C,N quoi

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5716 (2023) Citer cet article

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Des polluants complexes se déversent et s’accumulent dans les rivières et les océans, ce qui nécessite une stratégie couplée pour les éliminer efficacement. Une nouvelle méthode est proposée pour traiter plusieurs polluants avec des mailles en acier inoxydable recouvertes de nanofibres creuses de TiO2 co-dopées C,N, qui peuvent réaliser une séparation huile/eau efficace et une photodégradation des colorants induite par la lumière visible. Les nanofibres poly (divinylbenzène-co-vinylbenzène), P (DVB-co-VBC), sont générées par polymérisation cationique précipitée sur la structure maillée, suivie d'une quaternisation par la triéthylamine pour le dopage N. Ensuite, du TiO2 est appliqué sur les nanofibres polymères via un processus sol-gel in situ de titanate de tétrabutyle. Le maillage fonctionnel recouvert de nanofibres creuses de TiO2 co-dopées au C,N est obtenu après calcination sous atmosphère d'azote. Le maillage résultant démontre une propriété superoléophobe superhydrophile/sous-marine qui est prometteuse dans la séparation huile/eau. Plus important encore, les nanofibres creuses de TiO2 co-dopées au C,N confèrent au maillage une capacité de photodégradation élevée pour teindre sous la lumière visible. Ce travail dessine un maillage multifonctionnel abordable mais performant pour des applications potentielles dans le traitement des eaux usées.

La séparation et le traitement des eaux usées contenant des polluants complexes constituent toujours un problème insoluble dans l’industrie et les sciences de l’environnement. Le pétrole déversé, provenant des industries textiles, minières, alimentaires, pétrolières, métallurgiques et sidérurgiques et du transport maritime, a provoqué de graves catastrophes écologiques à l’échelle mondiale1,2,3,4. Des technologies de nettoyage des hydrocarbures déversés sont nécessaires de toute urgence, ce qui incite les chercheurs à développer des stratégies efficaces pour le traitement des eaux usées huileuses. La séparation physique huile/eau, basée sur les matériaux supermouillants, a été largement étudiée en raison de sa faible consommation d'énergie et de son rendement élevé5,6,7. Les filtres ou absorbants superhydrophobes/superoléophiles sont les plus utilisés pour la séparation huile/eau en retenant l'eau et en laissant passer ou en absorbant l'huile8,9,10,11,12. Cependant, ces surfaces superhydrophobes/superoléophiles sont faciles à encrasser et à bloquer une fois séparées les huiles très visqueuses, par exemple le pétrole brut, des eaux usées huileuses.

Pour résoudre ce problème, deux stratégies principales ont été proposées. Certains chercheurs ont tenté de réduire la viscosité du pétrole brut environnant avec une source de chauffage externe, par exemple un chauffage par effet Joule13,14,15, une conversion photothermique14,16,17,18, une induction électromagnétique19,20. L’autre stratégie était la fabrication de membranes superhydrophiles/superoléophobes sous-marines qui méritaient plus d’attention21. L'eau peut passer à travers la membrane superhydrophile/superoléophobe sous-marine, mais l'huile est repoussée, évitant ainsi la pollution de la membrane. Pour obtenir la surface superhydrophile/superoléophobe sous-marine, la membrane ou la structure était généralement recouverte de réseaux d'hydrogels22,23, de chaînes de polyélectrolytes24,25, de polymères zwitterioniques26,27, de polysaccharides hydrophiles28,29, etc. Comme la plupart des nanoparticules inorganiques contenant des groupes hydrophiles, elles pourraient être enduit ou in situ s'est développé sur la membrane ou le cadre pour fabriquer la surface superhydrophile/sous-marine superoléophobe. Par exemple, les membranes composites inorganiques à surface superhydrophile/superoléophobe sous-marine ont été préparées à partir de nanoparticules d'oxyde métallique (par exemple, SiO230,31, ZnO32, TiO233,34,35, NiO36, WO3@Cu(OH)237, ZnO@Cu2O38, CuWO4 @Cu2O39), nanoparticules métalliques (par exemple Ag40,41, Ni42, Cu43), Zeolite44, MXene35,45 et MOF46,47. De plus, certains composants fonctionnels inorganiques présentent une activité photocatalytique, permettant la purification des eaux usées contenant des polluants complexes.

Comme mentionné ci-dessus, les composants des eaux usées sont complexes et nécessitent un traitement en plusieurs étapes. Les polluants solubles dans l’eau ne peuvent pas être facilement éliminés avec la séparation physique. Par conséquent, les membranes multifonctionnelles contenant des nanoparticules inorganiques peuvent s’avérer utiles. Parmi elles, les membranes superoléophobes superhydrophiles/sous-marines chargées de photocatalyseur peuvent non seulement séparer le mélange huile/eau, mais également réaliser la dégradation des polluants tels que les colorants dans l'eau, ce qui a de larges perspectives d'application48,49. Cependant, en raison de la large bande interdite intrinsèque de la plupart des nanoparticules inorganiques, ils ont réalisé une dégradation photocatalytique des polluants hydrosolubles uniquement sous irradiation par la lumière UV38. Il est difficile de réaliser une photodégradation de polluants sous irradiation par la lumière visible. Alternativement, la photodégradation sous irradiation par la lumière visible a été obtenue avec des nanoparticules à faible bande interdite (par exemple, CuWO4@Cu2O39) ou en abaissant la bande interdite d'un semi-conducteur à oxyde métallique avec des supports hautement conducteurs métalliques (par exemple, l'oxyde de graphène34,50, le nitrure de carbone51,52, le MXène35). ,45,53,54 et sulfure métallique55,56,57,58). Cependant, ces stratégies nécessitent généralement que les métaux lourds souffrent d'une toxicité et d'un processus complexe. Pour obtenir un photocatalyseur de lumière visible à bas prix, les semi-conducteurs à oxyde métallique, en particulier les nanomatériaux à base de TiO2, ont été dopés avec des atomes hybrides pour une faible bande interdite59,60,61,62,63. Le TiO2 co-dopé au C,N présente une activité catalytique de la lumière visible particulièrement meilleure64,65,66. Il devrait être possible de préparer simultanément des membranes à base de TiO2 présentant une activité photocatalytique en lumière visible et des propriétés de supermouillage.