Boron-chelating mesoporous silica nanoparticles membrane for waste water purification

Boron is quite widespread in water sources, especially in wastewater. If it is present in high amounts, it can be dangerous either for nature and for the man so it is needed to keep its concentration at low levels. Therefore, a film made of mesoporous silica nanoparticles (MSNs) with the purpose of boron removal from water is synthetized. MSNs can be employed as adsorbent due to the possibility to functionalize the high surface area that results from the ordered porous structure. The MSNs were synthetized following a procedure that comes from the modification of the Stöber method. Successively, since it is known that boron can form borate complexes if binds with chelating agents, for example diols, they were modified on the surface, following a post grafting method, with [3-Glycidyloxypropyl]trimethoxysilan (GOPTS), which shows the diols after a reaction of epoxy ring opening. The film was made depositing the functionalized MSNs over a support (cellulose acetate membrane) and adding a crosslinker, Poly(dimethylsiloxane)-bis(triethoxysilyl) terminated, in order to bind all the nanoparticles together. After the synthesis, the functionalized nanoparticles were analyzed with TEM and 1H-NMR techniques. The strength of the nanoparticles bonds on the film was tested filtering milliQ water through it and checking the nanoparticles residues with NTA analysis. The effect of the crosslinker on the porosity of the nanoparticles was controlled with N2 adsorption-desorption test and BET method. The as synthetized film was then used for carrying out boron scavenging tests. Solutions of phenylboronic acid were filtered and the resulting solutions were analyzed with a detection method that uses the molecule 2,3,6,7,10,11-hexahydroxytriphenylene as sensor for spectrofluorimetry and UV-vis spectrophotometry. It resulted that in some cases the membrane absorbed a certain amount of boron, up to 50% of the initial concentration. Further improvements are necessary to optimize the system, but the present results show that this is a good start point for the development of a technology for the depuration of water from boron.

Il boro è una sostanza molto diffusa nelle risorse acquifere e nelle acque di scarto. Se è presente in grandi quantità può essere dannoso sia per la natura che per l’uomo, quindi è necessario mantenere la sua concentrazione a bassi livelli. Per questo, è stato prodotto un film costituito da nanoparticelle mesoporose di silice (MSNs) con lo scopo di purificare l’acqua dal boro. Le MSNs possono essere utilizzate come materiale assorbente grazie alla possibilità di funzionalizzare l’elevata area superficiale. Sono state dunque sintetizzate seguendo una procedura che deriva da una modifica del metodo di Stöber. Successivamente, poiché è noto che il boro può formare dei complessi se si lega con degli agenti chelanti, come ad esempio i dioli, sono state modificate, seguendo un metodo post grafting, con [3-Glycidyloxypropyl]trimethoxysilan (GOPTS), il quale mostra i dioli dopo una reazione di apertura dell’anello epossidico. Il film è stato preparato depositando le MSNs funzionalizzate sopra un supporto (membrana di cellulosa acetata) e aggiungendo un crosslinker, polidimetilsilossano terminato con bis(trietossisilil), per legare le particelle tra di loro. Dopo la sintesi, le particelle modificate sono state analizzate con le tecniche TEM e 1H NMR. La tenuta del film è stata testata filtrando dell’acqua attraverso la membrana e controllando la presenza di nanoparticelle nella soluzione con l’analisi NTA. L’effetto del crosslinker sulla porosità delle nanoparticelle è stato analizzato con il metodo di assorbimento dell’azoto e delle isoterme BET. L’efficienza di assorbimento del boro è stata testata filtrando una soluzione di acido fenilboronico attraverso il film e poi analizzandola con un metodo di rilevamento che utilizza la molecola 2,3,6,7,10,11-hexahydroxytriphenylene come sensore per le analisi di spettrofluorimetria e spettroscopia UV-vis. I risultati mostrano che in alcuni casi la membrana assorbe quantità di boro fino al 50% della concentrazione iniziale. È però necessario eseguire dei miglioramenti per ottimizzare il sistema e i risultati ottenuti rappresentano un buon punto di inizio per lo sviluppo di una tecnologia per la depurazione delle acque dal boro.