Graphene-based macrostructures for the treatment of contaminated water: optimization for a more efficient water reuse

Abstract

Currently, water contamination is an environmental problem that has high impact in several places of the world. Water is a finite resource, and its contamination comes from both natural sources and human activity. In aquatic organisms, the toxic action of trace metals can cause the death of species and/or harmful biochemical effects. Traditional methods used in water treatment have low efficiency in the removal of these metals, generate toxic residues and are expensive methods. It is therefore necessary to develop new technologies, which with reduced costs and regenerative capacity, have high capacity to remove the toxic metals and do not generate hazardous substances. The objective of this work is to evaluate the removal of mercury through its sorption by three-dimensional graphene structures. The three-dimensional graphene structures used in this work consisted of graphene oxide aerogels functionalized with polyethylene (GOPEI) or chitosan (GOCH). These structures were evaluated in relation with their efficiency in the removal of mercury. All these materials presented excellent performance in the removal of mercury in ultra-pure water. In real waters, the GOPEI aerogel was the one that presented the most promising results in the removal of mercury, and the selectivity of the latter for mercury was demonstrated in mineral water intended for human consumption and in natural and synthetic seawater contaminated with mercury.

Atualmente a contaminação da água é um problema ambiental de impacto crescente em diversos locais do mundo. A água é um recurso finito e a sua contaminação provém tanto de fontes naturais, como da atividade humana. Nos organismos aquáticos, a ação tóxica de contaminantes tais como os metais vestigiais, pode causar a morte das espécies e/ou efeitos bioquímicos nefastos. Os métodos mais tradicionais utilizados no tratamento da água apresentam baixa eficiência na remoção dos metais potencialmente tóxicos, podendo gerar resíduos tóxicos e são métodos dispendiosos. Torna-se assim necessário desenvolver novas tecnologias com custos mais reduzidos, com capacidade regenerativa, com maior eficiência e que não gerem substâncias perigosas. O objetivo deste trabalho é avaliar a remoção de mercúrio da água através da sua sorção em estruturas tridimensionais de grafeno. As estruturas tridimensionais de grafeno utilizadas neste trabalho consistiram em aerogéis de óxido de grafeno funcionalizadas com polietilenoimina (GOPEI) ou quitosano (GOCH). Estas estruturas foram usadas de forma a avaliar a sua eficiência na sorção de mercúrio. Todos estes materiais apresentaram uma excelente performance na remoção de mercúrio em água ultrapura. Em águas reais, o aerogel GOPEI foi o que se apresentou como o mais promissor na remoção deste elemento, tendo sido demonstrada a seletividade deste último para o mercúrio em água mineral usada para consumo humano e na água do mar natural e sintética, contaminadas com mercúrio.