C,N o que

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5716 (2023) Citar este artigo

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Poluentes complexos estão a ser descarregados e a acumular-se nos rios e oceanos, exigindo uma estratégia conjunta para resolver os poluentes de forma eficiente. Um novo método é proposto para tratar múltiplos poluentes com nanofibras ocas revestidas com nanofibras de TiO2 co-dopadas com C,N, que podem realizar uma separação eficiente de óleo / água e fotodegradação de corantes visíveis por luz. As nanofibras de poli (divinilbenzeno-co-vinilbenzeno), P (DVB-co-VBC), são geradas por polimerização catiônica precipitada na estrutura de malha, seguida de quaternização por trietilamina para dopagem com N. Em seguida, o TiO2 é revestido nas nanofibras poliméricas através do processo sol-gel in-situ de titanato de tetrabutila. A malha funcional revestida com nanofibras ocas de TiO2 co-dopadas com C,N é obtida após calcinação sob atmosfera de nitrogênio. A malha resultante demonstra propriedade super-hidrofílica/superoleofóbica subaquática que é promissora na separação óleo/água. Mais importante ainda, as nanofibras ocas de TiO2 co-dopadas com C, N conferem à malha alta capacidade de fotodegradação de corantes sob luz visível. Este trabalho desenha uma malha multifuncional acessível, mas de alto desempenho, para potenciais aplicações no tratamento de águas residuais.

A separação e o tratamento de águas residuais com poluentes complexos são sempre um problema intratável na indústria e na ciência ambiental. O petróleo derramado, proveniente de indústrias têxteis, mineiras, alimentares, petrolíferas, metalúrgicas e siderúrgicas e do transporte marítimo, causou graves desastres ecológicos a nível mundial1,2,3,4. Tecnologias de limpeza para o óleo derramado são urgentemente necessárias, atraindo pesquisadores para desenvolver estratégias eficientes para o tratamento de águas residuais oleosas. A separação física óleo/água, baseada nos materiais superumectantes, tem sido amplamente estudada devido ao baixo consumo de energia e à alta eficiência5,6,7. Filtros ou absorventes superhidrofóbicos/superoleofílicos são mais utilizados para a separação óleo/água, represando a água e passando ou absorvendo o óleo8,9,10,11,12. Contudo, estas superfícies super-hidrofóbicas/superoleofílicas são fáceis de serem sujas e bloqueadas uma vez que se separam óleos altamente viscosos, por exemplo, petróleo bruto, das águas residuais oleosas.

Para resolver este problema, duas estratégias principais foram propostas. Alguns pesquisadores tentaram reduzir a viscosidade do petróleo bruto circundante com uma fonte de aquecimento externa, por exemplo, aquecimento joule13,14,15, conversão fototérmica14,16,17,18, indução eletromagnética19,20. A outra estratégia foi a fabricação de membranas superhidrofílicas/superoleofóbicas subaquáticas que têm merecido maior atenção21. A água pode passar pela membrana superhidrofílica/superoleofóbica subaquática, mas o óleo é repelido, evitando a poluição da membrana. Para alcançar a superfície superhidrofílica / superoleofóbica subaquática, a membrana ou estrutura era geralmente revestida com redes de hidrogel22,23, cadeias polieletrólíticas24,25, polímeros zwitteriônicos26,27, polissacarídeos hidrofílicos28,29, etc. revestido ou in situ cresceu na membrana ou estrutura para fabricar a superfície superhidrofílica/subaquática superoleofóbica. Por exemplo, as membranas compostas inorgânicas com superfície superhidrofílica/subaquática superoleofóbica foram preparadas a partir de nanopartículas de óxido metálico (por exemplo, SiO230,31, ZnO32, TiO233,34,35, NiO36, WO3@Cu(OH)237, ZnO@Cu2O38, CuWO4 @Cu2O39), nanopartículas metálicas (por exemplo, Ag40,41, Ni42, Cu43), Zeólita44, MXene35,45 e MOF46,47. Além disso, alguns componentes funcionais inorgânicos apresentam atividade fotocatalítica, realizando a purificação de águas residuais com poluentes complexos.

Conforme mencionado acima, os componentes das águas residuais são complexos, exigindo um tratamento em várias etapas. Os poluentes solúveis em água não podem ser facilmente eliminados com a separação física. Portanto, as membranas multifuncionais com nanopartículas inorgânicas podem ser úteis. Entre elas, membranas superoleofóbicas superhidrofílicas/subaquáticas carregadas com fotocatalisador podem não apenas separar a mistura óleo/água, mas também realizar a degradação de poluentes como corantes em água, o que tem amplas perspectivas de aplicação . No entanto, devido ao amplo intervalo de bandas intrínseco da maioria das nanopartículas inorgânicas, eles realizaram a degradação fotocatalítica dos poluentes solúveis em água apenas sob irradiação de luz UV . É um desafio realizar a fotodegradação de poluentes sob irradiação de luz visível. Alternativamente, a fotodegradação sob irradiação de luz visível foi alcançada com nanopartículas de baixo gap (por exemplo, CuWO4@Cu2O39) ou diminuindo o band gap de semicondutores de óxido metálico com portadores altamente condutores metálicos (por exemplo, óxido de grafeno34,50, nitreto de carbono51,52, MXene35 ,45,53,54 e sulfeto metálico55,56,57,58). No entanto, essas estratégias geralmente necessitam que metais pesados ​​sofram de toxicidade e processos complexos. Para obter fotocatalisador de luz visível com baixo preço, semicondutores de óxido metálico, especialmente nanomateriais à base de TiO2, foram dopados com átomos híbridos para baixo gap . O TiO2 co-dopado com C, N exibe uma atividade catalítica de luz visível peculiarmente melhor . Deve ser viável preparar membranas à base de TiO2 com atividade fotocatalítica de luz visível e propriedades superumectantes simultaneamente.