Des nano-éponges avec un potentiel de traitement rapide des eaux usées

Des adsorbants efficaces pour le traitement des eaux usées industrielles sont importants pour minimiser les dommages environnementaux potentiels. En particulier, les colorants organiques, en tant que groupe important de polluants industriels, sont généralement très solubles dans l’eau, non dégradables et beaucoup sont toxiques voire cancérigènes. Changxia Li et Freddy Kleitz de la Faculté de chimie de l’Université de Vienne, ainsi que leurs collègues, ont maintenant présenté une nouvelle approche pour concevoir un matériau composite innovant, composé d’un cadre organique covalent (COF) nanoporeux et ultrafin ancré sur du graphène, qui est très efficace à filtrer les polluants organiques de l’eau. L’étude a été publiée dans Angewandte Chemie.

« Il existe plusieurs façons, y compris les filtres à charbon actif, de purifier l’eau aujourd’hui, mais il y a encore place à l’amélioration de l’efficacité ou de la capacité d’adsorption des applications », explique le premier auteur et chercheur postdoctoral Changxia Li.

Le groupe de Freddy Kleitz à l’Institut de chimie inorganique – Matériaux fonctionnels développe de nouveaux matériaux nanoporeux. Les matériaux poreux ont une surface totale beaucoup plus importante qu’un matériau non poreux pour un même volume et peuvent ainsi accumuler un nombre particulièrement important de molécules sur les surfaces au cours de l’adsorption.

COF hautement poreux comme nouvelle classe de matériaux

Les cadres organiques covalents (COF) sont une classe de matériaux relativement nouvelle. Ils sont particulièrement poreux, tout en étant de faible densité et légers. Covalent signifie que leurs liaisons chimiques sont formées via des paires d’électrons entre les atomes.

Les colorants que les chercheurs ont étudiés dans leur solution modèle aqueuse avaient une taille d’environ 0,8 à 1,6 nanomètre. « Nous avons développé une nouvelle méthode pour former du COF d’une manière relativement respectueuse de l’environnement, en utilisant de l’eau. En tant que tel, nous avons pu développer de petites » éponges « , avec des tailles et des formes de pores conçues dans la gamme du nanomètre, ainsi qu’un négatif accordé. charge de surface, qui était très sélective pour tirer les molécules cibles chargées positivement, c’est-à-dire nos colorants, hors de l’eau », ont déclaré les chercheurs, « tout comme l’éponge absorbe l’eau, seulement dans notre cas ce sont les polluants. »

Une colonne vertébrale en graphène

Lors de l’utilisation de poudre COF en vrac, les pores internes du matériau ne sont souvent plus accessibles aux polluants en raison du blocage des pores sur le bord extérieur, en particulier pour les grosses molécules polluantes. Le nouveau matériau composite développé par les chercheurs offre une structure parfaitement perméable : à cette fin, les chercheurs ont cultivé du COF sur des nanofeuilles de graphène en couches minces. La combinaison du graphène – en soi déjà une couche 2D d’atomes de carbone – et de la couche de COF, qui mesure jusqu’à deux nanomètres d’épaisseur, a donné une structure 3D compacte et ouverte. La couche de COF ultra-mince pourrait exposer plus de sites d’adsorption que la poudre de COF en vrac.

D’autre part, les pores plus grands, en forme de nid d’abeilles, du réseau de graphène favorisent le transport de l’eau à travers le matériau filtrant. « Les grands pores du réseau de graphène en combinaison avec la couche ultrafine de COF avec une grande quantité de sites d’adsorption permettent donc un traitement des eaux usées particulièrement rapide et efficace », ont déclaré les chercheurs. En raison de l’apport relativement faible de graphène ainsi que de la possibilité de réutiliser le matériau composite – une fois les polluants éliminés – comme filtre, le développement est également relativement rentable, ont-ils déclaré.