Chitosano di cerio (IV).

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13049 (2023) Citare questo articolo

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L'eccessiva presenza di ioni fosfato (V) nella biosfera è uno dei problemi più gravi che influenzano negativamente la biocenosi acquosa. Pertanto, la separazione dei fosfati (V) è considerata importante per lo sviluppo sostenibile. Nello studio presentato, un idrogel originale a base di chitosano modificato con cerio (IV) (Ce-CTS) è stato sviluppato utilizzando il metodo di coprecipitazione chimica e quindi utilizzato come adsorbente per la rimozione efficiente degli ioni fosfato (V) dalle loro soluzioni acquose . Dal punto di vista scientifico rappresenta un sistema fisico-chimico completamente nuovo. Si è riscontrato che la rimozione adsorbente degli anioni fosfato (V) da parte dell'adsorbente Ce-CTS superava l'efficienza del 98%, ovvero ca. 4 volte superiore rispetto all'idrogel a base di chitosano senza alcuna modifica (CTS non reticolato). Il miglior risultato della capacità di adsorbimento dei fosfati (V) sull'adsorbente Ce-CTS, pari a 71,6 mg/g, è stato il risultato dell'adsorbimento da una soluzione con una concentrazione iniziale di fosfati (V) di 9,76 mg/dm3 e pH 7, una dose adsorbente di 1 g/dm3, temperatura 20 °C. I dati di distribuzione interfase di equilibrio per l'adsorbente Ce-CTS e la soluzione acquosa di fosfati (V) concordavano con i modelli teorici di isoterma di adsorbimento di Redlich-Peterson e Hill. Dal punto di vista cinetico, il modello di pseudo-secondo ordine spiega al meglio il tasso di adsorbimento dei fosfati (V) per l'adsorbente Ce-CTS. L'effetto specifico della struttura porosa dell'adsorbente che influenza le resistenze diffusionali al trasferimento di massa è stato identificato utilizzando il modello cinetico di Weber-Morris. Lo studio termodinamico ha dimostrato che il processo era esotermico e l'adsorbimento avviene spontaneamente. La modifica del CTS con cerio (IV) ha comportato un miglioramento significativo delle proprietà del chitosano sia verso l'adsorbimento fisico (un aumento del punto di carica zero dell'adsorbente), sia verso l'adsorbimento chimico (attraverso la presenza di Ce (IV) che dimostra un'azione chimica affinità per gli anioni fosfato(V)). L'adsorbente altamente efficace elaborato e verificato sperimentalmente può essere applicato con successo per assorbire i fosfati (V) dai sistemi acquosi. L'adsorbente Ce-CTS è stabile nelle condizioni del processo di adsorbimento, non sono stati osservati cambiamenti nella struttura dell'adsorbente o lisciviazione del materiale di riempimento inorganico.

Il fosforo è un elemento di grande importanza biologica e industriale. È uno degli elementi necessari per la corretta crescita e lo sviluppo di piante e animali. Inoltre, è comunemente utilizzato anche nella produzione di fertilizzanti minerali e mangimi. Pur essendo un elemento essenziale per la vita e il buon funzionamento degli organismi, in eccesso può contribuire svantaggiosamente al notevole deterioramento dell'ambiente naturale. Lo scarico dei rifiuti industriali e delle acque reflue, nonché degli eluati dai terreni agricoli alle acque superficiali e sotterranee, causa numerosi problemi ambientali responsabili dell’eccesso locale di azoto e fosforo nella biosfera. La caratteristica e la conseguenza più visibile dell'eccessiva concentrazione di nutrienti locali nelle acque superficiali è il fenomeno dell'eutrofizzazione, cioè il processo di sviluppo eccessivo e troppo rapido delle piante acquatiche che sconvolge il naturale equilibrio biologico dell'acqua, portando così al suo deterioramento sistematico. A causa della solubilità relativamente bassa dei composti solidi del fosforo presenti in natura, il suo ciclo biogeochimico differisce dai cicli tipici di altri elementi. Il fosforo circola nell'ambiente naturale principalmente tra l'idrosfera e la geosfera, dove partecipa a una serie di trasformazioni chimiche e di fase legate alla dissoluzione e alle precipitazioni1,2.

