Síntese verde de grafeno a partir de resíduos de garrafas PET recicladas para uso na indústria adsorção de corantes em solução aquosa

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Síntese verde de grafeno a partir de resíduos de garrafas PET recicladas para uso na indústria 
adsorção de corantes em solução aquosa 
O polietilenotereftalato (PET) é um componente importante dos resíduos plásticos pós-
consumo. Este estudo focaliza sobre o potencial da utilização de "resido trata residuo" por 
síntese de grafeno usando resíduos de garrafas PET como fonte material. O grafeno sintetizado 
é caracterizado por SEM, TEM, BET, Raman, TGA e FT-IR. A adsorção de azul de metileno (MB) 
e azul ácido 25 (AB25) por grafeno é estudado e parâmetros como tempo de contato, dosagem 
de adsorvente foi otimizada. A Metodologia de superfície de resposta (RSM) é aplicada para 
investigar o efeito de três variáveis (concentração de corante, tempo e temperatura) e sua 
interação na eficiência da remoção. A cinética de adsorção e isotérmica são seguidas por um 
modelo de pseudo-segunda ordem e Langmuir e Freundlich modelos isotérmicos, 
respectivamente. Os parâmetros termodinâmicos demonstraram que a adsorção do corante é 
espontânea e de natureza endotérmica. O lixo plástico pode ser usado após a transformação 
em nanomateriais valiosos à base de carbono para uso na adsorção de contaminantes 
orgânicos a partir de solução aquosa. 
 
Introdução 
Nas últimas décadas, os polímeros confeccionados se tornaram uma parte sofisticada de nossa 
comunidade. O tereftalato de polietileno (PET) é um dos os resíduos industriais e municipais 
mais comuns e abundantes. Está relacionado ao poliéster termoplástico que enorme consumiu 
acentuadamente nos últimos anos em frascos farmacêuticos, de alimentos e refrigerantes e 
indústrias de contêineres devido às suas excelentes propriedades como; Alto estabilidade 
térmica, transparência, baixo custo, fácil manuseio, flexibilidade inércia em relação aos 
alimentos, permeabilidade insignificante ao CO2 e resistência à maleabilidade aos ácidos 
minerais fracos e fortes, oxidando agentes, luz solar e microorganismos (Association of Plastic 
Fabricantes na Europa, 2001; Parra et al., 2004). Embora a taxa de expansão mais rápida 
significativa no resíduo plástico produção, levou a uma grave questão ambiental. PET é 
considerado é um dos resíduos municipais e industriais mais abundantes que podem retornar 
à valiosa aplicação do PET como resíduo é limitado porque propriedades mecânicas 
inadequadas, estabilidade térmica e baixo nível de condutividade elétrica (Dutt e Soni, 2013; 
Mallakpour e Behranvand, 2016) 
 
Portanto, o descarte desses resíduos representa um grande desafio para todo o mundo, 
especialmente nos países em desenvolvimento para gestão de resíduos e meio ambiente. A 
abordagem mais popular para eliminar os resíduos de PET é através da incineração com 
recuperação de energia, reciclagem química ou reciclagem de matéria-prima para produzir 
produtos gasosos e líquidos e materiais enriquecidos com carbono (Mishra et al., 2003). Por 
vários anos, a incineração em aterros sanitários tem sido uma prática comum no processo de 
manuseio de resíduos de PET. No entanto, isso O método também pode afetar negativamente 
o meio ambiente ao realizar com consumo de ar e liberação de calor e compostos voláteis 
(Saha e Ghoshal, 2005). Outra alternativa seria o uso do garrafas PET de reposição como um 
excelente candidato para ser usado precursor na síntese de materiais à base de carbono como, 
por exemplo, microesferas de carbono, nanotubos de carbono (Bazargan e McKay, 2012) ou 
carvão ativado (Mendoza-Carrasco et al., 2016) devido a sua alto teor de carbono e 
quantidades insignificantes de impurezas minerais sua constituição química. (Nakagawa et al., 
2004). 
 
