Гибридный коллаген

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13365 (2023) Цитировать эту статью

292 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Загрязнение воды синтетическими красителями и разливами нефти оказывает значительное воздействие на окружающую среду и живые виды. Здесь мы разработали недорогой, экологически чистый и легко биоразлагаемый магнитный гибридный нанокомпозит биогубки из возобновляемых ресурсов, таких как коллаген и целлюлоза (целлюлозно-коллагеновое волокно Кенафа, KFCC). Мы наполнили его магнитными биметаллическими НЧ Fe3O4@TiO2 (BFT) для получения фотокатализатора (KFCC-BFT) для очистки окрашенных сточных вод, а также сорбента для разделения нефти и воды. Характеристика биметаллических наночастиц BFT методами XRD, HRTEM и VSM показала осаждение частиц TiO2 на поверхность Fe3O4 с расстоянием между решеточными прослойками 0,24 и 0,33 нм для Fe3O4 и TiO2 соответственно с ферромагнитными свойствами. Результаты спектров диффузного отражения в УФ-видимом диапазоне показали, что энергия запрещенной зоны биогубок уменьшается с увеличением биметаллического фрагмента. Фотокаталитическая эффективность свежеприготовленной магнитной гибридной биогубки в разложении красителя кристаллофиолетового составила до 91,2% в условиях видимого света и 86,6% при воздействии прямых солнечных лучей. Кроме того, магнитная гибридная биогубка использовалась для отделения моторного масла от воды (>99%) и имела высокую маслосорбционную способность - 46,1 г/г. Исследование возможностей переработки и повторного использования в течение 9 циклов показало, что биогубка обладает высокой сорбционной способностью в течение 5 циклов. Наши результаты показывают, что гибридный нанокомпозит BFT на биополимерной основе является экономичным и легко биоразлагаемым фотокатализатором и имеет большой потенциал для реальных применений по восстановлению окружающей среды.

Загрязнение окружающей среды, преимущественно загрязнение воды, в настоящее время представляет собой серьезную глобальную угрозу, создающую серьезную опасность как для здоровья человека, так и для здоровья экосистем. Загрязнение воды является серьезной проблемой для всех заинтересованных сторон, включая общество, государственные органы и промышленность1. Быстрое развитие таких отраслей промышленности, как текстильная, кожевенная, лакокрасочная, бумажная, полиграфическая и пластмассовая, а также морская нефтегазовая промышленность приводит к увеличению сбросов различных загрязняющих веществ в воду2. Одними из наиболее распространенных загрязнителей являются органические загрязнители, такие как органические красители, агрохимикаты, фенолы, косметические, фармацевтические и нефтехимические отходы, которые очень опасны для водных организмов и наносят ущерб целым экосистемам из-за уменьшения количества растворенного кислорода в воде в процесс их окислительного разложения3,4. Среди различных органических загрязнителей серьезный ущерб экосистеме наносят растворимые красители и нерастворимые масла. Синтетические красители наиболее широко используются в промышленности и состоят из полиароматических молекул, содержащих одну или несколько азосвязей N=N–), которые придают материалам стойкий цвет. Применение синтетических красителей разнообразно: от текстильной и лакокрасочной промышленности до кожевенной промышленности5,6,7. Неиспользованные синтетические красители, присутствующие в воде, токсичны, канцерогенны и мутагены и могут повлиять на водную среду и человека даже при низких концентрациях5,6. Полностью удалить цветные загрязнители из воды с помощью традиционных методов очистки сточных вод, таких как абсорбция и окисление8,9, сложно.

Как правило, сточные воды, содержащие растворимые загрязняющие вещества, твердые вещества, коллоиды, органические вещества и минералы, удаляются с помощью различных физических, химических и/или биологических методов10. Для удаления органических загрязнений из загрязненных сточных вод популярны традиционные методы очистки воды, такие как воздушная флотация, осаждение, коагуляция, окисление, адсорбция, ионный обмен, мембранная фильтрация и т. д.11,12. Каждый метод очистки имеет свои преимущества и ограничения, такие как эксплуатационные затраты, эффективность, функциональность, надежность, экологический эффект, требования к последующей очистке, а также образование осадка и токсичных побочных продуктов. В случае интенсивного фотокаталитического разложения считается эффективным и передовым подходом к удалению красителей из сточных вод благодаря его преимуществам, таким как низкая стоимость, неселективное разложение и работа с традиционной технологией разделения без дальнейшего вторичного загрязнения13. Среди различных полупроводниковых фотокатализаторов, разработанных для удаления органических загрязнений из сточных вод, наночастицы TiO2 (НЧ) широко используются благодаря нетоксичности, низкой стоимости и доступности, превосходной химической и термической стабильности, высокой каталитической активности и превосходным свойствам носителя14,15. ,16. Однако НЧ TiO2 имеют некоторые недостатки, которые ограничивают их реальное применение в качестве фотокатализаторов для очистки сточных вод, включая агломерацию, высокую скорость рекомбинации фотогенерированных электронно-дырочных пар и трудную регенерацию из-за меньшего размера частиц17,18,19. Более того, собственная большая ширина запрещенной зоны (3,23 эВ) ограничивает использование НЧ TiO2 для солнечного облучения20. Биметаллические НЧ Fe3O4@TiO2 (BFT) были тщательно исследованы для решения проблемы отделения или восстановления TiO221. Фотокатализаторы на основе магнитных НЧ Fe3O4 представляют собой практически осуществимый в реальных условиях метод извлечения магнитных частиц из реакционной среды, а также возможность повторного использования катализатора. Кроме того, магнитные НЧ Fe3O4 обладают превосходным магнетизмом, отличной совместимостью, низкой цитотоксичностью, несмотря на высокую нагрузку, и могут ускорять перенос фотоиндуцированных электронов между (Fe3+, Fe2+) для увеличения фотокаталитической активности TiO222,23.