Sugarcane bagasse biochar functionalized with ZnO via zinc hydroxychloride thermal conversion for enhanced photocatalytic degradation of paracetamol

Waterzuiveringsinstallaties zijn ontworpen om onze rivieren en meren te reinigen, maar ze hebben vaak moeite met een specifiek type onzichtbare vervuiling: de minuscule sporen van medicijnen die we doorspoelen. Wanneer mensen pijnstillers zoals paracetamol innemen, absorbeert hun lichaam niet elk molecuul. De rest passeert het rioleringssysteem en belandt in het milieu, waar het vissen en andere wilde dieren kan schaden. Omdat deze chemicaliën zo hardnekkig zijn en in zulke kleine hoeveelheden voorkomen, kunnen standaard reinigingsmethoden ze niet effectief verwijderen. Wetenschappers hebben zich gericht op een krachtige oplossing genaamd fotokatalyse, een proces dat licht gebruikt om een chemische reactie te triggeren die vervuilende stoffen afbreekt. Een veelgebruwd materiaal hiervoor is zinkoxide, een wit poeder dat fungeert als een spons voor lichtenergie. Dit materiaal heeft echter een gebrek: wanneer het licht absorbeert, heft de gevangen energie zichzelf vaak op voordat het enige schoonmaakwerk kan verrichten, en de minuscule deeltjes zijn moeilijk te verzamelen nadat het werk gedaan is.

Om deze problemen op te lossen, hebben onderzoekers aan de Federal University of Itajubá in Brazilië een nieuwe manier ontwikkeld om zinkoxide te combineren met een materiaal gemaakt van landbouwafval. Ze namen suikerrietbagasse, het vezelige residu dat overblijft na het persen van suikerriet voor sap, en veranderden dit in een poreuze, houtskoolachtige substantie die bekend staat als biochar. In plaats van de materialen in een vloeistof met elkaar te mengen, lieten ze de zinkoxide direct op het oppervlak van deze biochar groeien met behulp van een hittebehandelingsproces. Het resultaat was een composietmateriaal waarbij de lichtabsorberende zinkoxidepartikels stevig verankerd waren aan de koolstofrijke biochar. Deze opstelling stelde de biochar in staat om te fungeren als een ondersteunende structuur die de zinkoxidepartikels gescheiden en stabiel hield, terwijl het ook hielp bij het beheren van de energiestroom zodat de reinigingsreactie efficiënter kon plaatsvinden.

Het team testte dit nieuwe materiaal door te proberen paracetamol uit water te verwijderen onder een lichtbron. Ze ontdekten dat het door biochar ondersteunde materiaal veel superieur was aan het gebruik van gewoon zinkoxidepoeder. In hun experimenten verwijderde het nieuwe composiet meer dan 78 procent van de paracetamol uit het water in slechts 90 minuten, terwijl het standaard zinkoxidepoeder in dezelfde tijdspanne minder dan de helft daarvan wist te verwijderen. De onderzoekers observeerden dat de poreuze aard van de biochar hielp de medicijnmoleculen dicht bij de actieve zinkoxideplaatsen te vangen, wat de reactie een voorsprong gaf. Bovendien vertoonde het materiaal een veel snellere snelheid van degradatie, waarbij het de verontreiniging afbrak met een snelheid die meer dan het dubbele was van die van het ongewijzigde poeder.

Om precies te begrijngen hoe deze reiniging plaatsvond, gebruikten de wetenschappers speciale chemicaliën om verschillende delen van het reactieproces te blokkeren. Ze ontdekten dat de afbraak van het medicijn werd gedreven door een team van reactieve agenten. De belangrijkste helpers waren hydroxylradicalen en superoxideradicalen, dit zijn zeer energetische deeltjes die de medicijnmoleculen aanvallen en uit elkaar rafelen. De biochar speelde een cruciale rol bij het genereren van deze radicalen door te helpen bij het scheiden van de elektrische ladingen die door het licht werden gecreëerd, waardoor werd voorkomen dat zij hun energie verspillen. Hoewel het materiaal een zekere afname in prestaties vertoonde na herhaaldelijk gebruik, waarschijnlijk omdat de poriën verstopt raakten met achtergebleven deeltjes, bleef het stabiel genoeg om beschouwd te worden als een veelbelovende kandidaat voor toekomstige waterzuiveringssystemen. Dit werk suggereert dat het omzetten van landbouwafval in een hoogtechnologisch reinigingsmiddel een goedkope, effectieve manier kan bieden om onze watervoorraden te beschermen tegen de groeiende dreiging van farmaceutische vervuiling.