Materiais tridimensionais de grafeno para remoção de elementos potencialmente tóxicos de águas

Abstract

Neste trabalho prepararam-se 3 espumas de óxido de grafeno, funcionalizadas com amónia (GON), polietilenoimina (GO-PEI) e quitosano (GO-Ch), e explorou-se a sua aplicação na remoção dos elementos potencialmente tóxicos (PTEs), As, Cd, Cr, Hg, Ni e Pb, em duas matrizes diferentes, água ultrapura e água de rede, e em concentrações realísticas. A estrutura química dos sorventes foi caracterizada através de FTIR, SEM, e determinação do ponto de carga zero. Parâmetros que influenciam a sorção, como dose de sorvente (10, 50 e 100 mg L-1), tempo de contacto (0-48 horas) e presença de co-iões, foram avaliados. Apesar do GON ter tido melhor desempenho em água ultrapura, o GO-PEI foi o material que mais se destacou em água real, contendo simultaneamente os 6 PTEs, com remoções de 35% para As, 96% para Pb, 96% para Hg, 99% para Cd, 92% para Cr e 98% para o Ni, usando apenas 50 mg de material por litro de solução. Esta dose foi considerada a melhor, tendo em conta um balanço entre a remoção dos PTEs e o resíduo sólido final gerado. O processo de sorção foi consideravelmente rápido, com o equilíbrio a atingir-se após 2 horas para o Hg, e após 8 horas para os restantes elementos. A eficiência de remoção de Hg (98%) mostrou-se independente da dose de sorvente e da copresença de outros PTEs (96%). O modelo de pseudo-segunda ordem foi aquele que melhor se ajustou aos dados experimentais, indicando sorção de natureza química como dominante, enquanto na difusão foram identificadas duas etapas. A capacidade máxima de sorção de Hg, prevista pela isotérmica de SIPS, é de 107016 μg g-1, o que evidencia o grande potencial deste material como base de uma nova tecnologia de tratamento de água.

In this work, 3 graphene oxide foams, functionalized with ammonia (GON), polyethyleneamine (GO-PEI) and chitosan (GO-Ch) were prepared, and their application in the removal of potentially toxic elements (PTEs) As, Cd, Cr, Hg, Ni and Pb was explored, in two different matrices, ultrapure water and tap water, and using realistic concentrations of PTEs. The chemical structure of the sorbents was characterized by FTIR, SEM, and determination of the point of zero charge. Parameters influencing sorption, as sorbent dose (10, 50 and 100 mg L-1), contact time (0-48 hours) and presence of co-ions were evaluated. Although GON had better performance in ultrapure water, GO-PEI stood out in real water, with removals of 35% for As, 96% for Pb, 96% for Hg, 99% for Cd, and 92% for Cr and 98% for Ni, using only 50 mg of material per liter of solution. This dose was selected, considering a balance between the removal of PTEs and solid waste generated. The sorption process was fast, with equilibrium reaching after 2 hours for Hg, and after 8 hours for the remaining elements. The removal efficiency for Hg (98%) was independent of the dose of sorbent and of the co-presence of other PTEs (96%). The pseudo-second order model accomplished the best fits to the experimental data, indicating sorption of chemical nature as predominant, while for diffusion two stages were identified. The maximum sorption capacity of Hg, predicted by the SIPS isotherm, is 107016 μg g-1, which highlights the great potential of this material, as the basis for a new water treatment technology.