Para promover um material de carbono mais competitivo, é vital considere o desenvolvimento 
de materiais à base de carbono a partir de recursos renováveis como polímeros de resíduos e 
resíduos agrícolas (El Essawy et al., 2016; Deng et al., 2016). A principal motivação da utilização 
dessas fontes é fornecer alternativas “verdes e sustentáveis” com matérias-primas de baixo 
custo materiais para produção em larga escala de estruturas à base de carbono limpo. Uma 
variedade de corantes é amplamente utilizada em muitos setores, como tingimento, 
impressão, papel e celulose, têxteis, plásticos, couro, cosméticos, e indústrias de alimentos. 
Muitos dos corantes e seus produtos são prejudiciais e apresentam graves problemas 
ambientais. Corantes geralmente têm complexos estruturas moleculares aromáticas que os 
tornam mais estáveis, resistentes desbotamento, difícil de biodegradação e inibir a penetração 
da luz solar no riacho que está afetando o ecossistema aquático. Além disso, eles são tóxicos 
para alguns microorganismos e podem causar a destruição de suas capacidades catalíticas 
(Forgacs et al., 2004). Assim, tratar o efluentes dessas indústrias antes de serem liberados na 
água sistema é uma obrigação. Várias técnicas têm sido usadas para tratar a água poluída por 
corantes, incluindo precipitação química, troca iônica (Sheng et al., 2016a, b, c; Elkady et al., 
2014, 2016), filtração por membrana (Ciardelli et al., 2001), adsorção (Sheng et al., 2016a, b, c; 
Abd Elhafez et al., 2017), TiO2- degradação foto-catalítica (Hamad et al., 2015a, 2015b, 2016; 
Fathy et al., 2016), extração em fase sólida (Wu et al., 2015a), microbiológica decomposição e 
tecnologias eletroquímicas (Bassyouni et al., 2017). No entanto, muitos corantes sintéticos são 
quimicamente estáveis e resistentes à fotodegradação e biodegradação (Forgacs et al., 2004; 
Rafatullah et al., 2010). A maioria dos métodos de remoção de corante tem algumas 
limitações, como altos custos de investimento e operação 
 
A adsorção é considerada uma técnica alternativa para remover corantes de águas residuais 
(Yu et al., 2014; Idris et al., 2011; Sivukumar e Palanisamy, 2009). De fato, uma ligação química 
ou física mantém a átomos, moléculas ou íons nas superfícies de sólidos. Vários adsorventes 
foram utilizados para a remoção de corantes da água poluída; como carvão ativado (Nasuha e 
Hameed, 2011), nanotubos de carbono (Yu et al., 2014; Wu et al., 2015b), grafeno (Kui et al., 
2012; Yu et al., 2015, 2016a), nanofolha de óxido de grafeno (Yu et al., 2016b), óxido de 
grafeno reduzido e seu composto magnético (Jin et al., 2015); ferro nano zerovalente (Hu et 
al., 2016) e imobilizado em nanotubos de carbono (Sheng et al., 2016a, b, c). Portanto, o 
desenvolvimento de novas adsorvente eficaz, de baixo custo e ecológico, com alta eficiência 
para a remoção de corante do sistema de água está atraindo maior atenção dos pesquisadores 
em todo o mundo. 
 
Portanto, o objetivo do presente trabalho é preparar grafeno de resíduos de garrafas PET por 
um método simples, reproduzível e acessível que envolve a decomposição térmica de resíduos 
de PET em local fechado sistema sob pressão autogênica. O comportamento de adsorção do 
grafeno preparado é avaliado quanto à remoção de corantes catiônicos e aniônicos. Azul de 
metileno (MB) é selecionado como modelo para corante básico (corante catiônico) e Acid Blue 
25 (AB25) como modelo para corante ácido (corante aniônico). o efeitos de fatores 
importantes, incluindo concentração inicial de corante, tempo, temperatura e pH da solução 
são examinados como variáveis de entrada no corante eficiência de remoção através da 
Metodologia de superfície de resposta (RSM) como uma técnica estatística poderosa que 
demonstrou um interesse crescente entre diferentes pesquisadores em todo o mundo 
(Rahimdokht et al., 2016). No Além disso, os estudos de cinética, equilíbrio e termodinâmica 
dos processo de adsorção foi discutido. Resíduos-guloseimas - resíduos são um área exigente, 
pois possui benefícios duplos, como tratamento de água e gestão de resíduos 
 
Materiais e procedimento experimental 
2.1 Materiais de partida e reagentes Resíduos de garrafas de água mineral (empresa de água 
engarrafada Baraka-Nestle no Egito) como fontede PET foram utilizados no presente estudo. 
Todos reagentes utilizados estavam disponíveis comercialmente e utilizados sem mais 
purificação. O azul ácido 25 (AB25) e o azul de metileno (MB) foram obtidos na Sigma-Aldrich 
(EUA). Propriedades e estrutura de MB e Os corantes AB25 foram mostrados na Tabela S1. 
Todas as soluções foram preparadas com água ultra-pura em condições ambientais. 
2.2 Síntese de grafeno a partir de resíduos de garrafas PET Primeiro, as garrafas de PET foram 
trituradas e peneiradas para obter as frações de tamanho desejadas (1 a 3 mm) usando um 
peneirador convencional. Então 2 g de resíduos de PET brutos foram introduzidos em um 
reator de autoclave de aço (SS316). O reator fechado de aço inoxidável foi colocado dentro do 
centro de um forno elétrico e aquecido a 800 ° C com uma taxa de 8 ° C min − 1 e mantida a 
essa temperatura por 1 h. Depois de que o sistema foi deixado para esfriar durante a noite. Os 
produtos escuros resultantes foram coletados e esmagados. Como ilustrado na Fig. 1, o frasco 
os resíduos foram utilizados como precursor da síntese de grafeno. 
 
