Preparation, characterization and application of graphene oxide-based materials from Brazilian mineral coals

Abstract

A queima de combustíveis fósseis, incluindo o carvão, contribui significativamente para as mudanças climáticas, pois leva à emissão de CO2 na atmosfera. Isso é particularmente importante para a sustentabilidade e conservação ambiental, pois o carvão é um recurso natural prontamente disponível e uma fonte de energia econômica no Estado de Santa Catarina (Brasil). Além disso, também se está testemunhando um aumento alarmante no uso de antibióticos em humanos e animais, o que representa outro desafio significativo. Os antibióticos não podem ser totalmente metabolizados no sistema digestivo, o que leva à sua liberação em águas naturais por meio de fezes e urina de humanos e animais. Portanto, é fundamental abordar essas questões ambientais. Este estudo teve como objetivo explorar a síntese de óxido de grafeno (GO) a partir de carvão mineral e coque, bem como um composto de óxido de grafeno-geopolímero para a produção de adsorventes usados na remoção de Ciprofloxacino (CIP) de soluções aquosas. O carvão e o coque foram submetidos a tratamento térmico, esfoliação com ultrassom e oxidação com ozônio na superfície sólida. Os materiais sintetizados foram caracterizados por Análise Termogravimétrica (TGA), Potencial Zeta (ZP), Distribuição de Tamanho de Partícula (PSD), Difração de Raios X (XRD), Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR), Microscopia Eletrônica de Varredura com Pistola de Emissão de Campo (FEG, EDS), Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) e Espectroscopia RAMAN. Além disso, foram realizados testes de adsorção com os materiais sintetizados. Os resultados confirmaram a desmineralização do carvão e do coque e a introdução de grupos funcionais de oxigênio na superfície sólida. Foi observado GO com várias camadas. O polímero composto criado pelo uso de resíduos de fosfato e GO (22% em massa) apresentou a maior capacidade de adsorção. O estudo cinético indicou que o tempo de equilíbrio para concentrações de CIP entre 0,05 mmol L-1 e 0,2 mmol L-1 pode variar entre 100 min e 120 min. O modelo de pseudo-primeira ordem foi o que melhor se ajustou à concentração de 0,05 mmol L-1, enquanto o modelo de pseudo-segunda ordem foi o que melhor se ajustou às concentrações de 0,1 mmol L-1 e 0,2 mmol L-1. A modelagem molecular indicou que a molécula de CIP é estável. Além disso, as interações entre o polímero e esse composto são dependentes do pH para o adsorvente. Essa nova metodologia provou ser uma rota de síntese rápida, econômica e ecologicamente correta, agregando valor ao carvão mineral brasileiro. Por fim, o composto de OG e geopolímero é aplicável a processos de adsorção de antibióticos em meio aquoso.

Abstract: We are currently facing a concerning environmental crisis. The burning of fossil fuels, including coal, is a significant contributor to the issue as it leads to the emission of CO2 into the atmosphere. This is particularly problematic as coal is a readily available natural resource and a cost-effective energy source. In addition, we are also witnessing an alarming rise in the use of antibiotics in both humans and animals, which poses another significant challenge. Antibiotics cannot be fully metabolized in the digestive system, leading to their release into natural waters through human and animal feces and urine. Therefore, it is crucial to address these environmental issues. The aim of this study was to explore the synthesis of graphene oxide (GO) from coal and coke as well as a graphene oxide-geopolymer composite for producing adsorbents used in removing Ciprofloxacin (CIP) from aqueous solutions. The coal and coke were submitted to heat treatment, exfoliation using ultrasound, and oxidation with ozone on the solid surface. The synthesized materials were characterized by Thermogravimetric Analysis (TGA), Zeta Potential (ZP), Particle Size Distribution (PSD), X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Field Emission Gun Scanning Electron Microscopy (FEG, EDS), Transmission Electron Microscopy (TEM) and RAMAN spectroscopy. In addition, adsorption tests with the synthesized materials were performed. Results confirmed the demineralization of coal and coke and the introduction of oxygen functional groups on the solid surface. Also, multi-layered GO was observed. The composite polymer created by using phosphate residues and graphene oxide (22 wt%) displayed the greatest adsorption capacity. The kinetic study indicated that the equilibrium time for concentrations of CIP between 0.05 and 0.2 mmol L-1 can vary between 100 min and 120 min. Furthermore, the pseudo-first order model best fitted the concentration of 0.05 mmol L-1, while the pseudo-second order model best fitted the concentrations of 0.1 mmol L-1 and 0.2 mmol L-1. Molecular modeling indicates that Cip is a stable molecule. Additionally, the interactions between the polymer and CIP compound are pH-dependent for the adsorbate. This novel methodology proved to be a rapid, cost-effective, and eco-friendly synthesis route, adding value to Brazilian mineral coal. Moreover, it demonstrated that the GO-geopolymer composite is applicable to antibiotic adsorption processes in aqueous media.