C,N cosa

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5716 (2023) Citare questo articolo

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Inquinanti complessi si scaricano e si accumulano nei fiumi e negli oceani e richiedono una strategia combinata per eliminarli in modo efficiente. Viene proposto un nuovo metodo per trattare più inquinanti con reti di acciaio inossidabile rivestite con nanofibre cave di TiO2 co-drogate con C,N che possono realizzare un'efficiente separazione olio/acqua e la fotodegradazione dei coloranti guidati dalla luce visibile. Le nanofibre di poli(divinilbenzene-co-vinilbenzene cloruro), P(DVB-co-VBC), sono generate mediante polimerizzazione cationica precipitata sulla struttura della rete, seguita dalla quaternizzazione mediante trietilammina per il drogaggio con N. Quindi, TiO2 viene rivestito sulle nanofibre polimeriche tramite un processo sol-gel in situ di titanato di tetrabutile. La rete funzionale rivestita con nanofibre cave di TiO2 co-drogate con C,N è ottenuta dopo calcinazione in atmosfera di azoto. La rete risultante dimostra proprietà superidrofile/superoleofobiche subacquee che sono promettenti nella separazione olio/acqua. Ancora più importante, le nanofibre cave di TiO2 co-drogate con C,N conferiscono alla rete un'elevata capacità di fotodegradazione dei coloranti sotto luce visibile. Questo lavoro disegna una rete multifunzionale economica ma ad alte prestazioni per potenziali applicazioni nel trattamento delle acque reflue.

La separazione e il trattamento delle acque reflue contenenti inquinanti complessi sono sempre un problema irrisolvibile nell'industria e nelle scienze ambientali. Il petrolio fuoriuscito, scaricato dalle industrie tessili, minerarie, alimentari, petrolifere, metallurgiche e marittime, ha causato gravi disastri ecologici a livello mondiale1,2,3,4. Sono urgentemente necessarie tecnologie di pulizia per il petrolio fuoriuscito, che attraggano i ricercatori per sviluppare strategie efficienti per il trattamento delle acque reflue oleose. La separazione fisica olio/acqua, basata sui materiali superwetting, è stata ampiamente studiata per il basso consumo energetico e l'elevata efficienza5,6,7. I filtri o assorbenti superidrofobici/superoleofili sono maggiormente utilizzati per la separazione olio/acqua bloccando l'acqua e facendo passare o assorbendo l'olio8,9,10,11,12. Tuttavia, queste superfici superidrofobiche/superoleofile sono facili da sporcare e bloccare una volta separati gli oli altamente viscosi, ad esempio il petrolio greggio, dalle acque reflue oleose.

Per risolvere questo problema sono state proposte due strategie principali. Alcuni ricercatori hanno tentato di ridurre la viscosità del petrolio greggio circostante con una fonte di riscaldamento esterna, ad esempio riscaldamento tramite joule13,14,15, conversione fototermica14,16,17,18, induzione elettromagnetica19,20. L'altra strategia è stata la fabbricazione di membrane superidrofile/superoleofobiche subacquee che hanno meritato maggiore attenzione21. L'acqua può passare attraverso la membrana superidrofila/superoleofobica subacquea, ma l'olio viene respinto, evitando l'inquinamento della membrana. Per ottenere la superficie superidrofila/superoleofobica subacquea, la membrana o la struttura era solitamente rivestita con reti di idrogel22,23, catene polielettrolitiche24,25, polimeri zwitterionici26,27, polisaccaridi idrofili28,29, ecc. Come la maggior parte delle nanoparticelle inorganiche contenenti gruppi idrofili, potrebbero essere rivestiti o cresciuti in situ sulla membrana o struttura per fabbricare la superficie superidrofila/superoleofobica subacquea. Ad esempio, le membrane composite inorganiche con superficie superidrofila/superoleofobica subacquea sono state preparate da nanoparticelle di ossido metallico (ad esempio, SiO230,31, ZnO32, TiO233,34,35, NiO36, WO3@Cu(OH)237, ZnO@Cu2O38, CuWO4 @Cu2O39), nanoparticelle metalliche (ad esempio Ag40,41, Ni42, Cu43), Zeolite44, MXene35,45 e MOF46,47. Inoltre, alcuni componenti funzionali inorganici mostrano attività fotocatalitica, realizzando la purificazione delle acque reflue con inquinanti complessi.

Come accennato in precedenza, i componenti delle acque reflue sono complessi e richiedono un trattamento in più fasi. Gli inquinanti idrosolubili non possono essere facilmente smaltiti con la separazione fisica. Pertanto possono tornare utili le membrane multifunzionali con nanoparticelle inorganiche. Tra questi, le membrane superidrofile/superoleofobiche subacquee caricate con fotocatalizzatore possono non solo separare la miscela olio/acqua ma anche realizzare la degradazione di inquinanti come i coloranti nell'acqua, che ha ampie prospettive di applicazione48,49. Tuttavia, a causa dell’ampio intervallo di banda intrinseco della maggior parte delle nanoparticelle inorganiche, hanno realizzato la degradazione fotocatalitica degli inquinanti idrosolubili solo sotto irradiazione con luce UV38. È difficile realizzare la fotodegradazione degli inquinanti sotto irradiazione di luce visibile. In alternativa, la fotodegradazione sotto irradiazione di luce visibile è stata ottenuta con nanoparticelle a basso gap di banda (ad esempio, CuWO4@Cu2O39) o riducendo il gap di banda del semiconduttore di ossido di metallo con portatori conduttivi altamente metallici (ad esempio, ossido di grafene34,50, nitruro di carbonio51,52, MXene35 ,45,53,54 e solfuro metallico55,56,57,58). Tuttavia, queste strategie generalmente richiedono che i metalli pesanti soffrano di tossicità e di processi complessi. Per ottenere un fotocatalizzatore a luce visibile a basso prezzo, i semiconduttori di ossidi metallici, in particolare i nanomateriali a base di TiO2, sono stati drogati con atomi ibridi per un basso gap di banda59,60,61,62,63. Il TiO2 co-drogato con C,N mostra un'attività catalitica della luce visibile particolarmente migliore64,65,66. Dovrebbe essere possibile preparare membrane a base di TiO2 con attività fotocatalitica a luce visibile e proprietà di superwetting simultaneamente.