Charbon actif dérivé de la canne à sucre et modifié avec de la zéolite naturelle pour une adsorption efficace du colorant bleu de méthylène : approches expérimentales et théoriques

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18031 (2022) Citer cet article

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L'introduction du charbon actif/zéolite naturelle (AC/NZ) en tant que nanoadsorbant efficace et fiable pour améliorer l'adsorption du colorant bleu de méthylène (MB). En calcinant les déchets de canne à sucre à différentes températures comprises entre 500 et 900 °C, des charbons actifs (AC) sont formés. La XRD et le SEM ont été utilisés pour la caractérisation des adsorbants préparés. Des mesures d'adsorption pour l'élimination du colorant MB ont été effectuées sur l'impact du pH, de la concentration initiale de MB et du temps de contact. La capacité d'adsorption maximale de l'AC500/NZ pour le colorant MB à 25 °C, pH 7 et une masse d'AC500/NZ de 50 mg s'est avérée être d'environ 51 mg/g à une concentration initiale de 30 ppm. Le modèle cinétique de pseudo-second ordre et le modèle isotherme de Temkin décrivent le processus d'adsorption. Le modèle Temkin montre que l'énergie d'adsorption est de 1,0 kcal/mol, ce qui indique que le processus d'adsorption MB-AC500/NZ se produit physiquement. Nos études de simulation Monte Carlo (MC) ont étayé nos conclusions et ont montré que la force de dispersion de Van der Waals était responsable de l'adsorption physique de la molécule MB. L’adsorbant AC500/NZ est considéré comme un concurrent sérieux pour l’assainissement de l’eau.

En raison de l’industrialisation rapide, des quantités massives de déchets nocifs sont déversées chaque année dans le lac. La contamination de l’eau est considérée comme une menace majeure pour les humains et les autres formes de vie. Les colorants organiques sont rejetés dans l’eau par les industries du textile, de l’imprimerie, de l’alimentation et du cuir1. Ces colorants peuvent provoquer des problèmes de santé dangereux tels que le cancer, la dermatite et les allergies2,3. Puisque les colorants ne sont pas naturellement biodégradables, il est crucial de les éliminer des eaux usées. L'un des colorants courants, le bleu de méthylène (MB), est largement utilisé dans des applications cruciales dans les industries alimentaire, textile, cosmétique et pharmaceutique. La présence de MB dans l’eau augmente la demande en oxygène, ce qui affecte à son tour les animaux aquatiques. De nombreuses techniques ont été impliquées dans l'élimination des colorants, telles que l'adsorption, la photolyse, la dégradation par photo-Fenton et la photocatalyse2,4,5,6,7,8,9. Malheureusement, la plupart de ces techniques présentent des inconvénients importants tels qu'un coût opérationnel élevé, une longue durée, une faible efficacité, une production de boues et la formation de polluants secondaires. Parmi ces techniques, le processus d’adsorption est supérieur aux autres techniques en raison de son efficacité d’élimination élevée, de sa facilité de conception, de sa production minimale de déchets et de son faible besoin en énergie10,11. En outre, il peut être appliqué au traitement des colorants dans des solutions hautement concentrées. Développer des catalyseurs hétérogènes rentables et respectueux de l’environnement à haute efficacité constitue le principal défi pour les applications commerciales à grande échelle12.

Le charbon actif (AC) est un matériau carboné comme le graphite avec une structure irrégulière et imparfaite de carbone microcristallin. Le charbon actif a une structure poreuse qui augmente la surface et diminue la densité. L'AC est l'un des meilleurs adsorbants pour éliminer les traces de contaminants de l'air, du sol et de l'eau en raison de sa forte adsorption physique13. Cela résulte des avantages de l'AC tels que les propriétés poreuses, la stabilité chimique/thermique élevée, la surface spécifique unique, les groupes fonctionnels de surface et la nature physicochimique de l'AC14. Les charbons actifs sont préparés par des méthodes d'activation physique ou chimique. L’activation physique a été rapportée comme plus bénéfique en raison de sa plus grande surface, de ses rendements plus élevés et de sa structure poreuse très développée15. Les charbons actifs peuvent être produits à partir de différents déchets agricoles tels que la canne à sucre, la tourbe, le lignite, le bois et les coques de noix de coco. La bagasse de canne à sucre (SCB) est représentée comme une excellente biomasse pour la synthèse de l'AC en raison de sa disponibilité et de son faible coût. La bagasse de canne à sucre est produite à partir des industries du bioéthanol, du sucre, du polyéthylène et de l'éthanol16. La composition du SCB est composée de lignine (20 à 25 %), d'hémicelluloses (25 à 30 %) et de cellulose (40 à 50 %). L'élimination de grandes quantités de déchets de bagasse de canne à sucre est devenue une grande pollution environnementale et, par conséquent, un risque pour la santé dans cette région. En conséquence, la conversion du SCB en AC réduit les déchets agricoles tout en produisant un adsorbant utile à un prix raisonnable17.