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Jul 04, 2023

Studi termodinamici, cinetici e isotermici dell'adsorbimento della tartrazina su nanocompositi microclino/MWCNT e potenziali di rigenerazione

Scientific Reports volume 13, Numero articolo: 9872 (2023) Cita questo articolo 333 Accessi 1 Altmetric Metrics dettagli La ricerca di una tecnica di trattamento delle acque reflue economica, efficace ed ecologica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9872 (2023) Citare questo articolo

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La ricerca di una tecnica di trattamento delle acque reflue economica, efficace ed ecologica, priva di sottoprodotti tossici secondari, richiede la fabbricazione di un adsorbente rispettoso della natura con una solida capacità di decontaminare le fonti d’acqua inquinate e di essere riciclato. A tal fine, riportiamo la fabbricazione di nuovi nanocompositi (KMCM) da microclino (KMC) e nanotubi di carbonio multiparete (MWCNT). Gli adsorbenti (KMC e KMCM) sono stati caratterizzati utilizzando XRD, BET, SEM, TGA e FTIR. Il nuovo nanoassorbente a basso costo è stato progettato per l'eliminazione della tartrazina (Tatz) dalle acque reflue. L'adsorbimento di Tatz su KMC e KMCM è stato influenzato dalla dose di adsorbente, dalla concentrazione iniziale di Tatz, dal tempo di contatto e dal pH della soluzione. I dati sperimentali acquisiti dagli studi sull'equilibrio sono stati ben affrontati dal modello isotermo di Langmuir. La capacità di assorbimento massima di 37,96 mg g−1 e 67,17 mg g−1 è stata stimata per KMC e KMCM. La cinetica per l'adsorbimento di Tatz su KMC e KMCM è stata espressa al meglio dai modelli pseudo-secondo ordine ed Elovich. I parametri termodinamici hanno rivelato che l'assorbimento di Tatz su KMC e KMCM era endotermico (ΔH: KMC = 35,0 kJ mol−1 e KMCM = 42,91 kJ mol−1), guidato dall'entropia (ΔS: KMC = 177,6 JK−1 mol− 1 e KMCM = 214,2 JK−1 mol−1) e processo spontaneo. Nel frattempo, KMCM ha dimostrato un buon potenziale di riutilizzo e un'efficienza di adsorbimento superiore rispetto ad altri adsorbenti.

L’aumento della popolazione mondiale, la crescita esponenziale della moderna industria manifatturiera e i progressi nella tecnologia industriale sono fattori fondamentali responsabili dell’inquinamento idrico1. È stato segnalato che molti materiali tossici inorganici e organici influiscono negativamente sulle proprietà fisico-chimiche degli ecosistemi acquatici, tra cui i coloranti2. Tra gli inquinanti inorganici ci sono i coloranti. I coloranti sono composti organici utilizzati da diverse industrie per influenzare il colore e sono classificati come anionici, cationici e non ionici. Nel frattempo, settori come quello farmaceutico, cartario, delle vernici, tessile e alimentare, tra gli altri, sono conosciuti come i principali consumatori di coloranti3. La tartrazina è un colorante giallo anionico, costituito da gruppi funzionali solfonici, azoici (N=N) e carbossilici ed è spesso impiegato come additivo in prodotti di consumo come gelati dolci, bevande, gelatine, patatine, gomme da masticare, pane, yogurt e prodotti farmaceutici4 .

Oltre all'utile beneficio della tartrazina, alcuni studi hanno rivelato che la tartrazina può causare ipersensibilità, allergie, eczema cutaneo, asma, mutazioni, cancro ed effetti immunosoppressivi5. Nel tentativo di sequestrare i contaminanti dell'acqua dall'ecosistema acquatico, sono stati impiegati diversi tipi di metodi fisico-chimici/biologici. Alcune di queste tecniche di trattamento includono tecniche elettrochimiche6, trattamenti biologici7, estrazione8, scambio ionico9, filtrazione10, fotodegradazione11,12,13,14, precipitazione chimica15, bioreattore a membrana16 e osmosi inversa17. D'altro canto, l'applicazione di questi metodi per la rimozione degli inquinanti è limitata e ciò è dovuto alla possibile generazione di un inquinante secondario tossico, a costi operativi elevati e all'inefficienza a basse concentrazioni di inquinanti18,19. Considerando le implicazioni negative delle sfide sopra menzionate, è quindi necessario progettare una tecnica ecologica ed economicamente vantaggiosa per la purificazione dell’acqua.

È stato segnalato che l'adsorbimento è efficace per l'eradicazione del colorante anche a basse concentrazioni con bassi costi di gestione, eccellente selettività e facilità di funzionamento20. Sono stati condotti studi approfonditi utilizzando adsorbenti di origine sia inorganica che organica per il sequestro dei coloranti. Tra questi adsorbenti figurano; cellulosa21, rifiuti biogas22,23, montmorillonite24, buccia di scarto25, aerogel26,27, nanocompositi28,29, Zn/Al-LDH30, midollo di banana31, mesocarpo di cocco32, torba33 ossido di grafene34, chitina35, nanoparticelle di ossido di ferro36, chitosano37, silice38, polvere di bastoncini di iuta39, scafi di arachidi40, polipirrolo/SrFe12O19/grafene41, scarti della lavorazione della iuta42, carbone attivo43,44,45, scafi di farina di soia46, scarti di quarzo47, lolla di riso48, gambi di mais49 Fe/zeolite50, gusci di nocciole51, semi52, buccia53, pino silvestre54, argilla caolinitica55 e foglie56 . Tuttavia, si è scoperto che alcuni degli adsorbenti menzionati in precedenza presentano un certo grado di demerito, come un filtraggio inadeguato, inefficace alle alte temperature, costoso da rigenerare e selettività limitata. Pertanto, è importante progettare un adsorbente di qualità eccezionale per la rimozione di Tatz dalle acque reflue. Il microclino (KAlSi3O8) è composto da potassio, alluminio e silicato, è generalmente noto come feldspato potassico e cristallizza nel sistema triclino57. Questo minerale può essere ottenuto come roccia ignea, sedimentaria o metamorfica. Come minerale, il microclino è onnipresente e può essere modificato come adsorbente per le pratiche di bonifica delle acque. D'altra parte, i nanotubi di carbonio hanno dimostrato proprietà fisiche e chimiche eccezionali, e queste caratteristiche hanno portato all'applicazione di successo dei CNT in diversi campi58,59. Nel frattempo, i CNT hanno dimostrato un'eccellente capacità di sequestrare gli inquinanti sia organici che inorganici dalla fase acquosa60,61.