Élimination des métaux lourds et des colorants organiques via un nitrure de bore hexagonal poreux hybride

npj Clean Water volume 5, Numéro d'article : 24 (2022) Citer cet article

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De nombreux adsorbants ont été introduits pour éliminer efficacement les métaux lourds et les colorants organiques des échantillons d’eau environnementale. Cependant, les aérogels magnétiques à réseau poreux sont rarement développés pour capturer les polluants inorganiques et organiques aqueux. Nous avons fabriqué ici des nanofeuilles hexagonales de nitrure de bore (h-BNNS) à base d'aérogels hybrides magnétiques (MHA) comme adsorbant léger pour une absorption robuste du Cr(VI), de l'As(V), du bleu de méthylène (MB) et de l'orange acide (AO). . La procédure de synthèse des h-BNNS modifiés par la poly(éthylèneimine) (PEI-h-BNNS) impliquait une polycondensation thermique de la mélamine et de l'acide borique, une pyrolyse des produits résultants qui ont permis une exfoliation par processus d'ultra-sonication et une fonctionnalisation ultérieure avec une modification médiée par le PEI. des h-BNNS. Les PEI-h-BNNS tels que formés ont permis la formation in situ de nanoparticules de magnétite (Fe3O4 NP) décorées sur leurs surfaces, qui se sont transformées en PEI-h-BNNSs@Fe3O4 NP. Le traitement de lyophilisation des hydrogels PVA chargés de NP PEI-h-BNNSs@Fe3O4 a généré des MHA avec de grandes structures poreuses, des groupes fonctionnels divers et nombreux, un bon superparamagnétique et une charge de surface nette nulle. Ces caractéristiques ont permis d'utiliser l'adsorbant proposé (MHA) pour éliminer efficacement le Cr(VI), l'As(V), le MB et l'AO d'une solution aqueuse, avec une capacité d'adsorption maximale estimée à 833, 426, 415, 286 mg g. −1, respectivement. Les données cinétiques d'adsorption et isothermes ont démontré que l'adsorption médiée par les MHA de Cr (VI), As (V), MB et AO suivait le modèle isotherme de Freundlich et un modèle cinétique de pseudo-second ordre. Cette découverte signifie que les MHA présentent un comportement de liaison hétérogène avec une chimisorption multicouche de Cr(VI), As(V), MB et AO. Par la suite, l'application pratique a été validée en effectuant leur détoxification du chrome et de l'arsenic dans des échantillons de boues solides.

L'urbanisation rapide et l'expansion industrielle ont provoqué une augmentation massive des polluants inorganiques et organiques dans l'eau naturelle, qui sont étroitement liés à la santé publique et à la qualité de l'eau1,2,3. Diverses industries rejettent leurs métaux lourds, colorants organiques et hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans les systèmes aquatiques sans processus de purification approprié parmi ces polluants. L'élimination des métaux toxiques1,2,3, des colorants organiques4 et des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)5,6,7,8 des eaux environnementales a récemment été considérée comme l'un des problèmes les plus essentiels pour obtenir de l'eau propre en raison de leur persistance dans l'environnement. et une toxicité extrême. En réponse à cette exigence, plusieurs procédures ont été introduites pour purifier les métaux lourds et l’eau polluée par des colorants organiques, notamment des techniques de photocatalyse9, de floculation10, de biodégradation11, de séparation membranaire12 et d’adsorption13. Parmi elles, les méthodes liées à l'adsorption ont été intensivement utilisées pour éliminer différents polluants en raison de leur fonctionnement rentable, de leur efficacité de capture élevée et de la création de pollutions secondaires très limitées. L'identification d'un adsorbant approprié doit répondre aux critères suivants : (1) capacité d'adsorption élevée pour divers polluants à de faibles concentrations ; (2) une excellente réutilisabilité sans sacrifier les sites de liaison de surface ; (3) taux d'adsorption rapide dans des matrices complexes.

Selon les principes ci-dessus, de nombreux adsorbants ont été proposés pour éliminer les polluants environnementaux, illustrés par le charbon actif14, les composites à base d'oxyde de graphène15, les polymères synthétiques16, les polymères de coordination17, les structures métallo-organiques18, la structure organique covalente19 et le biopolymère ancré dans un tensioactif20. Récemment, le nitrure de bore hexagonal (h-BN) constitue une alternative prometteuse pour capturer les polluants environnementaux en raison de sa structure hautement poreuse, de ses liaisons polaires B-N et de son hybridation sp2. Les matériaux liés au h-BN signalés comprennent les sphères de BN2, les moustaches de h-BN21, les nanofeuilles de BN (BNNS)22, le BN3D ressemblant à du fromage23, les fibres de BN chimiquement activées24 et les sphères creuses de BN25. De plus, l’introduction d’agents appropriés peut fonctionnaliser via leur surface h-BN avec des groupes spécifiques pouvant interagir efficacement avec les adsorbats. Cet effet synergique permet aux adsorbants liés au h-BN de disposer de plusieurs sites de liaison pour interagir avec divers polluants environnementaux26,27,28. À titre d'exemple de sorption de métaux lourds, les liaisons polaires B-N obtenues à partir de matériaux liés au h-BN pourraient attirer électrostatiquement des cations métalliques toxiques à travers leur surface, tels que Cr(III)1,2,3,27, Cu(II) 1,2 et Pb(II)1,2,3. De plus, les matériaux poreux à base de h-BN exfoliés avec de la polyaniline et décorés de nanoparticules de magnétite (NP Fe3O4) étaient bien adaptés à l'absorption de Cr(VI)26 et As(V)28, respectivement. Dans un autre exemple, l'adsorbant poreux lié au h-BN peut éliminer efficacement les colorants cationiques et anioniques de l'eau environnementale grâce à leurs interactions π-π, leurs défauts structurels et leurs liaisons polaires B-N1,2,3,21,22,23,24, 25. Bien que des études récentes de la littérature montrent le potentiel d’élimination des polluants environnementaux d’un système aqueux, ces adsorbants poreux à base de BN souffrent d’une capacité d’adsorption insuffisante en raison de leur nature hydrophobe et de leur faible rapport surface/volume. Il convient de mentionner que les valeurs maximales de capacité d'adsorption des adsorbants mentionnés ci-dessus étaient de 10 à 133 mg g−1 pour le Cr(VI)26, de 10 à 30 mg g−1 pour l'As(V)28 et de 10 à 30 mg. 392 mg g−1 pour le bleu de méthylène (MB)2,22,23,24,–25, en séquence.