Preparazione e caratterizzazione del basso

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4493 (2023) Citare questo articolo

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Il verde malachite utilizzato nelle industrie tessili e di tintura è un comune inquinante persistente nelle acque reflue e nell'ambiente che causa gravi rischi per la salute umana e gli organismi acquatici. In questo studio, la metodologia della superficie di risposta è stata applicata per ottimizzare la rimozione adsorbente del verde malachite utilizzando nano-bentonite, argilla impregnata di MgO e Mucor sp. compositi. I nanomateriali e Mucor sp. composito sono stati caratterizzati mediante FTIR, SEM e diffrattometria a raggi X. Secondo i risultati ottenuti, la nano-bentonite mostra un'efficienza massima di adsorbimento di MG del 98,6% a 35 °C, pH 7,0, tempo di contatto di 60 minuti, dosaggio di adsorbente di 1,0 g/L e concentrazione iniziale di MG di 50 mg/L. D'altra parte, l'efficienza massima per l'adsorbimento di MG su argilla impregnata di MgO del 97,04% si osserva a pH 9,0, tempo di contatto di 60 minuti, dosaggio di adsorbente di 0,7 g/L e concentrazione iniziale di MG di 50 mg/L. L'isoterma di adsorbimento del verde malachite (MG) su argilla impregnata di MgO corrispondeva all'isoterma di Freundlich, con un coefficiente di correlazione (R2) di 0,982. Tuttavia, l’isoterma di adsorbimento di Langmuir si è rivelata una soluzione migliore per la nano-bentonite (R2 = 0,992). Le attività di adsorbimento della nano-bentonite e dell'argilla impregnata di MgO sono state inserite in un modello cinetico di pseudo-secondo ordine con R2 di 0,996 e 0,995, rispettivamente. Inoltre, nonostante sia stato riciclato numerose volte, l’adsorbente ha mantenuto la sua elevata stabilità strutturale ed efficacia di rimozione per la nano-bentonite (94,5–86%) e l’argilla impregnata di MgO (92–83%).

