Zanieczyszczenie wody jest wielkim problemem środowiskowym, motywującym badaczy do opracowania metod usuwania zanieczyszczeń, takich jak arsen, z odpadówwaster1. Spośród wszystkich zgłoszonych metod, procesy adsorpcji są stosunkowo tanim podejściem do usuwania metali ciężkich2,3,4,5,6,7. Proszki tlenowo-wodorotlenku żelaza są uważane za jeden z najbardziej wydajnych adsorbentów do ekstrakcji arsenu z roztworów wodnych8,9. Mimo to materiały te mają szereg wad, w tym wczesne czasy nasycenia i toksyczne prekursory syntetyczne. Dodatkowo, istnieje poważny niekorzystny wpływ na jakość wody, gdy te adsorbenty są używane przez długi okres czasu10. Dodatkowy proces separacji, taki jak sedymentacja lub filtracja, jest następnie potrzebny do oczyszczenia zanieczyszczonej wody, co dodatkowo zwiększa koszty produkcji8,11.
Ostatnio badacze opracowali żele polimerowe, takie jak kationowe hydrożele, mikrożele i kriożele, które wykazały skuteczne właściwości adsorpcyjne. Na przykład szybkość usuwania arsenu na poziomie 96% została osiągnięta przez kationowy kriożel, chlorek poli(3-akryloamidopropylo)trimetyloamoniowy [p(APTMACl)]12. Dodatkowo, przy pH 9, około 99,7% skuteczność usuwania została osiągnięta przez ten kationowy hydrożel13. Przy pH 4 98,72 mg/g maksymalnej zdolności adsorpcji arsenu został osiągnięty przez mikrożel, oparty na tris(2-aminoetylo)aminie (TAEA) i eterze gliceroldiglicydylowym (GDE), p(TAEA-co-GDE)14. Chociaż żele te wykazywały dobre właściwości adsorpcyjne, nie były w stanie skutecznie usunąć arsenu z wody przy neutralnym poziomie pH, a ich selektywność we wszystkich badanych środowiskach nie została zgłoszona15. Maksymalną zdolność adsorpcji wynoszącą 227 μg/g zmierzono, gdy użyto dwuskładnikowego piasku pokrytego dwutlenkowym Fe(III)-Sn(IV) w temperaturze 313 K i pH 716. Alternatywnie, dwuskładnikowy piasek pokryty tlenkiem Fe-Zr (IZBOCS) został również użyty do usunięcia arsenu i osiągnął maksymalną zdolność adsorpcji 84,75 mg/g w temperaturze 318 K i pH 717. Inne zgłoszone adsorbenty cierpią z powodu niskiej wydajności adsorpcji, braku możliwości recyklingu, niskiej stabilności, wysokich kosztów operacyjnych i konserwacyjnych oraz stosowania niebezpiecznych chemikaliów w procesie syntezy4.
Staraliśmy się rozwiązać powyższe ograniczenia, opracowując materiał o ulepszonej wydajności adsorpcji arsenu, wysokiej selektywności w złożonych środowiskach, zdolności do recyklingu i wydajnej aktywności przy neutralnych poziomach pH. Dlatego opracowaliśmy kationowy żel złożony z czwartorzędowego żelu chlorku metylu N,N-dimetyloaminopropylacrylamidu (DMAPAAQ) i cząstek wodorotlenku żelaza(III) (FeOOH) jako adsorbentu do usuwania arsenu. Zdecydowaliśmy się połączyć FeOOH z naszym żelem, ponieważ FeOOH zwiększa adsorpcję obu form arsenu18. W tym badaniu nasz żelowy kompozyt został zaprojektowany tak, aby był nieporowaty i został zaimpregnowany FeOOH podczas przygotowania. W następnej sekcji omówiono szczegółowo metodę przygotowania żelu, w tym naszą strategię maksymalizacji zawartości FeOOH.