Carbonos nanoporosos baseados em polímeros orgânicos coordenados como um eficiente e ecológico

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13127 (2023) Citar este artigo

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A maior parte dos poluentes da água inclui poluentes orgânicos, como os fenólicos, portanto, há todos os perigos para o meio ambiente. O presente trabalho é um comparativo da química superficial e das características adsortivas do polímero orgânico coordenado (Cop-150) e do carbono nanoporoso (NPC) preparado pelo método solvotérmico. Novo NPC foi sintetizado com sucesso para remover fenol. As técnicas FT-IR, XRD, XPS, SEM, TGA e BET foram utilizadas para caracterizar e confirmar a variação físico-química durante a preparação de Cop-150 e NPC. A metodologia de superfície de resposta Box-Behnken (BBRSM) foi usada para otimizar quatro fatores importantes: pH (2–10), tempo de contato (1–40 min), temperatura (25–60 °C) e concentração inicial de fenol (5 –50mg L-1). Para analisar os dados obtidos da adsorção de fenol pelos adsorventes sintetizados, foram examinados quatro modelos lineares, 2FI, quadrático e cúbico, sendo o modelo quadrático reconhecido como o melhor modelo. Para o NPC a capacidade de adsorção igual a 500 mg g-1 é alcançada na concentração inicial de fenol = 49,252 mg L-1, tempo de contato = 15,738 min, temperatura = 28,3 °C e pH 7,042. Por outro lado, a capacidade de adsorção do Cop-150 em pH 4,638, o tempo de contato = 19,695 min, a temperatura = 56,8 °C e a concentração inicial de fenol = 6,902 mg L-1 foi igual a 50 mg g-1 . Os dados experimentais em diferentes condições foram investigados por alguns modelos cinéticos e isotérmicos famosos, que entre eles correspondiam ao modelo cinético de pseudo-segunda ordem e à isoterma de Langmuir. Além disso, com base no resultado da termodinâmica tanto para o Cop-150 quanto para o NPC, o processo de adsorção é exotérmico e espontâneo. De acordo com os resultados, o Cop-150 e o NPC poderiam ser usados ​​por até quatro e cinco ciclos sem reduzir significativamente seu desempenho, respectivamente.

A poluição da água acontece com a entrada de produtos químicos industriais na água, o que está associado a alterações na qualidade da água. Esses compostos são muito prejudiciais ao meio ambiente e à vida humana e têm efeitos negativos nos ecossistemas. O fenol (ver Tabela 1) é um composto industrial amplamente utilizado em plásticos e resinas, papel, refinarias de carvão e indústrias petroquímicas. Esse composto e seus derivados são muito tóxicos, podendo causar doenças, como intoxicações1. A presença crescente de fenol nas águas residuais tornou-se uma preocupação premente devido aos seus efeitos nocivos tanto para a saúde humana como para o ambiente2. O fenol tem um efeito negativo nos organismos, mesmo em quantidades muito pequenas. Com base na Organização Mundial da Saúde, a faixa de concentração dos compostos fenólicos na água potável é de cerca de 1 µg L-1, portanto, precisam ser removidos do curso de água. Para resolver este problema, várias estratégias como destilação, troca iônica3, filtração baseada em membrana, redução bioquímica, oxidação/redução química e adsorção foram investigadas para tratamento de águas residuais4,5,6,7. Dentre essas técnicas, o processo de adsorção é o mais utilizado no tratamento de águas residuais devido à sua alta eficiência econômica, impressionante capacidade e excelente desempenho8,9,10,11. Nos últimos anos, tipos de adsorventes como óxidos metálicos12,13, nanopartículas magnéticas6,14,15,16, polímeros17 e materiais à base de grafeno18 têm sido estudados para tratamento de águas residuais. Porém, a preparação desses materiais é cara e possuem área superficial muito baixa19, o que reduz a eficiência do processo de adsorção20,21. Para combater este problema, os investigadores têm explorado vários adsorventes para remover eficazmente o fenol das águas residuais. Uma solução promissora reside na utilização de NPCs baseados em polímeros orgânicos coordenados, que têm demonstrado grande potencial como nano-sorventes eficientes e ecológicos22. Os NPCs são muito promissores devido à sua estrutura única, alta porosidade e superfície adequada para uso em diferentes trabalhos de pesquisa, incluindo sistemas de distribuição de medicamentos, supercapacitores, armazenamento de gás e adsorção de poluentes .