L’inquinamento idrico causato dalle acque reflue provenienti dalle attività manifatturiere tessili è una delle principali preoccupazioni a livello globale. Uno dei compiti più difficili che i ricercatori devono affrontare in tutto il mondo nel ventunesimo secolo è fornire l’acqua pulita necessaria per le attività industriali, domestiche e agricole1. Le fabbriche tessili sono responsabili di uno dei maggiori problemi di inquinamento ambientale nel mondo, poiché scaricano effluenti di coloranti indesiderati2. L’industria tessile consuma 100-200 litri di acqua per kg di tessuti prodotti, con conseguente generazione di grandi quantità di acque reflue durante il processo di tintura3. A livello globale, circa 280.000 tonnellate di coloranti sintetici vengono scaricati ogni anno nei corsi d'acqua naturali dalle acque reflue prodotte da diverse industrie, come quelle del cuoio, degli alimenti, dei tessili, della carta, dei cosmetici, della stampa e dei tappeti4. Detto scarico ha un impatto negativo sulla qualità visiva dei corpi idrici e interferisce con il ciclo di vita degli organismi acquatici riducendo la penetrazione della luce solare nell'acqua, che inibisce la fotosintesi e la crescita delle piante, influenzando così l'attività biologica degli animali acquatici; inoltre, anche i coloranti sintetici presenti nei corpi idrici provocano la contaminazione del suolo5. Il verde malachite (MG) è un colorante sintetico utilizzato per tingere seta, cotone, cuoio, lana e carta, ed è anche impiegato come fungicida e disinfettante nel settore della piscicoltura, poiché consente il controllo dei parassiti e delle malattie dei pesci6. MG è un composto cationico del trifenilmetano altamente solubile in acqua7. È inoltre altamente tossico per le cellule dei mammiferi a concentrazioni inferiori a 0,1 g/ml8. MG è caratterizzato da una struttura molecolare complessa, elevata stabilità, non biodegradabilità ed elevata resistenza alla luce e agli agenti ossidanti7. Quando fluisce nel flusso ricevente, questo colorante influisce negativamente sul ciclo vitale degli organismi acquatici interferendo con la fisiologia del fegato ipofisario, delle branchie, dei reni, dell'intestino, delle gonadi e delle cellule vegetative gonadi9. Nell'uomo, l'inalazione di MG può causare infiammazione delle vie respiratorie, mentre la sua ingestione può causare infiammazione del tratto digestivo10. La MG è pericolosa per l'uomo e mutagena; inoltre, la sua presenza influisce sul sistema immunologico e riproduttivo11. Il verde malachite può essere convertito in leucomalachite verde e carbinolo, che è tossico per l'uomo. Nei muscoli, nel grasso e negli organi interni dei pesci, la MG ha un'emivita di 10 giorni12. Questo colorante cationico è anche durevole nell'ambiente, con un'emivita di 12,9–50,34 giorni nel sedimento13. Molte tecnologie sono state utilizzate per trattare le acque reflue tessili, compresi metodi di trattamento fisici, chimici e avanzati, come filtrazione su membrana, scambio ionico, tecnologia elettrochimica, coagulazione, flocculazione, osmosi inversa, ossidazione chimica, ozonizzazione14 e trattamento biologico per funghi e batteri effetti15. Tuttavia, la maggior parte di queste tecnologie presenta diversi svantaggi, tra cui bassa efficienza, ingenti investimenti di capitale, elevato consumo energetico, costi elevati, non selettività, inidoneità per applicazioni su larga scala e formazione di fanghi secondari dannosi16. Tra le strategie di trattamento, l’adsorbimento è uno dei metodi più interessanti ed efficienti per rimuovere i coloranti dai campioni di acqua inquinata. Questa tecnica offre vari vantaggi, tra cui una progettazione semplice, adsorbenti riciclabili, funzionamento semplice, non tossicità, basso costo e un modesto investimento iniziale17. Questi adsorbenti riciclabili includono carbone attivo (AC)18, buccia di lime19 e pomice20. Tuttavia, ci sono diversi aspetti negativi legati ai diversi adsorbenti utilizzati per purificare l’acqua. Ad esempio, il riutilizzo dell’aria condizionata richiede la rigenerazione, che è costosa e ne limita l’applicazione su larga scala nel trattamento delle acque reflue. Inoltre, alcuni adsorbenti sono efficaci contro un numero limitato di coloranti e sono difficili da separare dall’acqua trattata21. Il riferimento22 si è concentrato sull'immobilizzazione della perossidasi di rafano su supporti come le fibre elettrofilate di poliammide-6, che sono state utilizzate per la decolorazione dei coloranti tessili reattivi nero 5 e verde malachite da soluzioni che imitano le acque marine inquinate e hanno raggiunto oltre il 70%. Il riferimento23 ha presentato l'applicazione dell'immobilizzazione della laccasi da Trichoderma versicolor su vari supporti, come TiO2–ZrO2–SiO2, per rimuovere il colorante azoico reattivo nero 5 (RB5), il colorante antrachinonico reattivo blu 4 (RB4), con efficienze di degradazione che raggiungono il 100% , 91% e 77%, rispettivamente, hanno guadagnato oltre il 70% dell'attività catalitica della laccasi immobilizzata su TiO2–ZrO2–SiO2 anche dopo cinque cicli di esecuzione. Recentemente, gli scienziati hanno sviluppato un materiale adsorbente efficiente ed economico, compositi polimerici di nano-argilla, per superare le carenze dei metodi tradizionali di purificazione delle acque reflue dell'industria tessile e ridurre la minaccia ambientale. Attualmente, l’argilla è ampiamente utilizzata in vari settori, tra cui quello cosmetico, quello petrolifero, quello farmaceutico, quello alimentare e quello della carta, perché è facilmente disponibile, non è tossico e ha il potenziale di scambio ionico per la rimozione dei coloranti dalle acque reflue24. Tra i materiali argillosi studiati, la bentonite ha ricevuto notevole attenzione come adsorbente grazie al suo basso costo, rinnovabilità, ampia area superficiale, buona stabilità chimica e meccanica e abbondanza in natura25. Inoltre, la bentonite è composta principalmente da montmorillonite26. La bentonite grezza ha scarsa capacità di adsorbimento dei coloranti cationici, quindi viene modificata mediante trattamenti fisici e chimici. Tuttavia, il reticolo superficiale caricato negativamente dell'argilla bentonitica può avere una capacità di assorbimento superiore per i coloranti cationici27. La bentonite modificata trattata chimicamente è stata utilizzata per rimuovere il blu di metilene basico cationico28, gli ioni metallici29 e il cristalvioletto30. Pertanto, questo studio mira a valutare l'efficacia della modellazione della metodologia della superficie di risposta, che è stata analizzata durante gli esperimenti per ottimizzare e valutare gli effetti interattivi della nano-bentonite, dell'argilla impregnata di MgO e del Mucor sp. sulla rimozione della MG. Inoltre, sono state determinate isoterme, modelli di pseudo-primo e pseudo-secondo ordine e parametri termodinamici.