Magnetyczne kompozytowe materiały węglowe dedykowane do usuwania związków organicznych i jonów metali ciężkich

Przedmiotem pracy jest projektowanie, synteza i systematyczna charakteryzacja magnetycznych adsorbentów kompozytowych. Kompozyty składały się z wypełniacza, którym były magnetyczne nanokapsułki węglowe, oraz węglowych i polimerowych matryc. W przypadku adsorbentów dedykowanych do usuwania związków organicznych zastosowano porowate matryce węglowe otrzymane z różnych prekursorów: glukozy, sacharozy, odpadowego poli(tereftalanu etylenu) oraz kserożelu rezorcynowo-furfuralowego. Matrycami kompozytów dedykowanych do adsorpcji jonów metali były organiczny kserożel rezorcynowo-2-tiofenokarboaldehydowy oraz usieciowany kopolimer styrenu i diwinylobenzenu. Powierzchnie matryc organicznych zostały dodatkowo sfunkcjonalizowane jonowymiennymi grupami sulfonowymi, które poprawiały potencjał adsorpcyjny kompozytów. Otrzymane materiały zostały systematycznie scharakteryzowane przy użyciu mikroskopii elektronowej, niskotemperaturowej adsorpcji par azotu, dyfrakcji proszkowej, magnetometrii, termograwimetrii, spektroskopii Ramana i IR. Właściwości adsorpcyjne magnetycznych adsorbentów kompozytowych zostały ilościowo określone w procesie usuwania modelowych adsorptywów z roztworów wodnych: fenolu, 2-chlorofenolu, 4-chlorofenolu oraz jonów Cu(II) i Fe(III). Wykazano, że potencjał adsorpcyjny otrzymanych materiałów najsilniej zależał od rodzaju zastosowanej matrycy oraz od zawartości wypełniacza magnetycznego. Uzyskane pojemności adsorpcyjne były porównywalne lub wyższe od magnetycznych adsorbentów kompozytowych opisywanych w literaturze. Dodatkowo, zaprojektowane i otrzymane materiały kompozytowe charakteryzowały się bardzo wysoką odpornością korozyjną.

The aim of this work is the development, synthesis and systematic characterization of magnetic composite adsorbents. The composites consisted of carbon encapsulated magnetic nanoparticles (magnetic filler) and carbon or polymeric matrices. Porous carbon matrices were synthesized in the case of adsorbents dedicated to the removal of organic solutes. These matrices were synthesized from various carbon precursors used: sucrose, glucose, waste poly(ethylene terephthalate) and resorcinol-furfural xerogel. In the case of the adsorptive removal of metal ions the matrices consisted of resorcinol-2-tiophenecarboxaldehyde xerogel or cross-linked co-polymer of styrene and divinylbenzene. Additionally, the organic matrices were functionalized with sulfonic groups which enhanced the adsorption performance of the composites. The materials obtained were systematically characterized using electron microscopy, nitrogen low-temperature adsorption, powder X-ray diffraction, magnetometry, thermogravimetry, Raman and IR spectroscopy. The adsorption performance of the magnetic composite adsorbents were quantitatively examined in the removal of several model solutes: phenol, 2-chlorophenol, 4-chlorophenol and Fe(III) and Cu(II) ions. It was proved that the adsorption performance of the synthesized composite materials strongly depend on the type of matrix applied and the content of magnetic filler. The determined adsorption capacities were comparable and even higher in comparison to the magnetic composite adsorbents know from the literature. Furthermore, the developed and synthesized composites revealed high corrosion resistance.