Carbone attivo derivato dalla canna da zucchero e modificato con zeolite naturale per un efficiente assorbimento del colorante blu di metilene: approcci sperimentali e teorici

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 18031 (2022) Citare questo articolo

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L'introduzione del carbone attivo/zeolite naturale (AC/NZ) come nanoadsorbente efficiente e affidabile per migliorare l'adsorbimento del colorante blu di metilene (MB). Calcinando i rifiuti della canna da zucchero a varie temperature comprese tra 500 e 900 °C, si formano carboni attivi (AC). Sia XRD che SEM sono stati utilizzati per la caratterizzazione degli adsorbenti preparati. Sono state effettuate misurazioni di adsorbimento per la rimozione del colorante MB sull'impatto del pH, della concentrazione iniziale di MB e del tempo di contatto. La capacità massima di adsorbimento dell'AC500/NZ per il colorante MB a 25 °C, pH 7 e una massa AC500/NZ di 50 mg è risultata essere di circa 51 mg/g a una concentrazione iniziale di 30 ppm. Il modello cinetico di pseudo-secondo ordine e il modello isotermo di Temkin descrivono il processo di adsorbimento. Il modello Temkin mostra che l'energia di adsorbimento è 1,0 kcal/mol, indicando che il processo di adsorbimento da MB a AC500/NZ avviene fisicamente. I nostri studi di simulazione Monte Carlo (MC) hanno supportato i nostri risultati e hanno dimostrato che la forza di dispersione di Van der Waals era responsabile dell'adsorbimento fisico della molecola MB. Si ritiene che l'adsorbente AC500/NZ sia un forte contendente per la bonifica delle acque.

A causa della rapida industrializzazione, ogni anno enormi quantità di rifiuti nocivi vengono scaricate nel lago. La contaminazione dell’acqua è considerata una grave minaccia per l’uomo e altre forme di vita. I coloranti organici vengono rilasciati nell'acqua dalle industrie tessile, tipografica, alimentare e della pelle1. Questi coloranti possono causare pericolosi problemi di salute come cancro, dermatiti e allergie2,3. Poiché i coloranti non sono naturalmente biodegradabili, è fondamentale rimuoverli dalle acque reflue. Uno dei coloranti più comuni, il blu di metilene (MB), è ampiamente utilizzato in applicazioni cruciali nell'industria alimentare, tessile, cosmetica e farmaceutica. La presenza di MB nell'acqua aumenta la richiesta di ossigeno che a sua volta colpisce gli animali acquatici. Molte tecniche sono state coinvolte nella rimozione del colorante come adsorbimento, fotolisi, degradazione foto-Fenton e anche fotocatalisi2,4,5,6,7,8,9. Sfortunatamente, la maggior parte di queste tecniche presenta notevoli inconvenienti quali costi operativi elevati, tempi lunghi, bassa efficienza, produzione di fanghi e formazione di inquinanti secondari. Tra queste tecniche, il processo di adsorbimento è superiore alle altre tecniche grazie alla sua elevata efficienza di rimozione, facilità di progettazione, produzione minima di rifiuti e basso fabbisogno energetico10,11. Inoltre, può essere applicato nel trattamento dei coloranti in soluzioni altamente concentrate. Lo sviluppo di catalizzatori eterogenei economicamente vantaggiosi ed ecologici è la sfida principale per le applicazioni commerciali su larga scala12.

Il carbone attivo (AC) è un materiale di carbonio come la grafite con una struttura di disposizione irregolare e imperfetta del carbonio microcristallino. Il carbone attivo ha una struttura porosa che aumenta l'area superficiale e diminuisce la densità. L'AC è uno dei migliori adsorbenti per rimuovere tracce di contaminanti dall'aria, dal suolo e dall'acqua grazie al suo forte adsorbimento fisico13. Ciò deriva dai vantaggi dell'AC quali proprietà porose, elevata stabilità chimica/termica, area superficiale unica, gruppi funzionali superficiali e natura fisico-chimica dell'AC14. I carboni attivi vengono preparati attraverso metodi di attivazione fisica o chimica. L'attivazione fisica è stata segnalata come più vantaggiosa grazie alla sua area superficiale più ampia, alle rese più elevate e alla struttura porosa altamente sviluppata15. I carboni attivi possono essere prodotti da diversi rifiuti agricoli come canna da zucchero, torba, lignite, legno e gusci di cocco. La bagassa di canna da zucchero (SCB) è rappresentata come biomassa eccellente per la sintesi di AC grazie alla sua disponibilità e al basso costo. La bagassa di canna da zucchero è prodotta dalle industrie del bioetanolo, dello zucchero, del polietilene e dell'etanolo16. La composizione di SCB riguarda lignina (20–25%), emicellulose (25–30%) e cellulosa (40–50%). Lo smaltimento di grandi quantità di rifiuti di bagassa di canna da zucchero è diventato un grande inquinamento ambientale e, di conseguenza, un pericolo per la salute in quella regione. Di conseguenza, la conversione di SCB in AC riduce i rifiuti agricoli producendo allo stesso tempo un utile adsorbente a un prezzo ragionevole17.