С, Н, что

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5716 (2023) Цитировать эту статью

832 Доступа

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Сложные загрязняющие вещества сбрасываются и накапливаются в реках и океанах, что требует комплексной стратегии для эффективного удаления загрязняющих веществ. Предлагается новый метод очистки множества загрязняющих веществ с помощью полых нановолокон TiO2, легированных C,N, покрытых сетками из нержавеющей стали, который может обеспечить эффективное разделение масла и воды и фотодеградацию красителей под действием видимого света. Поли(дивинилбензол-со-винилбензолхлорид), P(DVB-co-VBC), нановолокна создаются путем катионной полимеризации осаждения на сетчатом каркасе с последующей кватернизацией триэтиламином для легирования азотом. Затем TiO2 наносится на полимерные нановолокна с помощью золь-гель-процесса тетрабутилтитаната in-situ. Функциональная сетка, покрытая полыми нановолокнами TiO2, легированными C,N, получена после прокаливания в атмосфере азота. Полученная сетка демонстрирует супергидрофильные/подводные суперолеофобные свойства, которые перспективны при разделении нефти и воды. Что еще более важно, полые нановолокна TiO2, легированные совместно C,N, наделяют сетку высокой способностью к фотодеградации под воздействием красителей под видимым светом. Эта работа создает доступную, но высокопроизводительную многофункциональную сетку для потенциального применения в очистке сточных вод.

Разделение и очистка сточных вод со сложными загрязнителями всегда является трудноразрешимой проблемой в промышленности и науке об окружающей среде. Разлитая нефть, выброшенная предприятиями текстильной, горнодобывающей, пищевой, нефтяной, металлургической и сталелитейной промышленности, а также океанского судоходства, вызвала серьезные экологические катастрофы во всем мире1,2,3,4. Срочно необходимы технологии очистки разлитой нефти, что привлекает исследователей к разработке эффективных стратегий очистки нефтесодержащих сточных вод. Физическое разделение нефти и воды, основанное на сверхсмачивающих материалах, широко изучается из-за низкого энергопотребления и высокой эффективности5,6,7. Супергидрофобные/суперолеофильные фильтры или абсорбенты чаще всего используются для разделения масла и воды путем заграждения воды и пропускания или поглощения нефти8,9,10,11,12. Однако эти супергидрофобные/суперолеофильные поверхности легко загрязняются и блокируются при отделении высоковязкой нефти, например сырой нефти, от нефтесодержащих сточных вод.

Для решения этой проблемы были предложены две основные стратегии. Некоторые исследователи пытались уменьшить вязкость окружающей сырой нефти с помощью внешнего источника нагрева, например, джоулевого нагрева13,14,15, фототермической конверсии14,16,17,18, электромагнитной индукции19,20. Другой стратегией было изготовление супергидрофильных/подводных суперолеофобных мембран, которые заслуживают большего внимания21. Вода может проходить через супергидрофильную/подводную суперолеофобную мембрану, но масло отталкивается, что позволяет избежать загрязнения мембраны. Для достижения супергидрофильной/подводной суперолеофобной поверхности мембрану или каркас обычно покрывали гидрогелевыми сетками22,23, полиэлектролитными цепями24,25, цвиттер-ионными полимерами26,27, гидрофильными полисахаридами28,29 и т.д. Как и большинство неорганических наночастиц, содержащих гидрофильные группы, они могли быть покрыты или выращены in situ на мембране или каркасе для изготовления супергидрофильной/подводной суперолеофобной поверхности. Например, неорганические композитные мембраны с супергидрофильной/подводной суперолеофобной поверхностью были получены из наночастиц оксидов металлов (например, SiO230,31, ZnO32, TiO233,34,35, NiO36, WO3@Cu(OH)237, ZnO@Cu2O38, CuWO4 @Cu2O39), наночастицы металлов (например, Ag40,41, Ni42, Cu43), цеолит44, MXene35,45 и MOF46,47. Более того, некоторые неорганические функциональные компоненты проявляют фотокаталитическую активность, осуществляя очистку сточных вод от сложных загрязнителей.

Как упоминалось выше, компоненты сточных вод сложны и требуют многоступенчатой ​​очистки. Водорастворимые загрязняющие вещества невозможно легко удалить с помощью физического разделения. Поэтому могут пригодиться многофункциональные мембраны с неорганическими наночастицами. Среди них супергидрофильные/подводные суперолеофобные мембраны, наполненные фотокатализатором, могут не только разделять смесь масла и воды, но также осуществлять разложение загрязняющих веществ, таких как красители, в воде, что имеет широкие перспективы применения48,49. Однако из-за присущей большинству неорганических наночастиц широкой запрещенной зоны они реализовали фотокаталитическое разложение водорастворимых загрязнителей только под воздействием УФ-излучения38. Осуществить фотодеградацию загрязняющих веществ под воздействием видимого света сложно. Альтернативно, фотодеградация под воздействием видимого света была достигнута с помощью наночастиц с узкой запрещенной зоной (например, CuWO4@Cu2O39) или уменьшения ширины запрещенной зоны металлооксидного полупроводника с помощью высокометаллических проводящих носителей (например, оксида графена34,50, нитрида углерода51,52, MXene35). ,45,53,54 и сульфид металла55,56,57,58). Однако эти стратегии обычно требуют, чтобы тяжелые металлы страдали от токсичности и сложного процесса. Чтобы получить фотокатализатор видимого света по низкой цене, металлооксидные полупроводники, особенно наноматериалы на основе TiO2, были легированы гибридными атомами для уменьшения запрещенной зоны59,60,61,62,63. TiO2, легированный C,N, проявляет особенно лучшую каталитическую активность в видимом свете64,65,66. Должно быть возможным одновременное изготовление мембран на основе TiO2 с фотокаталитической активностью в видимом свете и сверхсмачивающими свойствами.