Immobilization of eco-friendly nanoparticles on different materials: towards promising nanoplatforms for removal of pollutants from water

Abstract

A síntese verde de nanopartículas metálicas (NPM) através de extratos de plantas é um método alternativo com várias vantagens, tais como ser sustentável, económico e amigo do ambiente. Embora a síntese verde atenue o impacto ambiental da produção de NPM, esta ainda apresenta limitações. O desenvolvimento de um método amigo do ambiente para a síntese de NPM com boa dispersão e estabilidade e a sua imobilização em suportes sustentáveis é altamente desejável. Nesta tese, foi desenvolvida uma nanoplataforma constituída por nanopartículas de prata (NPAg) suportadas em materiais sustentáveis para a remoção de poluentes da água. Inicialmente, diferentes extratos aquosos foram estudados de forma a selecionar o melhor extrato para sintetizar NPAg. Foi confirmada a capacidade dos extratos aquosos de folhas de eucalipto, chá verde e chá preto para sintetizar NPAg. Estas NPAg apresentaram efeito inibitório contra bactérias, sendo as NPAg sintetizadas com extrato aquoso de folhas de eucalipto (NPAg-Euc), as melhores nanopartículas com esta atividade. Posteriormente a sua atividade fotocatalítica foi confirmada pela degradação do corante carmim de índigo, como poluente modelo. Depois de selecionado o extrato aquoso para a obtenção de NPAg, foi otimizado e caracterizado o processo biosintético da produção de NPAg-Euc. Os melhores resultados foram obtidos com síntese a 50 °C e um rácio 1:2 de metal:extrato. Catequina, ácido elágico, rutina, ácido gálico, quercetina e kaempferol foram identificadas como biomoléculas envolvidas no processo de síntese de NPAg-Euc. Na remediação ambiental as NPAg-Euc otimizadas exibiram uma eficiente atividade antibacteriana e fotocatalítica. De forma a facilitar a recuperação, aumentar a estabilidade e dispersão das NPAg-Euc, materiais sustentáveis como argilas e resíduos foram aplicados como suportes. O compósito de NPAg-Euc/Caulim mostrou excelentes resultados na degradação do corante carmim de índigo, do herbicida atrazina e do antibiótico sulfametoxazol. Os resultados aqui apresentados contribuem para alargar a aplicação de NPM verdes na remediação ambiental bem como o uso de materiais sustentáveis como suportes para NPM.

The green synthesis of metallic nanoparticles (MNP) using plant extracts is an alternative production method with several advantages, such as being sustainable, competitive and environmental friendly. Although green synthesis mitigates the environmental impact of MNP production, it still has limitations. The development of an environmental friendly method for the synthesis of MNP with good dispersion and stability, and their immobilization on sustainable supports is highly desirable. In this thesis, a nanoplatform consisting of silver nanoparticles (AgNP) supported on sustainable materials was developed for the removal of pollutants from water. Initially, different aqueous extracts were studied in order to select the best extract for AgNP synthesis. The ability of aqueous extracts of eucalyptus leaves (ELE), green tea (GTE) and black tea (BTE) to synthesize NPAg was confirmed. These AgNP showed an inhibitory effect against bacteria, and the AgNP synthesized with aqueous ELE (ELE-AgNP) were the best ones with this activity. Their photocatalytic activity was subsequently confirmed in the degradation of the indigo carmine dye, as a model pollutant. After selecting the aqueous extract for the production of AgNP, the biosynthetic process for the production of ELE-AgNP was optimized and characterized. The best results were obtained with synthesis at 50 °C and a 1:2 metal:extract ratio. Catechin, ellagic acid, rutin, gallic acid, quercetin and kaempferol were identified as biomolecules involved in the ELE-AgNP synthesis process. In environmental remediation, the optimized ELE-AgNP exhibited efficient antibacterial and photocatalytic activity. In order to facilitate the recovery, to increase the stability and dispersion of the ELE-AgNP, sustainable materials such as clays and solid wastes were tested as supports. The ELE-AgNP/Kaolin composite showed excellent results in the degradation of the indigo carmine dye, the herbicide atrazine and the antibiotic sulphamethoxazole. The results presented here contribute to broadening the application of green MNP in environmental remediation as well as the use of sustainable materials as supports for MNP.