Nanostructured MnO2 catalyst in E. crassipes (water hyacinth) for indigo carmine degradation

Abstract

The use of water hyacinth’s dried matter (Eichhornia crasippes) as a support matrix for nano-MnO2 and its application for the removal of indigo carmine (IC) was studied. Different pretreatment processes were tested and results indicated that an acid-alkali pretreatment is an efficient method to binding nanoparticles (NPs) to cellulosic matrix. In adittion, the MnO2 NPs were synthesized by sonochemical reduction of MnO4- using different methods (ultrasonic horn system, ultrasonic bath and reaction with ethanol), where the influence of the precursor concentration was observed. The synthesized material was further characterized by ATR-IR, AAS, XRD, SEM, nitrogen isotherms adsorption, EDS, and pHpzc. The IC removal capacity of the nanostructured material, the chemical nature of the degradation products and the effect of various parameters (temperature, pH, initial IC concentration, among others) were explored in water samples. After this process, the material, obtained by the ultrasonic bath method, was able to remove 97.6% of IC color in five min, without losing dye degradability efficiency for several consecutive cycles. Through this approach, environmental dangerous effluents from many commercial activities such as textile industry can be efficiently removed with low cost, using synthesize process biodegradable nanocomposite materials.

Se estudió el uso de la materia seca del jacinto de agua (Eichhornia crassipes) como matriz-soporte para nano-MnO2 y su eficiencia en la eliminación de índigo carmín (IC). Se ensayaron diferentes procesos de pretratamiento y los resultados indicaron que un tratamiento previo ácido-alcalino es un método eficiente para unir las nanopartículas (NPs) a la matriz celulósica. Así mismo, las NPs de MnO2 se sintetizaron por reducción sonoquímica de MnO4- utilizando diferentes métodos (un sistema emisor de ultrasonido, baño de ultrasonido y reacción convencional con etanol como medio). El material sintetizado se caracterizó por ATR-IR, AAS, DRX, SEM, isotermas de adsorción de nitrógeno, EDS y pHpzc. Se exploró la capacidad de eliminación de IC por parte del material nanoestructurado y la naturaleza química de los productos de degradación en muestras acuosas. Se analizó el efecto de diversos parámetros tales como temperatura, pH, concentración inicial de IC, entre otros. Finalmente, el material nanoestructurado, obtenido con un baño de ultrasonido, mostró una eficiencia de 97,6% en la eliminación del color característico de IC en 5 min, sin perder la eficiencia en la degradación del colorante por varios ciclos consecutivos. A través de este enfoque, se pueden eliminar efluentes ambientalmente peligrosos provenientes de actividades comerciales como la industria textil, de manera eficiente y a un bajo costo, mediante el uso de materiales nanocompuestos biodegradables cuya síntesis es de fácil aplicación.