Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 16448 (2023) Citer cet article
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Des polluants émergents et un grand volume de colorants inutilisés provenant de l’industrie textile contaminent les plans d’eau. Ce travail introduit une approche évolutive pour purifier l'eau par l'adsorption de l'Acid green 25 (AG), du Crystal Violet (CV) et du Sulfamethoxazole (SMA) à partir d'une solution aqueuse par un aérogel de silice modifié dopé à l'oxyde de graphène (GO) (GO-SA). avec la méthode de dépôt par fluide supercritique (SFD). Caractérisation de GO-SA par diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), microscopie électronique à balayage haute résolution (HR-SEM), analyse thermogravimétrique (TGA) et Brunauer – Emmett – Teller (BET) les isothermes d'adsorption ont révélé l'amélioration de la surface adsorbante et de ses propriétés texturales. Les pourcentages d'élimination élevés observés dans la plupart des essais expérimentaux témoignent de l'excellente performance de l'adsorbant vis-à-vis des colorants anioniques et cationiques ainsi que de l'antibiotique. L'isotherme et la cinétique d'adsorption ont montré que l'isotherme de Langmuir et les modèles cinétiques de pseudo-second ordre pouvaient expliquer l'adsorption. L'adsorbant possède une capacité d'adsorption plus élevée pour le SMA (67,07 mg g−1) que pour le CV (41,46 mg g−1) et l'AG (20,56 mg g−1) en raison de l'hydrophobie plus élevée qui interagit avec l'adsorbant hydrophobe. Le GO-SA a réussi à supprimer AG, CV et SMA avec des pourcentages de suppression de 98,23 %, 98,71 % et 94,46 %, respectivement. Les paramètres ont été optimisés à l'aide de Central Composite Design (RSM-CCD). L'aérogel préparé a montré une excellente réutilisation avec une efficacité d'élimination > 85 % même après 5 cycles. Cette étude montre le potentiel de l’adsorbant GO-SA dans l’épuration des textiles et autres eaux usées.
L'Inde ne possède que 4 % des ressources mondiales en eau, qui proviennent principalement de lacs, de rivières et d'étangs, alors qu'elle fait vivre 18 % de la population mondiale. De plus, en tant que pays agraire, l'Inde connaît une urbanisation massive, la population urbaine passant de 28% en 2000 à 34,9% en 20201. Malgré un taux de croissance moyen du PIB de 6% et une espérance de vie croissante, les secteurs pharmaceutique, automobile, chimique, les industries pétrochimiques et autres industries manufacturières sont confrontées à une grave pénurie d’eau2,3. Les contaminants émergents dans l’eau, tels que les produits chimiques industriels, les textiles, les produits pharmaceutiques, les déchets hospitaliers et les pesticides, constituent un danger important pour la qualité de l’eau4,5,6. Ces contaminants nuisent à l’écosystème, et même des traces de produits chimiques spécifiques peuvent avoir un impact considérable7,8,9.
L’augmentation de la population et l’urbanisation ont entraîné une demande rapide de colorants synthétiques et une expansion de l’industrie textile10. On estime que dans le monde, 7 × 105 à 1 × 106 tonnes11,12 de colorants sont produites chaque année et utilisées dans diverses industries telles que le textile, le plastique, la teinture, le papier, la pâte à papier, les photographies couleur, les cosmétiques et d'autres produits industriels13,14, 15,16. Cependant, la plupart de ces colorants synthétiques17 sont toxiques et les eaux usées de cette industrie doivent être traitées avant rejet dans les plans d’eau afin de réduire la pollution de l’eau et de préserver les organismes vivants18. Le rejet de ces eaux contaminées pose une préoccupation environnementale importante19. Environ 40 à 50 % des colorants sont rejetés sous forme de déchets au cours du processus de teinture, et environ 15 à 20 % sont rejetés sous forme d'eaux usées, ce qui modifie la couleur de l'eau et génère de la mousse à la surface des plans d'eau. Il s’agit là d’une autre menace majeure pour l’environnement20. De plus, la plupart des colorants artificiels sont connus pour être des perturbateurs endocriniens, mutagènes et cancérigènes, pouvant affecter la santé d’un large éventail d’organismes.
L’accumulation de colorants organiques dans les plans d’eau peut également entraver la pénétration de la lumière, ce qui peut entraver le processus naturel de décontamination et de photosynthèse21. Diverses méthodes et combinaisons de traitement sont utilisées pour éliminer les colorants organiques des plans d'eau, telles que la filtration sur membrane, la coagulation, la floculation, l'ozonation, l'oxydation avancée et les processus biologiques. Cependant, certaines de ces méthodes sont confrontées à des défis importants, tels que des coûts d'investissement élevés et de grandes quantités de boues générées22.