L'acqua in cui la concentrazione di fosforo è superiore a 0,1 mg/dm3 è classificata come sensibile all'eutrofizzazione3. Tuttavia, la concentrazione di fosforo nei serbatoi idrici situati nelle aree urbanizzate supera significativamente 0,2 mg/dm34. Questo è strettamente correlato alla concentrazione media di fosforo totale nelle acque reflue municipali: 6,0 mg/dm3. 5. Il fosforo in forme disciolte, come solidi sospesi e come colloidi, si presenta nei sistemi acquosi sotto forma di ortofosfati, pirofosfati e fosforo legato organicamente, quindi la concentrazione totale di fosforo è rappresentata dalla somma del contenuto di queste tre forme di fosforo. Il gruppo più numeroso è rappresentato dai fosfati (ortofosfati). Questi possono essere identificati principalmente come diverse forme ioniche, a seconda del pH dell'ambiente. Per pH inferiori a 6 predominano gli ioni H2PO4-, a pH superiore a 6 sono presenti principalmente ioni HPO42-, mentre per pH superiori a 9 dominano gli ioni PO43-. I polifosfati più comuni nell'acqua e nelle acque reflue sono pirofosfati, tripolifosfati e metafosfati, mentre i fosfati organici più comuni sono fosfolipidi, fosforammidi, nucleotidi e fosfati di zucchero6.

1 indicate unfavourable conditions for the potential adsorption process. In the discussed case, the calculated value of the RL parameter = 0.0259 < 1 (for the highest experimentally tested initial concentration of adsorbate in the solution—500 mg/dm3), which can be interpreted as theoretically confirmed and observed, practically favourable conditions for adsorption phenomena in the analysed system. It can be assumed, that the presence of cerium dioxide has a certain effect on the formation of the structure of the chitosan network and its intrinsic morphology, influencing the formation of the beneficial structure of the adsorption surface. Neither clusters nor agglomerates of cerium(IV) or phosphate(V) compounds present on the postprocessed adsorbent were observed in the SEM images. However, this indicates that these are uniformly distributed throughout the hydrogel volume, affecting this way the homogeneity of the structure of the adsorption surface (Fig. 3A–C). The RL value, which is relatively close to zero, also indicates a process-favourable irreversibility of adsorption phenomena under the analysed process conditions./p> 1, and the irreversibility of the process in the case of 1/n = 1. The obtained value 1/n = 0.261 confirms the technologically favourable tested system with regard to the new adsorbent structure and the aqueous solution of phosphates(V). In particular, a more accurate analysis taking directly into account the value of n indicates, that for n = 2–10 good adsorption conditions are observed, for n = 1–2 moderately difficult, while n below 1 indicates low adsorption possibilities. For the analysed case the value of n = 3.826 confirms good physicochemical conditions in the system for the course of the adsorption process. Favourable physicochemical conditions are especially related to the amorphous structure of the hydrogel mentioned above, confirmed by XRD analysis results (Fig. S2) and the incorporation of the CeO2 phase into this amorphous structure, which is characterized by a very well-developed specific surface and active centres focused on anions adsorption, due to positive charge of the surface in the expected pH range. Thus, a technologically convenient composite system was obtained, represented by the support (hydrogel), which enables the beneficial and stable development of the active surface represented by the adsorption-active CeO2 crystalline phase, actively counteracting the potential adverse phenomena of its aggregation or agglomeration–which could lead to an unfavourable decrease in the area of interfacial contact with the purified aqueous solution of phosphates(V)./p> 1. The following values of the isotherm model (Eq. (12)) parameters were calculated for the analysed system using non-linear regression: qH = 52.666 (mg/g)(dm3/mg)nH, nH = 0.511, KH = 6.783 (mg/dm3)nH (R2 = 0.981). The value of nH = 0.511 < 1, corresponding to the analysed equilibrium experimental data, indicates thus that adsorption in the studied case is a non-cooperative process./p>

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