Desenvolupament de dispositius impresos en 3D recoberts amb xarxes metal·loorgàniques HKUST-1 per a l'extracció de contaminants

Abstract

[cat] Des del seu descobriment, les xarxes metal·loorgàniques (MOFs) han destacat per la seva elevada capacitat d’adsorció, conferint a aquests materials porosos nombrosos camps d’aplicació: medicina, catàlisi, tractament d’aigües, emmagatzematge de gasos… Actualment, davant d'una creixent escassetat dels recursos hídrics i de la contaminació de l'aigua, s’ha posat de manifest la necessitat de desenvolupar mètodes tant per al control de contaminants com per a la regeneració d'aigües contaminades. Els MOFs han demostrat un gran potencial per a la seva aplicació com a adsorbents en processos d’anàlisi i purificació d’aigües. En base a la demostrada capacitat d’adsorció i altres propietats d’interès del HKUST-1 en pols, en el present treball s’ha desenvolupat un dispositiu basat en la incorporació d’aquest MOF sobre dos suports, un de polipropilè i un altre de coure, obtinguts mitjançant impressió 3D, i s’ha avaluat la seva capacitat d’extracció de contaminants (hidrocarburs i blau de metilè). L’HKUST en pols s’ha sintetitzat mitjançant un procés solvotermal i llavors s’ha emprat per a preparar una tinta pel recobriment de la peça 3D de polipropilè. Per a la preparació de la peça de coure s’ha dut a terme un procés de creixement in-situ del MOF. Addicionalment, s’han emprat diverses tècniques instrumentals per a la caracterització estructural, morfològica i textural de tots els materials esmentats. Per a estudiar l’aplicabilitat de la peça de polipropilè recoberta de MOF i funcionalitzada amb àcid esteàric, s’ha determinat la seva capacitat d’extracció de diversos hidrocarburs en solució aquosa, obtenint percentatges d’extracció del n-hexà del 99%. En el cas del suport de coure, s’ha mesurat la seva capacitat i cinètica d’adsorció del blau de metilè, amb el resultat d’una extracció de colorant superior al 90% a les 2 hores. Finalment, s’ha avaluat qualitativament el funcionament del dispositiu compost per ambdós suports per a l’extracció simultània de n-hexà i blau de metilè, demostrant el seu potencial per a l’eliminació de diferents contaminants de l’aigua.

[eng] Since their discovery, metal-organic networks (MOFs) have stood out for their high adsorption capacity, giving these porous materials numerous fields of application: medicine, catalysis, water treatment, gas storage... Currently, in the face of a growing scarcity of water resources and water pollution, the need to develop methods for both, pollutant control and the regeneration of polluted water, has become evident. MOFs have shown great potential for their application as adsorbents in water analysis and purification processes. Based on the demonstrated adsorption capacity and other properties of interest of the HKUST1 powder, in the present work, a device based on the incorporation of this MOF on two 3D printed supports, one made of polypropylene and the other of copper, has been developed and, its ability to extract pollutants (hydrocarbons and methylene blue) has been evaluated. HKUST powder has been synthesized by a solvothermal process and then used to prepare an ink for coating the 3D polypropylene part. For the preparation of the copper piece, an insitu MOF growth process has been carried out. Additionally, various instrumental techniques have been used for the structural, morphological, and textural characterization of all the materials mentioned. To study the applicability of the polypropylene piece coated with the MOF and functionalized with stearic acid, its capacity to extract several hydrocarbons in aqueous solution was determined, obtaining n-hexane extraction percentages of 99%. In the case of the copper support, its capacity and kinetics of methylene blue adsorption have been measured, with the result of a dye extraction capacity greater than 90% after 2 hours. Finally, the ability of the device composed of both supports for the simultaneous extraction of n-hexane and methylene blue has been qualitatively evaluated, demonstrating its potential for the removal of different water pollutants.

[spa] Desde su descubrimiento, las redes metal-orgánicas (MOFs) han destacado por su elevada capacidad de adsorción, confiriendo a estos materiales porosos numerosos campos de aplicación: medicina, catálisis, tratamiento de aguas, almacenamiento de gases… Actualmente, ante una creciente escasez de los recursos hídricos y la contaminación del agua, se ha puesto de manifiesto la necesidad de desarrollar métodos tanto para el control de contaminantes como para la regeneración de aguas contaminadas. Los MOFs han demostrado un gran potencial para su aplicación como adsorbentes en procesos de análisis y purificación de aguas. En base a la demostrada capacidad de adsorción y otras propiedades de interés del HKUST1 en polvo, en el presente trabajo se ha desarrollado un dispositivo basado en la incorporación de este MOF sobre dos soportes, uno de polipropileno y otro de cobre, obtenidos mediante impresión 3D, y se ha evaluado su capacidad de extracción de contaminantes (hidrocarburos y azul de metileno). El HKUST en polvo se ha sintetizado mediante un proceso solvotermal, y se ha utilizado posteriormente para preparar una tinta para el recubrimiento de la pieza 3D de polipropileno. En el caso de la preparación de la pieza de cobre, se ha llevado a cabo un proceso de crecimiento in situ del MOF. Adicionalmente, se han utilizado diversas técnicas instrumentales para la caracterización estructural, morfológica y textural de todos los materiales citados. Para estudiar la aplicabilidad de la pieza de polipropileno recubierta de MOF y funcionalizada con ácido esteárico, se ha determinado su capacidad de extracción de varios hidrocarburos en solución acuosa, obteniendo porcentajes de extracción del n-hexano del 99%. En el caso del soporte de cobre, se ha medido su capacidad y cinética de adsorción del azul de metileno, habiéndose obtenido una extracción de colorante superior al 90% a las 2 horas. Por último, se ha evaluado cualitativamente el funcionamiento del dispositivo compuesto por ambos soportes para la extracción simultánea de n-hexano y azul de metileno, demostrando su potencial para la eliminación de diferentes contaminantes del agua.