Functionalized carbon nanotubes as adsorbents for wastewater remediation

The scarcity of clean water for domestic, industrial, and energy purposes is an increasingly relevant issue, especially in the context of climate change. Therefore, wastewater treatment for reuse becomes of paramount importance. Adsorption is a particularly important treatment for the removal of organic and inorganic pollutants; such pollutants can be, in some cases, toxic, ecotoxic, carcinogenic, mutagenic, and bioaccumulative. The first part of the thesis regards the preparation of the adsorbents and the study of their efficiency in the removal of the organic dyes Rhodamine B and Methyl Orange, and the inorganic Cu(II) cation, chosen as reference pollutants. In this contest, carbon nanotubes appropriately functionalized to enhance their efficiency and hybrid materials, composed of nanotubes and clay, are prepared. In particular, regarding carbon nanotubes, the modifications involve functionalization with alkyl chain bearing carboxylic groups and choline moiety. For comparison, experiments with non-functionalized carbon nanotubes and clay, a common adsorbent, are also carried out. In the second part of the thesis the results of the tests, and a comparison of the adsorption efficiencies achieved by the various types of adsorbents are discussed. A possible explanation of the results is reported.

La scarsità di acqua pulita per scopi domestici, industriali ed energetici è un problema sempre più rilevante, soprattutto nel contesto dei cambiamenti climatici. Pertanto, il trattamento delle acque reflue per il loro riutilizzo diventa di primaria importanza. L'adsorbimento è un trattamento particolarmente importante per la rimozione di inquinanti organici e inorganici; tali inquinanti possono essere, in alcuni casi, tossici, ecotossici, cancerogeni, mutageni e bioaccumulabili. La prima parte di questa tesi si concentra sulla preparazione di alcuni adsorbenti e sull'attuazione di test per valutare la loro efficienza nell’adsorbimento di sostanze quali ioni Cu(II), Rodamina B e Metilarancio, utilizzati come inquinanti di riferimento. I materiali usati sono adsorbenti comuni come l'argilla e adsorbenti emergenti come i nanotubi di carbonio opportunamente funzionalizzati per aumentarne l'efficienza. In particolare, per i nanotubi, le principali modifiche prevedono la funzionalizzazione con catene lunghe (spacers) contenenti gruppi carbossilici e la funzionalizzazione con unità colina. L’adsorbente ibrido utilizzato è composto da argilla e nanotubi funzionalizzati con unità colina. La seconda parte della tesi presenta i risultati dei test condotti e un confronto delle efficienze di adsorbimento ottenute dai vari tipi di adsorbenti. Inoltre, si propone un'interpretazione iniziale dei risultati basata sulle osservazioni ottenute e dati di letteratura esistenti, con uno sguardo rivolto verso i promettenti sviluppi teorici e pratici che un proseguimento a cui questo studio può portare.