Síntese de duplo
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Síntese de duplo

May 23, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8092 (2023) Cite este artigo

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Aqui, relatamos a síntese de nanoesferas de organosílica mesoporosa periódica de dupla camada/MIL-88A-Fe (DSS/MIL-88A-Fe) através de um método hidrotérmico. Para pesquisar as características estruturais e composicionais do compósito sintetizado, uma variedade de técnicas espectroscópicas e microscópicas, incluindo FT-IR, XRD, BET, TEM, FE-SEM, EDX e mapeamento EDX, foram empregadas. Um ponto de destaque neste procedimento de síntese é a integração do MOF com o PMO para aumentar o desempenho do adsorvente, como maior área superficial específica e mais sítios ativos. Essa combinação leva a uma estrutura com tamanho médio de 280 nm e 1,1 μm de comprimento atribuídos a DSS e MOF, respectivamente, estrutura microporosa e área superficial específica relativamente grande (312,87 m2/g). O compósito preparado pode ser usado como um adsorvente eficaz com alta capacidade de adsorção (250 mg/g) e rápido tempo de adsorção (30 min) para a remoção de Pb2+ da água. É importante ressaltar que o compósito DSS/MIL-88A-Fe revelou reciclagem e estabilidade aceitáveis, pois o desempenho na remoção de Pb2+ da água permaneceu acima de 70% mesmo após 4 ciclos consecutivos.

Para todas as atividades humanas, a água potável é um material essencial, mas a presença de poluentes é um dos desafios humanos mais significativos para a obtenção de água limpa. O rápido desenvolvimento da industrialização leva ao aumento da poluição por metais pesados ​​no meio ambiente1,2,3. Para reduzir a poluição da água pela descarga de metais pesados ​​na natureza, a agência de proteção ambiental (EPA) estabeleceu limites permitidos especificados para essa finalidade. A concentração máxima aceitável de Pb2+ em descargas industriais e água potável de acordo com as diretrizes da OMS e da EPA foi determinada em aproximadamente 0,01 e 0,015 mg/L, respectivamente4,5. Este valor para Pb (II) em águas residuais é de 0,05 mg/L, com base na orientação da EPA6,7. Além disso, as concentrações de íons de chumbo em águas residuais industriais são de cerca de 200 a 500 mg/L. Deve-se notar que este valor é notavelmente maior do que a qualidade padrão da água, portanto, antes de descarregar as águas residuais em cursos d'água ou sistemas de esgoto, a concentração de íons de chumbo deve ser reduzida para um nível de 0,05–0,10 mg/L6,8, 9. Os íons de metais pesados, incluindo chumbo, prejudicam a saúde humana e o meio ambiente. Esses metais pesados ​​podem levar a diversas doenças e complicações no organismo10,11. Portanto, a remoção de metais pesados, incluindo Pb2+, da água e dos efluentes é de grande importância não apenas para a proteção dos recursos hídricos, mas também para a sobrevivência permanente dos seres humanos. De acordo com essa questão essencial, os cientistas têm se concentrado em novas tecnologias que permitirão a eliminação de metais pesados ​​dos suprimentos ambientais12,13,14,15. Geralmente, alguns métodos de tratamento utilizados para purificar a água pelo aprisionamento de metais pesados ​​e íons radioativos têm sido focados em tratamentos baseados em adsorção-16, membrana-17, químico-18, elétrico-18 e fotocatalítico-19,20. Dentre eles, o processo de adsorção é um dos métodos mais eficientes para lidar com íons de metais pesados ​​devido ao seu desempenho simples, várias fontes de adsorvente, custo acessível, operação simples, alta eficiência e capacidade regenerativa dos adsorventes21. Nos últimos anos, materiais adsorventes convencionais, incluindo óxidos metálicos22,23,24,25,26,27, carbono ativo28,29,30,31,32,33,34 e nanotubos de carbono35,36,37,38,39,40 ganharam enorme atenção. Sem dúvida, esses materiais apresentam um ótimo comportamento adsorvente; no entanto, alguns deles ainda sofrem de algumas desvantagens, incluindo tamanhos e volumes de poros pequenos, cinética de adsorção negativa, preparação elaborada, renovação difícil e baixa eficiência de adsorção. Portanto, há uma necessidade urgente de desenvolver novos materiais de adsorção.

