 4) as below:/p>

95% of total chromium and arsenic were removed from three different kind of soil-sludge samples. Accordingly, the MHAs can be a promising adsorbing material to remove toxic chromium and arsenic from complex sludge water samples./p>

95% for Cr(VI) and As(V) in contaminated soil-sludge samples. In contrast to the PEI-h-BNNSs-loaded PVA aerogels, Fe3O4 NPs-loaded PVA aerogels and other previously reported adsorbents, the MHAs provide numerous distinct advantages, including (1) the presence of highly mesoporous structures with a large specific surface area of 104.6 m2 g−1, (2) the possession of diverse and abundant functional groups (−N, −NH, −NH2, and −OH) on the surface, (3) outstanding adsorption capacity for capturing of Cr(VI) (833 mg g−1), As(V) (426 mg g−1), MB (415 mg g−1) and AO (286 mg g−1), (4) in-situ reduction of Cr(VI) to Cr(III) and As(V) to As(III), (5) more than three successive adsorption-desorption cycles for >80% uptake of Cr(VI), As(V), MB, and AO and (6) the accessible collection of MHAs by applying an external magnetic field. Accordingly, our research work discloses that the as-made aerogels composed of h-BN-based materials with PVA polymers have great potential candidate in large-scale water treatment./p>

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