Environmental applications of engineered nanomaterials: synthesis and characterization

Abstract

Aquesta tesi es basa en el desenvolupament (síntesi) de diferents nanomaterials per a la seva aplicació com a materials adsorbents per a l'eliminació de contaminants en aigua (anions inorgànics, metalls pesats i pesticides) i per l'adsorció de gas metà. El desenvolupament dels diferents materials s'ha basat en una extensa recerca bibliogràfica de l'estat de l'art dels materials utilitzats actualment per a aquesta aplicació, i s'ha tractat de millorar l'eficiència del procés mitjançant l'ús de nanomaterials. Amb aquest objectiu s’han sintetitzat materials magnètics per diferents mètodes. En alguns casos, aquests han estat funcionalitzats amb grups orgànics per adaptar i/o millorar la seva funció d'adsorció o estabilitzar-los en suports (polímers, zeolites, esponges, etc.) per millorar la seva aplicació a una escala real en un futur. A més, es va desenvolupar un nou mètode per a la formació de nanopartícules core-shell amb un nucli de magnetita. Tots els nanomaterials sintetitzats s'han caracteritzat en profunditat, utilitzant les tècniques més avançades per a la caracterització dels nanomaterials. Tècniques com ara la microscòpia electrònica, difracció de raigs X, entre d'altres, permeten conèixer les característiques i propietats dels materials (mida, dispersió, estructura cristal·lina, etc.) i per tant concloure la seva contribució a l'eficàcia de cada un dels materials adsorbents. Pel que fa als contaminants en aigua, el treball se centra en el fluorur, el fosfat, el nitrat, els metalls cadmi i níquel i pesticides, destacant l'obtenció de resultats excepcionals per a les nanopartícules de Ce-Ti@Fe3O4. En el cas de tractament de gas, per una banda s'ha desenvolupat un nou nanomaterial basat en nanopartícules magnètiques estabilitzades en esponges de poliuretà que ha presentat resultats interessants per a l'adsorció de metà. A més, s'ha col·laborat amb la Institut Català de Nanotecnologia per a l'aplicabilitat dels Metal Organic Frameworks en l'oxidació de CO. Una altra aplicació que s'ha donat a les nanopartícules magnètiques ha estat la seva utilització en la separació de algues procedents de processos de tractament d’aigües, per tal de substituir el procés actual de decantació. Amb tot això, la tesi ofereix una gamma de nanomaterials per a diferents usos en enginyeria ambiental, amb la possibilitat d'investigar i desenvolupar en la seva aplicabilitat a gran escala. Amb aquesta finalitat, es proporcionen diferents solucions per a la millora del medi ambient.

This thesis is based on the development (synthesis) of different nanomaterials for their application as adsorbent materials for the removal of pollutants from water (inorganic anions, heavy metals and pesticides) and for the adsorption of methane gas. The development of the different materials has been based on an extensive bibliographical search of the state of the art of the materials currently used for this application, and it has been tried to improve the efficiency of the process by using nanomaterials. Thus, magnetic (magnetite) nanoparticles are synthesized by different methods. These are functionalized with organic groups to adapt and/or improve their adsorption function or stabilize in supports (polymers, zeolites, sponges, etc.) to improve their application on a real scale. In addition, a new method for the formation of core-shell nanoparticles with a magnetite core is developed. All the synthesized nanomaterials have been characterized in depth, using the most advanced techniques for the characterization of nanomaterials. Techniques such as electron microscopy, X-ray diffraction, among others, allow to know the characteristics and properties of the materials (size, dispersion, crystallinity, structure, etc.) and thus conclude their contribution to the efficiency of their application with adsorbent material. As for the contaminants in water, the work focuses on fluoride, phosphates, nitrates, cadmium, nickel and pesticides, obtaining outstanding results for the nanoparticles of Ce-Ti @Fe3O4. In the case of gas treatment, on the one hand has developed a new nanomaterial based on magnetic nanoparticles stabilized in polyurethane sponges which present interesting results for the adsorption of methane and great applicability on a real scale. In addition, we have collaborated with the Institut Català de Nanotecnologia for the applicability of Metal Organic Frameworks in the oxidation of CO. Another application that has been given to magnetic nanoparticles has been its use to separate algae from wastewater treatment processes, in order to substitute the current sedimentation processes. With all this, the thesis offers a range of nanomaterials for different uses in environmental engineering, with the possibility of investigating and developing on its applicability on a large scale. To this end, different solutions are provided for the improvement of the environment.