Recentemente, materiais porosos, como estruturas metal-orgânicas (MOF)41,42,43,44,45,46, e organossilica mesoporosa periódica oca (PMOs)47,48,49,50,51,52,53,54,55 ,56 são atraídos por uma perspectiva de aplicação inclusiva no campo da adsorção. Estruturas metal-orgânicas (MOF), que também são conhecidas como uma nova classe de materiais híbridos e cristalinos no campo de materiais metal-orgânicos (MOMs)57,58,59 são construídas por centros de metal ou aglomerados que se unem por meio de fortes ligações de coordenação com ligantes orgânicos60,61,62,63,64. O procedimento de síntese para obtenção de NPs MOF é classificado em duas categorias principais, incluindo técnicas hidrotérmicas65 e solvotérmicas66,67. Em ambos os procedimentos, duas soluções contendo os íons metálicos em seus estados de oxidação estáveis, ou seja, elementos alcalinos, alcalino-terrosos, metais de transição e terras raras68 foram misturadas com os ligantes orgânicos, como moléculas policarboxílicas e poli-aza-heterociclos69 para obter uma ampla gama de estruturas MOFs cristalinas e estáveis. Nos últimos anos, esses materiais têm experimentado um crescimento rápido e extensivo de atenção devido às suas características atraentes, como alta área de superfície70, arquiteturas de poros bem definidas71 e características estruturais ajustáveis72. Suas propriedades únicas os tornam um ótimo candidato para muitas aplicações, incluindo armazenamento de gás73, purificação74, sensoriamento molecular75, administração de drogas76, catalisadores orgânicos e purificação de água77. No caso de aplicações de tratamento de água, o uso de MOFs com pó de tamanho pequeno está associado a alguns riscos devido à alta afinidade desses compostos com a água, o que aumenta a possibilidade de aglomeração e, portanto, de difícil recuperação45. Como resultado desse problema, as nanopartículas de MOF podem entrar diretamente na água potável78 e causar nanotoxicidade ambiental de longo prazo, problemas de poluição por metais pesados ​​e afetar a saúde humana79. Por outro lado, algumas das estruturas MOF são sensíveis à umidade e à água, o que leva a um colapso estrutural em estruturas metal-orgânicas (MOFs), o que é uma séria desvantagem no uso aplicado80. A principal razão para esse fenômeno pode ser explicada pela estrutura dos MOFs (a natureza do ligante e do aglomerado de metal) e o processo de ativação que leva ao efeito de ponte que ocorre na adsorção de água46. Por exemplo, no processo de ativação de HKUST-1 MOF (= (Cu3(BTC)2) (BTC = benzeno-1,3,5-tricarboxilato)) que é composto de íons de cobre capeados por ligante de água axial e ligantes BTC, os ligantes axiais de água foram removidos, resultando em um novo arranjo na geometria do centro cúprico em direção a uma coordenação quadrada planar relativamente estável81. No entanto, de acordo com os artigos relatados46,81, o HKUST-1 tem uma alta afinidade de adsorção de água e não apresentou estabilidade a longo prazo quando em contato direto com a água. Contra este grupo, alguns dos materiais MOF, como MIL-101(Fe), apresentam excelente estabilidade à água. Eles podem se apresentar como grandes candidatos a materiais promissores para aplicações de adsorção de água, como remoção de metais pesados82,83,84,85. A fim de aumentar as vantagens dos compostos MOF, a incorporação de excelentes adsorventes como PMOs com esses materiais leva à formação de um compósito com propriedades mecânicas aprimoradas.