Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 16448 (2023) Citare questo articolo
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Gli inquinanti emergenti e un grande volume di coloranti inutilizzati provenienti dall’industria tessile hanno contaminato i corpi idrici. Questo lavoro introduce un approccio scalabile alla purificazione dell'acqua mediante l'adsorbimento di acido verde 25 (AG), cristalvioletto (CV) e sulfametossazolo (SMA) da una soluzione acquosa mediante aerogel di silice modificato drogato con ossido di grafene (GO) (GO-SA) con il metodo di deposizione di fluido supercritico (SFD). Caratterizzazione di GO-SA mediante diffrazione di raggi X (XRD), spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR), microscopia elettronica a scansione ad alta risoluzione (HR-SEM), analisi termogravimetrica (TGA) e Brunauer-Emmett-Teller (BET) le isoterme di adsorbimento hanno rivelato il miglioramento dell'area superficiale adsorbente e delle sue proprietà strutturali. Le elevate percentuali di rimozione osservate nella maggior parte delle prove sperimentali forniscono prova dell'eccellente prestazione dell'adsorbente nei confronti dei coloranti anionici e cationici insieme all'antibiotico. L'isoterma e la cinetica di adsorbimento hanno mostrato che l'isoterma di Langmuir e i modelli cinetici di pseudo-secondo ordine potrebbero spiegare l'adsorbimento. L'adsorbente ha una capacità di adsorbimento maggiore per SMA (67,07 mg g−1) rispetto a CV (41,46 mg g−1) e AG (20,56 mg g−1) a causa della maggiore idrofobicità che interagisce con l'adsorbente idrofobo. Il GO-SA ha rimosso con successo AG, CV e SMA con percentuali di rimozione rispettivamente del 98,23%, 98,71% e 94,46%. I parametri sono stati ottimizzati utilizzando Central Composite Design (RSM-CCD). L'aerogel preparato ha mostrato un'eccellente riutilizzabilità con un'efficienza di rimozione > 85% anche dopo 5 cicli. Questo studio mostra il potenziale dell'adsorbente GO-SA nel settore tessile e in altri tipi di depurazione delle acque reflue.
L’India possiede solo il 4% delle risorse idriche globali, che provengono principalmente da laghi, fiumi e stagni, mentre sostiene il 18% della popolazione mondiale. Inoltre, in quanto paese agricolo, l’India sta subendo una massiccia urbanizzazione, con una popolazione urbana in aumento dal 28% nel 2000 al 34,9% nel 20201. Nonostante un tasso medio di crescita del PIL del 6% e una crescente aspettativa di vita, i settori farmaceutico, automobilistico, chimico, l’industria petrolchimica e altre industrie manifatturiere si trovano ad affrontare una grave scarsità d’acqua2,3. I contaminanti emergenti nell'acqua, come prodotti chimici industriali, tessili, prodotti farmaceutici, rifiuti ospedalieri e pesticidi, rappresentano un pericolo significativo per la qualità dell'acqua4,5,6. Questi contaminanti danneggiano l’ecosistema e anche tracce di sostanze chimiche specifiche possono avere un impatto sostanziale7,8,9.
L’aumento della popolazione e dell’urbanizzazione ha portato ad una rapida domanda di coloranti sintetici e ad un’espansione dell’industria tessile10. Si stima che in tutto il mondo vengano prodotte ogni anno 7 × 105–1 × 106 tonnellate11,12 di coloranti utilizzati in vari settori quali quello tessile, della plastica, della tintura, della carta, della pasta di legno, delle fotografie a colori, dei cosmetici e di altri prodotti industriali13,14. 15,16. Tuttavia, la maggior parte di questi coloranti sintetici17 sono tossici e le acque reflue di questo settore devono essere trattate prima dello scarico nei corpi idrici per ridurre l'inquinamento idrico e preservare gli organismi viventi18. Lo scarico di quest'acqua contaminata costituisce un grave problema ambientale19. Circa il 40-50% dei coloranti viene scaricato come rifiuto durante il processo di tintura e circa il 15-20% viene scartato come acque reflue, che cambiano il colore dell'acqua e generano schiuma sulla superficie dei corpi idrici. Questa è un’altra grave minaccia per l’ambiente20. Inoltre, è noto che la maggior parte dei coloranti artificiali sono interferenti endocrini, mutageni e cancerogeni, che possono influire sulla salute di un'ampia gamma di organismi.
L’accumulo di coloranti organici nei corpi idrici può anche ostacolare la penetrazione della luce, che può ostacolare il naturale processo di decontaminazione e fotosintesi21. Vari metodi e combinazioni di trattamento vengono utilizzati per rimuovere coloranti organici dai corpi idrici, come filtrazione su membrana, coagulazione, flocculazione, ozonizzazione, ossidazione avanzata e processi biologici. Tuttavia, alcuni di questi metodi devono affrontare sfide significative, come elevati costi di capitale e grandi volumi di fanghi generati22.
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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