Eliminación rápida de microcontaminantes orgánicos del agua mediante un β poroso - Grupo de ciclodextrina nativa de Zhejiang

Nature volumen 529, páginas 190–194 (2016)Cite este artículo

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La presencia mundial de microcontaminantes orgánicos, como pesticidas y productos farmacéuticos, en los recursos hídricos, ha generado preocupación sobre posibles efectos negativos en los ecosistemas acuáticos y la salud humana1,2,3,4,5. Los carbones activados son los materiales adsorbentes más utilizados para eliminar contaminantes orgánicos del agua, pero tienen varias deficiencias, incluida una absorción lenta de contaminantes (del orden de horas)6,7 y una eliminación deficiente de muchos microcontaminantes relativamente hidrófilos8. Además, la regeneración del carbón activado gastado consume mucha energía (requiere calentamiento entre 500 y 900 grados Celsius) y no restablece completamente el rendimiento9,10. Los polímeros insolubles de β-ciclodextrina, un macrociclo de glucosa económico y producido de forma sostenible, también son interesantes para eliminar microcontaminantes del agua mediante adsorción11. Se sabe que la β-ciclodextrina encapsula contaminantes para formar complejos huésped-huésped bien definidos, pero hasta ahora los polímeros de β-ciclodextrina reticulados han tenido áreas superficiales bajas y un rendimiento de eliminación deficiente en comparación con los carbones activados convencionales11,12,13. Aquí reticulamos β-ciclodextrina con grupos aromáticos rígidos, proporcionando un polímero mesoporoso de β-ciclodextrina de alta superficie. Secuestra rápidamente una variedad de microcontaminantes orgánicos con constantes de velocidad de adsorción de 15 a 200 veces mayores que las de los carbones activados y los materiales adsorbentes de β-ciclodextrina no porosos7,8,11,12,13. Además, el polímero se puede regenerar varias veces mediante un procedimiento de lavado suave sin pérdida de rendimiento. Finalmente, el polímero superó a un carbón activado líder en la eliminación rápida de una mezcla compleja de microcontaminantes orgánicos en concentraciones ambientalmente relevantes. Estos hallazgos demuestran la promesa de los polímeros porosos a base de ciclodextrina para un tratamiento de agua rápido y fluido.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) a través del Centro de Polímeros Sostenibles (CHE-1413862). Esta investigación utilizó las instalaciones para usuarios del Centro de Investigación de Materiales de Cornell, que cuentan con el apoyo de la NSF (DMR-1120296). Agradecemos a I. Keresztes por su ayuda con la espectroscopia de RMN y a M. Matsumoto por el diseño del esquema del polímero en la Fig. 1a.

Departamento de Química y Biología Química, Universidad de Cornell, Laboratorio Baker, Ithaca, 14853, Nueva York, EE. UU.

Alaaeddin Alsbaiee, Brian J. Smith, Leilei Xiao y William R. Dichtel

Escuela de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de Cornell, Ithaca, 14853, Nueva York, EE. UU.

Yuhan Ling y Damian E. Helbling

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Correspondencia a Damian E. Helbling o William R. Dichtel.

La Universidad de Cornell ha presentado una solicitud de patente provisional relacionada con los nuevos polímeros de ciclodextrina descritos en este manuscrito.

Estos son los materiales utilizados en la Fig. 2. Se muestran la isoterma de sorción de N2 (77 K, columna izquierda) y la distribución de tamaño de poro acumulativo (columna derecha) de Brita AC (a), GAC (b) y NAC (c). Las distribuciones acumuladas del tamaño de poro de cada adsorbente son similares a las del P-CDP (Fig. 1c).

Los espectros están etiquetados por estructura química o nombre del compuesto (el trazo superior es 1, el segundo trazo hacia abajo es β-CD). Los espectros FT-IR que se muestran en esta figura de P-CDP y NP-CDP reflejan la incorporación de β-CD y 1.

Los espectros de P-CDP y NP-CDP exhiben resonancias asociadas con β-CD en δ = 72 y 100 ppm (etiquetadas con a y b, respectivamente). Las resonancias en δ = 95 y 140 ppm (etiquetadas con e y c) corresponden a los grupos alcoxi recién formados y a los carbonos aromáticos, respectivamente. El espectro de 1 se amplía debido al acoplamiento 19F-13C.

Espectros UV-vis registrados en diferentes tiempos de contacto (trazas coloreadas; columna izquierda) y gráficos de pseudosegundo orden (columna derecha) para P-CDP (a), NP-CDP (b), EPI-CDP (c), Brita AC (d), GAC (e) y NAC (f). t (en min) es el tiempo de contacto de la solución de bisfenol A con el adsorbente, y Qt (en mg g-1) es la cantidad de bisfenol A adsorbida por gramo de adsorbente.

La absorción de equilibrio de bisfenol A, qe (en mg g-1), por P-CDP en función de la concentración residual de bisfenol A (C, en mol l-1) se ajusta al modelo de Langmuir, que es consistente con la formación de 1 :1 complejos de inclusión con una constante de asociación (K) de 56.500 L mol-1 y una capacidad máxima de adsorción en equilibrio de 88 mg g-1 (qmax,e).

Espectros UV-vis registrados en función de los tiempos de contacto con P-CDP (1 mg ml-1). a, BPS (0,1 mM); b, metolaclor (0,1 mM); c, etinilestradiol (0,04 mM); d, clorhidrato de propranolol (0,09 mM); e, 2-NO (0,1 mM); f, 1-NA (0,1 mM); y g, 2,4-DCP (0,1 mM).

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Alsbaiee, A., Smith, B., Xiao, L. et al. Eliminación rápida de microcontaminantes orgánicos del agua mediante un polímero poroso de β-ciclodextrina. Naturaleza 529, 190-194 (2016). https://doi.org/10.1038/nature16185

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Recibido: 04 de julio de 2015

Aceptado: 26 de octubre de 2015

Publicado: 21 de diciembre de 2015

Fecha de emisión: 14 de enero de 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/nature16185

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