PAN-basierte Aktivkohlefasern zur effizienten Adsorption von Nitrationen-Verunreinigungen

Nitrat-Ionen, die durch menschliche Aktivitäten in Gewässer freigesetzt werden, können negative Auswirkungen auf aquatische und terrestrische Ökosysteme haben. Herkömmliche Adsorptionsmaterialien, die zur Behandlung von Wasserverschmutzung verwendet werden, sind nicht in der Lage, Nitrat zu entfernen. Um dieses Problem anzugehen, stellten Forscher der Chiba University, Japan, neue Kohlenstofffasern auf Polyacrylnitrilbasis her, die, wenn sie mit Natriumcarbonat aktiviert und wärmebehandelt werden, hervorragende Nitratadsorptionseigenschaften aufweisen können.

Nitrationen sind ein häufiger Schadstoff, der von kommunalen Abfallbehandlungssystemen, landwirtschaftlichen Abwässern und Viehabfällen produziert wird. Obwohl Nitrate ein wesentlicher Bestandteil von Düngemitteln und für den Anbau von Nahrungsmitteln notwendig sind, können sie schädlich sein, wenn sie ohne angemessene Behandlung in unserem Ökosystem zirkulieren. Es kann zum Beispiel zu Algenblüten in Gewässern führen, die den Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Wasser verringern und Wasserorganismen gefährden. Nitrationen wurden auch mit Bluterkrankungen bei Säuglingen und Verdauungskrebs bei Erwachsenen in Verbindung gebracht. Daher ist eine einfache und kostengünstige Methode zur Entfernung von Nitrationen aus unserem Ökosystem von entscheidender Bedeutung.

Im Laufe der Jahre haben Forscher mehrere Materialien ausprobiert und getestet, die Nitrationen durch Adsorption entfernen können. Ein beliebter Ansatz ist die Verwendung von Adsorptionsmaterialien, wie z. B. Aktivkohlefasern (ACF). Die poröse Struktur von ACFs ermöglicht die Einführung einer breiten Palette funktioneller Gruppen, die je nach Adsorptionsanforderungen ausgewählt werden können. Sie lassen sich auch leicht wiederherstellen und wiederverwenden. Unglücklicherweise gibt es bestimmte Mängel von ACF, die seine Anwendungen behindern.

Prof. Motoi Machida von der Chiba University, Japan, der die Forschung zur Entfernung von Nitrationen leitet, beleuchtet die Probleme, mit denen man konfrontiert ist. „Kohlenstoffhaltige Materialien wie Aktivkohle sind normalerweise mit negativ geladenen funktionellen Gruppen wie Carboxy, Carbonyl oder Phenol funktionalisiert, die eine hervorragende Adsorptionsleistung für positiv geladene Ionen und organische Schadstoffe aufweisen, aber gegen anorganische negativ geladene Ionen unwirksam sind“, erklärt er. „Deshalb wollten wir ein haltbares ACF-basiertes Material entwickeln, das Nitrationen effizient adsorbieren und die Adsorptionskapazität für mehrere Verwendungszwecke beibehalten kann.“

In einem kürzlichen Durchbruch, der am 10. Oktober 2022 online verfügbar gemacht und in veröffentlicht wurde SN Angewandte Wissenschaften Am 22. Oktober 2022 entwarf Prof. Machida zusammen mit Frau Natsuho Sato und Associate Prof. Yoshimasa Amano von der Chiba University ein mit Natriumcarbonat aktiviertes, auf Polyacrylnitril (PAN) basierendes ACF mit hohem Stickstoffgehalt zur Entfernung von Nitrationen. Um die Adsorptionseigenschaft der PAN-ACF zu erhöhen, aktivierte das Team sie mit Natriumcarbonat bei 800 °C. Sie behandelten die Fasern weiter bei 950 °C, was den Stickstoffgehalt verringerte, aber die Menge an quaternärem Stickstoff (NQ), einer positiv geladenen funktionellen Gruppe, die zur Nitratadsorption fähig ist, erhöhte.

Nach dem Vorbereitungsprozess führte das Team Tests durch, um die Nitrationen-Adsorptionsdynamik des Materials zu analysieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wärmebehandlung die Nitratadsorptionskapazität durch die Eliminierung von Nitrat-abweisenden funktionellen Gruppen wie –COOH und –COO– erhöhte. Das PAN-ACF-Material zeigte hervorragende Adsorptionseigenschaften mit einer Adsorptionskapazität von 0,5 mmol/g Nitrationen aus Wasser.

Das Team führte auch langfristige Abbaustudien unter verschiedenen Lagerbedingungen durch, um herauszufinden, wie das Material für optimale Wiederverwendungsergebnisse am besten gelagert werden kann. Sie fanden heraus, dass die Aufbewahrung der ACFs in Salzsäurelösung oder unter Vakuum sie stabil hielt. Die Adsorptionskapazitäts- und Abbaustudien zeigten, dass das Material eine konsistente Adsorptionsrate bei einem pH-Wert von 4–5 zeigte, ein ermutigender Befund, da 4–5 der pH-Bereich von Grundwasser ist.

„Unser neues robustes Material kann Behandlungen mit kochendem Wasser und stark sauren und basischen Lösungen standhalten und lässt sich dabei immer noch leicht mit minimalem Verlust an Adsorptionskapazität regenerieren“, fügt Prof. Machida hinzu.

Insgesamt kann das in der Studie vorgestellte neue PAN-ACF nicht nur Umweltwasser behandeln, indem es schädliche Nitrationen entfernt, sondern auch dazu beitragen, die Abhängigkeit von herkömmlichen kunststoffbasierten Ionenaustauscherharzen zu verringern, indem es sie durch umweltfreundlichere Ionen auf Aktivkohlebasis ersetzt Entferner.