Synthetische kleurstoffen worden in een groot aantal verschillende industrieën gebruikt en vormen een ernstig probleem als het gaat om watervervuiling. Deze kleurstoffen zijn niet alleen giftig, maar ze blijven ook lang in het milieu aanwezig zonder afbraak. De meeste benaderingen voor het verwijderen van synthetische kleurstoffen uit water zijn gebaseerd op adsorptie - een fenomeen waarbij een chemisch molecuul wordt gebonden aan het oppervlak van een substraat dat een adsorbens wordt genoemd. Op koolstof gebaseerde systemen worden gewoonlijk gebruikt als adsorbens, maar ze worden beperkt door de noodzaak van een veilige verwijderingsroute voor het gebruikte adsorbens en het onvermogen om het materiaal opnieuw te gebruiken. Veel polymeren zijn ook onderzocht als adsorbentia, maar ze vertonen een slechte oplosbaarheid en stabiliteit in water.

Onlangs heeft een internationaal team van onderzoekers, waaronder prof. Wei-Hsin Chen van de National Cheng Kung University, Taiwan, een nieuwe milieuvriendelijke en herbruikbare oplossing op basis van nanocomposiet ontwikkeld voor het verwijderen van giftige kleurstoffen uit afvalwater. Het artikel waarin de studie wordt beschreven, werd op 31 juli 2021 online beschikbaar gesteld en werd gepubliceerd in Volume 421 van het Journal of Hazardous Materials op 5 januari 2022.

"Carboxymethylcellulose (CMC) is een goedkoop cellulosederivaat dat gemakkelijk te produceren, milieuvriendelijk en biocompatibel is. Maar het heeft relatief slechte thermische en mechanische eigenschappen. In ons onderzoek hebben we CMC met succes verbeterd door het te combineren met polyacrylzuur (PAA De bereide materialen kunnen efficiënte adsorbentia zijn voor ionische verontreinigende stoffen in afvalwaterzuivering", zegt prof. Chen.

CMC is een goed gekarakteriseerd, goedkoop polymeer afgeleid van natuurlijke cellulose, een overvloedig polymeer dat wordt aangetroffen in planten en microalgen zoals Chlorella sp. In deze studie combineerden de onderzoekers CMC met PAA - een waterminnend, niet-toxisch en veilig polymeer - en laadden de resulterende hydrogels met grafeenoxide. Ten slotte, door deze hydrogels te onderwerpen aan herhaalde was- en vriesdroogcycli, zetten ze de hydrogels om in "aerogels", dit zijn poreuze vaste netwerken die luchtzakken bevatten met een hoog adsorberend vermogen.

Het onderzoeksteam karakteriseerde vervolgens de aerogels met behulp van veldemissie scanning elektronenmicroscopie en laboratoriumtechnieken en ontdekte dat verschillende niveaus van grafeenoxide poriën van verschillende grootte in de aerogel creëerden. Ze ontdekten dat de toevoeging van grafeenoxide het specifieke oppervlak en de thermische stabiliteit van de nanocomposiet-hydrogels verhoogde. Ze zagen ook dat de poriegrootte van de hydrogels afnam met toenemende concentraties grafeenoxide. Bovendien had de aerogel die in dit onderzoek werd ontwikkeld een adsorptiecapaciteit van 138 mg/g methyleenblauw na 250 min, wat een van de hoogste methyleenblauwadsorptiecapaciteiten is die in de literatuur wordt vermeld. Volgens prof. Chen:"Het in deze studie ontwikkelde adsorbens is zowel milieuvriendelijk als kosteneffectief, wat wijst op het hoge toepassingspotentieel voor de verwijdering van kationische kleurstoffen uit afvalwater."

Ten slotte zagen de onderzoekers dat de nieuwe hydrogels ongeveer 90% van hun adsorptiecapaciteit behielden, zelfs na negen cycli van gebruik en regeneratie.

Vervolgens wilden ze het mechanisme achter de hoge adsorptiecapaciteit van de hydrogels onderzoeken, dus voerden ze simulaties van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) uit. De resultaten van hun simulaties suggereerden dat het methyleenblauw sterker bond aan grafeenoxide dan aan CMC of PAA. Ze zagen ook dat de adsorptie van methyleenblauw op het grafeenoxide in het nanocomposiet plaatsvond via pi-elektronbinding, waterstofbinding en elektrostatische interacties.

De nanocomposiet-hydrogels die in deze studie zijn vervaardigd, bieden een milieuvriendelijk, stabiel, efficiënt en herbruikbaar adsorberend materiaal om synthetische kleurstoffen uit afvalwater te verwijderen en verbeteringen aan zowel het milieu als de menselijke gezondheid te bieden. + Verder verkennen

Waterzuiveringssysteem gemaakt van hout, met behulp van een magnetron