Deșeurile de papură, transformate într-un material cu cupru pentru eliminarea coloranților din apele uzate
Activitățile industriale precum producția textilă, fabricarea hârtiei, prelucrarea pielii și procesarea alimentelor pot genera ape uzate care conțin coloranți sintetici. Deoarece mulți dintre aceștia sunt stabili chimic, greu de biodegradat și persistenți în mediu, eliminarea lor în cursurile de apă poate pune în pericol ecosistemele acvatice și sănătatea umană.
Pentru a răspunde acestei provocări, cercetători de la Universitatea Doshisha din Japonia au conceput o strategie de co-piroliză într-un singur pas, care transformă deșeurile agricole într-un adsorbant amfoter capabil să elimine coloranții sintetici. Metoda a fost dezvoltată de Asif Ali, student la doctorat și bursier MEXT, împreună cu profesorii Michiaki Matsumoto și Yoshiro Tahara, din Departamentul de Chimie Aplicată al Școlii Absolvente de Știință și Inginerie. Rezultatele au fost publicate în Journal of Environmental Chemical Engineering.
Ali explică motivația studiului: „Un procent alarmant de 20% din apele uzate textile toxice și recalcitrante este evacuat fără tratare, cauzând daune grave vieții acvatice și sănătății umane. Până în prezent, nicio metodă unică de tratare a apelor uzate nu este universal adecvată.” Metodele convenționale, inclusiv separarea prin membrane și oxidarea avansată, pot fi limitate de cerințe energetice ridicate, produse secundare, colmatare, întreținere și costuri operaționale. Cărbunele activ oferă o alternativă eficientă, dar cel comercial poate fi costisitor de produs și regenerat, iar unele abordări de modificare cu metale necesită agenți chimici reducători suplimentari.
Pentru a depăși aceste obstacole, echipa a folosit deșeurile agricole de papură ca precursor de carbon durabil. Nitratul de cupru(II) trihidrat și hidroxidul de potasiu (KOH) au facilitat creșterea in situ a nanoparticulelor de cupru zero-valent (Cu0) într-un cadru mezoporos. Prin co-piroliză într-un singur pas, cercetătorii au folosit gazele reducătoare volatile generate in situ de biomasă (CO și H2) pentru a reduce precursorii de cupru, obținând compozitul ZVCu@BAC, fără reducători chimici secundari.
Pentru caracterizarea compozitului au fost utilizate SEM, TEM, cartografiere EDX, FTIR, BET, XRD și TGA/DTA. Spre deosebire de BAC nemodificat, care formează o structură amorfă și foarte poroasă, compozitul ZVCu@BAC a prezentat o arhitectură mezoporoasă, cu o suprafață specifică mare de 984,5 m2/g și un volum total de pori de 0,615 cm³/g. Structurile de Cu0 sub formă de ace au fost distribuite uniform și ancorate ferm pe matricea de carbon, fără aglomerare.
Cercetătorii au realizat apoi experimente comparative de adsorbție în regim batch pentru a evalua eliminarea colorantului cationic albastru de metilen (MB) și a coloranților anionici metil portocaliu (MO) și galben apus (SY). Cu o interfață amfoteră (pHpzc ≈9,0), compozitul ZVCu@BAC a realizat o eliminare cu spectru larg atât a coloranților cationici (MB, qm = 62,31 mg/g), cât și a celor anionici (MO, qm = 56,37 mg/g; SY, qm = 35,76 mg/g). Datele de echilibru au fost descrise cel mai bine de izoterma Langmuir, în timp ce cinetica de pseudo-ordinul doi a indicat că chemosorbția a jucat un rol major în procesul care controlează viteza. Evaluările termodinamice au arătat că procesele de adsorbție au fost puternic spontane (ΔG∘ < 0) și exoterme (ΔH∘ < 0).
Adsorbția a fost susținută de mai multe mecanisme: atracție electrostatică, stivuire π─π, umplerea porilor și legături de coordinare cu situsurile metalice de Cu0. Caracterizările ulterioare au arătat că, după șase cicluri de regenerare cu un eluent de KOH/acetone 0,1 M, compozitul a menținut o eficiență de eliminare de 90,6% pentru MB și de 88,0% pentru MO. Împreună cu un cost de producție estimat la aproximativ 1.800 yeni pe kilogram, rezultatele sugerează că acest compozit ar putea fi o opțiune rentabilă, durabilă și scalabilă pentru tratarea apelor uzate industriale.
Matsumoto subliniază semnificația descoperirilor: „Rezultatele studiului nostru oferă oportunitatea de a avansa economia circulară: valorificarea biomasei invazive de papură, cu cost zero, într-un cadru de carbon funcțional, printr-o rută de co-piroliză ecologică într-un singur pas.”
