Declorazione catalitica di 1,2

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11883 (2023) Citare questo articolo

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La riduzione catalizzata in fase acquosa dei contaminanti organici tramite nanoparticelle di rame zerovalente (nCu0), accoppiate con boroidruro (donatore di idrogeno), ha mostrato risultati promettenti. Finora, la ricerca su nCu0 come trattamento correttivo si è concentrata principalmente sull’efficienza di rimozione dei contaminanti e sui meccanismi di degradazione. Il nostro studio ha esaminato gli effetti del rapporto Cu0/Cun+, dell'avvelenamento superficiale (presenza di cloruro, solfuri, acido umico (HA)) e della rigenerazione dei siti Cu0 sulla declorazione catalitica dell'1,2-dicloroetano in fase acquosa (1,2- DCA) tramite nCu0-boroidruro. La microscopia elettronica a scansione ha confermato la dimensione nanometrica e la forma quasi sferica delle particelle nCu0. La diffrazione dei raggi X ha confermato la presenza di Cu0 e Cu2O e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X ha fornito anche i rapporti Cu0/Cun+. Esperimenti di reattività hanno mostrato che nCu0 non era in grado di utilizzare H2 dal boroidruro rimasto durante la sintesi di nCu0 e, quindi, ulteriore boroidruro era essenziale per la declorazione dell'1,2-DCA. Il lavaggio delle particelle nCu0 ha migliorato il loro rapporto Cu0/Cun+ (1,27) e il 92% di 1,2-DCA è stato rimosso in 7 ore con kobs = 0,345 h−1 rispetto a solo il 44% di nCu0 non lavato (0,158 h−1) con Cu0 /Cun+ rapporto di 0,59, in presenza di boroidruro. La presenza di cloruro (1000–2000 mg L−1), solfuri (0,4–4 mg L−1) e HA (10–30 mg L−1) ha soppresso la declorazione dell'1,2-DCA; che è stato migliorato con ulteriore boroidruro probabilmente attraverso la rigenerazione dei siti Cu0. Il rivestimento delle particelle ha ridotto la loro efficienza di declorazione catalitica. L'85–90% dell'1,2-DCA rimosso è stato recuperato come cloruro. Il cloroetano e l'etano erano i principali prodotti della declorazione, indicando l'idrogenolisi come la via principale. I nostri risultati implicano che i parametri di sintesi e i soluti delle acque sotterranee controllano l’attività catalitica di nCu0 alterandone le proprietà fisico-chimiche. Pertanto, questi fattori dovrebbero essere considerati per sviluppare un progetto correttivo efficiente per le applicazioni pratiche del nCu0-boroidruro.

L'1,2-dicloroetano (1,2-DCA, C2H4Cl2) è un composto organico volatile clorurato (cVOC), che ha estese applicazioni industriali tra cui la sintesi del cloruro di vinile monomero1. La sua diffusa contaminazione del sottosuolo ha rappresentato una grave minaccia per le risorse idriche e la salute umana in tutto il mondo. Solo negli Stati Uniti, la contaminazione da 1,2-DCA è stata riscontrata in 585 siti della National Priorities List. Può causare effetti nocivi sulla salute, tra cui insufficienza circolatoria e respiratoria, disturbi neurologici ed è un probabile cancerogeno per l'uomo1.

Negli ultimi due decenni, il ferro zerovalente su scala nanometrica (nZVI) e le sue formulazioni modificate sono diventati una promettente tecnologia di bonifica del sottosuolo grazie alla loro facilità di applicazione sul campo e alla capacità di degradare un'ampia gamma di contaminanti2,3,4,5. Tuttavia, queste formulazioni non sono state in grado di degradare molti cVOC tra cui 1,2-DCA6,7,8,9. In alternativa, è stato riscontrato che la riduzione catalitica in fase liquida tramite idrogeno attivato (H2) sulla superficie di un nanocatalizzatore (ad esempio rame, palladio) degrada efficacemente questi contaminanti10,11,12,13,14,15,16,17. Il meccanismo proposto per la riduzione catalitica dei cVOC implica che il catalizzatore attiva l'H2, chemisorbito sulla sua superficie, in un robusto riducente (H*) che poi riduce le molecole di cVOC adsorbite in modo dissociativo su siti adiacenti (Eq. 1–2)10,16,18 .

Il boroidruro (BH4−), in grado di generare H2 attraverso l'idrolisi (Eq. 3), è stato testato con successo in combinazione con nanometalli per degradare in modo riduttivo un'ampia gamma di contaminanti11,14,15,16,17,19,20,21,22 ,23,24,25,26. Inoltre, BH4− viene spesso aggiunto in eccesso per sintetizzare i nanometalli e il boroidruro residuo viene iniettato nel sottosuolo insieme al liquame nZVI durante il trattamento delle acque sotterranee3,27,28. Il nostro precedente studio su scala di laboratorio ha dimostrato un uso efficiente del boroidruro residuo, dalla sintesi del nano palladio (nPd0), come fonte di H2 per la declorazione efficace dell'1,2-dicloroetano (1,2-DCA) catalizzata tramite nPd011. Ciò ha eliminato la necessità di ulteriore boroidruro.