ハイブリッドコラーゲン

Aug 28, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13365 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

合成染料や石油流出による水質汚染は、環境や生物種に重大な影響を与えます。 ここでは、コラーゲンやセルロース（ケナフ繊維セルロース-コラーゲン、KFCC）などの再生可能資源から、低コストで環境に優しく、容易に生分解可能な磁性ハイブリッドバイオスポンジナノ複合材料を開発しました。 これに磁性バイメタル Fe3O4@TiO2 (BFT) NP を充填して、着色廃水処理用の光触媒材料 (KFCC-BFT) および油水分離用の吸着剤を製造しました。 XRD、HRTEM、VSMによるバイメタルBFT NPの特性評価では、Fe3O4とTiO2の格子間層間隔がそれぞれ0.24nmと0.33nmでFe3O4の表面上にTiO2粒子が堆積し、強磁性の特性を示した。 紫外可視拡散反射スペクトルの結果は、バイメタル部分の増加とともにバイオスポンジのバンドギャップエネルギーが減少することを示しました。 クリスタルバイオレット染料の分解における、調製されたままの磁性ハイブリッドバイオスポンジの光触媒効率は、可視光条件下で最大 91.2%、直射日光暴露下では 86.6% でした。 さらに、磁気ハイブリッドバイオスポンジは、モーターオイルを水から分離するために使用され（> 99%）、46.1 g/g という高い油吸着能力を備えていました。 9サイクルのリサイクル性と再利用性能を調査した結果、バイオスポンジは最大5サイクルまで高い吸着能力を有することが判明しました。 我々の結果は、バイオポリマーでサポートされたBFTハイブリッドナノ複合材料が費用対効果が高く、生分解しやすい光触媒であり、実際の現場での環境修復用途に大きな可能性を秘めていることを示唆しています。

環境汚染、主に水質汚染は現在、人間と生態系の両方の健康に深刻な危険をもたらす世界的な大きな脅威となっています。 水質汚染は、社会、公的機関、業界を含むすべての利害関係者にとって深刻な懸念事項です1。 繊維、皮革、塗料、紙、印刷、プラスチック、海洋石油やガスなどの産業の急速な発展は、水中へのさまざまな汚染物質の排出の増加につながります2。 最も一般的な汚染物質の 1 つは、有機染料、農薬、フェノール、化粧品、医薬品および石油化学廃棄物などの有機汚染物質です。これらは水生生物にとって非常に危険であり、水中の溶存酸素量の減少により生態系全体にダメージを与えます。それらの酸化分解プロセス3,4。 さまざまな有機汚染物質の中でも、可溶性染料と不溶性油は生態系に深刻なダメージを与えています。 合成染料は産業で最も使用されており、材料に永久的な色を与える 1 つ以上のアゾ結合 N=N-) を含む多環芳香族分子で構成されています。 合成染料の用途は、繊維や塗料から皮革産業に至るまで多岐にわたります5、6、7。 水中に存在する未使用の合成染料は有毒、発がん性、変異原性があり、低濃度であっても水生環境や人体に影響を与える可能性があります5,6。 吸収や酸化などの従来の廃水処理技術を使用して、水から着色汚染物質を完全に除去することは困難です8,9。

一般に、可溶性汚染物質、固体、コロイド、有機物、鉱物を含む廃液は、さまざまな物理的、化学的、および/または生物学的手法によって除去されます10。 汚染された排水から有機汚染物質を除去するには、空気浮選、沈殿、凝固、酸化、吸着、イオン交換、膜濾過などの従来の水処理技術が一般的です11,12。 各処理方法には、運用コスト、効率、機能性、信頼性、エコな印象、後処理要件、さらには汚泥や有毒副産物の生成など、独自の利点と制限があります。 激しい光触媒分解は、低コスト、非選択的分解、さらなる二次汚染を引き起こすことなく従来の分離技術で操作できるなどの利点があるため、廃水から染料を除去するための効果的かつ先進的なアプローチであると考えられてきました13。 廃水中の有機汚染物質を除去するために開発されたさまざまな半導体光触媒の中でも、TiO2 ナノ粒子 (NP) は、無毒性、低コストおよび入手可能性、優れた化学的および熱的安定性、高い触媒活性、および優れた担体特性により広く使用されています 14,15 、16． しかし、TiO2 NP には、凝集、光生成電子正孔対の高い再結合率、粒径が小さいため回収が難しいなど、廃水処理用の光触媒としての実際の分野での使用を制限するいくつかの欠点があります 17、18、19。 さらに、固有の大きなバンドギャップ エネルギー (3.23 eV) により、太陽照射用途での TiO2 NP の使用が制限されます 20。 バイメタル Fe3O4@TiO2 (BFT) NP は、TiO221 の分離または回収の問題を克服するために広く研究されてきました。 磁性 Fe3O4 NP ベースの光触媒は、反応媒体から磁性粒子を回収する実際の現場で実行可能な方法と、触媒の再利用の可能性を提供します。 さらに、磁性 Fe3O4 NP は、優れた磁性、優れた適合性、高負荷にも関わらず細胞毒性が低く、(Fe3+、Fe2+) 間の光誘起電子の移動を加速して TiO222,23 の光触媒活性を高めることができます。