2.3 Caracterização do grafeno preparado A amostra preparada foi caracterizada utilizando 
diferentes características físicas e técnicas químicas. O microscópio eletrônico de varredura 
(MEV) é usado para investigar a topografia da superfície da amostra preparada com JEOL, 
modelo: JSM 6360 LA, Japão. Antes da investigação, a amostra foi revestido a ouro usando 
revestimento de pulverização (modelo: S150B, Edwards High Vacuum Ltd., Inglaterra), a fim de 
evitar o acúmulo de eletricidade local cobranças. Microscópio eletrônico de transmissão (TEM) 
(TECNAI G20, Super twin, A inclinação dupla, FEI, Holanda com EDAX) foi empregada para 
obter imagens para o estudo da nanoestrutura e análise elementar (qualitativa e análise semi-
quantitativa) da amostra preparada. Para preparar amostra para análise TEM, 
aproximadamente 1 mg do preto seco o pó foi disperso em 15 mL de etanol usando um 
ultrasonicator e 10 μl dessa dispersão foram colocados em uma grade de cobre revestida. O 
seco A grade foi então examinada ao microscópio eletrônico (HR-TEM, alta microscópio 
eletrônico de transmissão de resolução operando a 200 kV). Dois modos diferentes de imagem 
foram empregados; o campo brilhante em tensão de aceleração de elétrons 200 kV usando 
hexaborida de lantânio (LaB6) canhão de fonte de elétrons e imagens de padrão de difração. 
Eagle CCD câmera com resolução de imagem (4k * 4k) foi usada para adquirir e coletar 
imagens de elétrons transmitidas. Software de imagem e análise TEM (TIA) foi usado para 
aquisição de espectro e análise de picos de EDAX. Informações cristalográficas sobre a 
microestrutura da amostra foi obtido dos dados de difração de raios X em pó (DRX) coletados 
com um (Schimadzu-7000, EUA) com feixe de radiação CuKα (λ = 0,154060 nm). A amostra em 
pó fino foi embalada em uma suporte de amostras de alumínio, onde o raio X é gerado a 30 kV 
e 30 mA com um alvo de cobre. As varreduras são realizadas a 4 ° min − 1 por 2θ valores entre 
10 e 80̊ . As características térmicas do PET e do grafeno produzido foram medidas por TGA-
50H, Shimadzu (Japão) com taxa de aquecimento de 10 ° C / min (30 mL / min) até 800 ° C sob 
atmosfera atmosférica. A espectroscopia Raman foi realizada na amostra seca em temperatura 
ambiente temperatura usando o espectrômetro Senterra Raman, Bruker- Alemanha com um 
comprimento de onda de excitação de 514,5 nm e potência de 10 mW a determinar a 
extensão da desordem grafítica no material preparado. Cada medição foi realizada por 60 se 
repetida quatro vezes no intervalo de números de onda de 40 a 3500 cm − 1 . A análise por 
infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) foi aplicada para determinar grupos 
funcionais da superfície, usando um espectrômetro Bruker ALFA FTIR (Bruker Corporation, 
Ettlingen, Alemanha), onde os espectros foram registrados de 400 a 4000 cm-1 . Finalmente, a 
área superficial Brunauer-Emmett-Teller (BET) e o volume de poros foi determinado pelos 
métodos de adsorção BET e Barret-JoynerHalenda (BJH). 
 
2.4 Ensaios de adsorção 
As soluções de estoque de MB e AB25 de 500 mg L-1 foram preparadas por dissolvendo 0,5 g 
de corante em 1 L de água ultrapura. Os efeitos do contato tempo, concentração inicial do 
corante, dose de adsorvente, pH da solução e temperatura do processo de adsorção do 
corante utilizando o material preparado. investigado. A temperatura desejada foi controlada 
usando um agitador de banho de água com temperatura controlada. Todas as medições de pH 
foram realizadas usando um medidor de pH e o pH da solução foram ajustados usando HCl 0,1 
M e NaOH 0,1 M. Em um determinado momento, o sobrenadante foi retirado e filtrado, e a 
concentração final do corante foi determinada usando o espectrômetro UV-Vis no 
comprimento de onda de 650 e 600 nm para os corantes MB e AB25, respectivamente. A 
fórmula a seguir foi usada para determinar o corante adsorvido quantidades por g de grafeno 
preparado (q) em equilíbrio (qe) ou em horários específicos (qt):