99.999%). The dyes, Acid green 25, Crystal violet, graphite powder and monopotassium phosphate, were sourced from Sigma-Aldrich. Silica, [(trimethylsilyl)oxy]-modified aerogel was sourced from Cabot (Riga LV-1039, Latvia), Sulfamethoxazole (SMA) 98% were sourced from TCI Japan. Merck supplied acetic acid. Absolute ethanol was supplied by Honeywell, and Thermo Fisher Scientific supplied absolute methanol. Acetonitrile and acetone, the analytical grade, were provided by Spectrochem. All reagents were used without further treatment/purification. The aerogel surface was modified using graphene oxide by the supercritical deposition technique. The characteristics of used contaminants can be seen in Table S1 of Supplementary information./p> 0.6), although the desorption line is completely overlapped at the low range pressure (P/P0 < 0.4). Suggesting the pores are of ink bottle type, having large pore sizes as the hysteresis occurred at comparatively higher pressures65. The existence of prominent mesopores in the aerogel structure was shown by the exceedingly low quantities of nitrogen adsorbed (< 100 cm3/g) at relatively low pressures (P/P0 > 0.2). This could be said that the adsorption capacity of microporous aerogels was greater than that of mesoporous aerogels. Furthermore, the improved absorption at a relatively high pressure (P/P0) range (impending 1.0) established the presence of larger mesopores. The pore size distribution obtained from the BJH method is also shown in Fig. 4c; the BJH model was used to calculate the mesopore size distribution using N2 adsorption data; the graph between the pore size and pore volume shows the highest peak at 29 nm, the most frequent diameter. Based on the Kelvin equation, the BJH model43 connects the adsorbed/desorbed volume changes at a given pressure to the pore radius that fills/empties at the same pressure. The pores are assumed to be cylindrical, with the Kelvin radius equal to the mesopore radius minus the thickness of the adsorbed layer./p> 0.95) for all the contaminants. Langmuir and Freundlich's models better fit the experimental data than the Temkin model isotherm, as shown in Table 2, but Langmuir fits the best. The Langmuir model had a higher correlation coefficient value for SMA (R2 > 0.99) than the Freundlich model (R2 > 0.96), for CV (R2 > 0.98) than the Freundlich model (R2 > 0.96) while for AG (R2 > 0.97) than the Freundlich model (R2 > 0.96) indicating that the Langmuir model provides a better explanation of the adsorption onto GO-SA aerogel. The RL separation factor, which is a dimensionless constant that expresses the important features of the Langmuir isotherm, was found to be between 0 and 1, indicating a favorable shape of the isotherm. Indicating the adsorption is favorable for the Langmuir model of the isotherm. The maximum capacity of monolayer exposure qmax was found to be 20.56 mg g−1, 41.46 mg g−1, and 67.07 mg g−1 for AG, CV, and SMA, respectively, at room temperature, From Table 2, it can be concluded that the adsorption capacity of GO-SA for dyes and antibiotics is exceptionally high, demonstrating a marked superiority over the performance of other adsorbents, as indicated in Table 3. This robust adsorption capability underscores the pressing need for developing and utilizing materials such as aerogels in water purification applications. The significance of GO-SA's outstanding adsorption capacity lies in its effectiveness, potential cost-effectiveness, and environmental sustainability. In a world grappling with water pollution challenges, GO-SA emerges as a promising solution. Its cost-effectiveness stems from several factors, including the relatively low production costs of graphene oxide (GO) and silica aerogels and the efficient adsorption properties of the composite material. This suggests that GO-SA could offer a more economical option for water purification, especially when compared to alternative adsorbents listed in Table 3 that may exhibit higher adsorption capacities but are likely to come with higher production costs and environmental concerns. Furthermore, the environmental sustainability of GO-SA adds to its appeal. Unlike some adsorbents, which may involve resource-intensive or environmentally detrimental production processes, GO-SA synthesis can align with eco-friendly principles. The combination of graphene oxide with silica aerogels generally involves less resource consumption and can be designed to be environmentally benign and easily scalable production. Therefore, GO-SA holds the potential to contribute positively to the sustainability goals of water purification processes. The physisorption was strongly enhanced for modified silica aerogel due to the supplemental presence of the graphene oxide./p> 85%, and in the continuous setup, it was found to be > 76%. Modifying and testing the process and setup to improve the removal percentage for using GO-SA on a large scale is ongoing. GO-SA aerogel can be used in real-life for a sustainable and eco-friendly environment. It can be used as a primary purification for wastewater from the textile industry. In this study, the modified aerogel has shown promising results for the removal of Acid Green 25 (AG), Crystal Violet (CV), and Sulfamethoxazole (SMA), along with other contaminants. This study indicates that GO-SA aerogel can be applied at real-field scales. Still, further work is needed to establish the technology as it shows a promising solution for the adsorption of the contaminants./p>
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