Chitosane cérium(IV)

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13049 (2023) Citer cet article

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La présence excessive d’ions phosphate (V) dans la biosphère est l’un des problèmes les plus graves affectant négativement la biocénose aqueuse. Ainsi, la séparation des phosphates(V) est considérée comme importante pour le développement durable. Dans l'étude présentée, un hydrogel original à base de chitosane modifié au cérium (IV) (Ce-CTS) a été développé en utilisant la méthode de co-précipitation chimique, puis utilisé comme adsorbant pour éliminer efficacement les ions phosphate (V) de leurs solutions aqueuses. . Du point de vue scientifique, il s’agit d’un système physico-chimique totalement nouveau. Il a été constaté que l'élimination par adsorption des anions phosphate (V) par l'adsorbant Ce-CTS dépassait une efficacité de 98 %, soit environ 1 000 %. 4 fois supérieur à l'hydrogel à base de chitosane sans aucune modification (CTS non réticulé). Le meilleur résultat de la capacité d'adsorption des phosphates(V) sur l'adsorbant Ce-CTS, égal à 71,6 mg/g, résulte de l'adsorption d'une solution avec une concentration initiale en phosphate(V) de 9,76 mg/dm3 et un pH de 7, une dose d'adsorbant de 1 g/dm3, température 20 °C. Les données de distribution interphase à l'équilibre pour l'adsorbant Ce-CTS et la solution aqueuse de phosphates (V) concordaient avec les modèles théoriques d'isotherme d'adsorption de Redlich-Peterson et Hill. Du point de vue cinétique, le modèle de pseudo-second ordre explique le mieux le taux d’adsorption des phosphates (V) pour l’adsorbant Ce-CTS. L'effet spécifique de la structure poreuse de l'adsorbant influençant les résistances au transfert de masse diffusionnel a été identifié à l'aide du modèle cinétique de Weber-Morris. L'étude thermodynamique a montré que le processus était exothermique et que l'adsorption s'effectuait spontanément. La modification du CTS avec du cérium (IV) a entraîné une amélioration significative des propriétés du chitosane vers l'adsorption physique (une augmentation du point de charge nulle de l'adsorbant) et l'adsorption chimique (par la présence de Ce (IV) qui démontre un effet chimique affinité pour les anions phosphate(V). L'adsorbant hautement efficace élaboré et vérifié expérimentalement peut être appliqué avec succès à l'absorption des phosphates (V) à partir de systèmes aqueux. L'adsorbant Ce-CTS est stable dans les conditions du processus d'adsorption, aucun changement dans la structure de l'adsorbant ni lessivage du remplissage inorganique n'a été observé.

Le phosphore est un élément d’une grande importance biologique et industrielle. C’est l’un des éléments nécessaires à la bonne croissance et au bon développement des plantes et des animaux. De plus, il est également couramment utilisé dans la production d’engrais minéraux et d’aliments pour animaux. Bien qu’il s’agisse d’un élément essentiel à la vie et au bon fonctionnement des organismes, son excès peut contribuer de manière désavantageuse à la détérioration importante du milieu naturel. Le rejet des déchets industriels et des eaux usées, ainsi que des éluats des terres agricoles vers les eaux de surface et souterraines, provoque de nombreux problèmes environnementaux responsables d'un excès local d'azote et de phosphore dans la biosphère. La caractéristique et la conséquence la plus visible d'une concentration locale excessive de nutriments dans les eaux de surface est le phénomène d'eutrophisation, c'est-à-dire le processus de développement excessif et trop rapide des plantes aquatiques perturbant le bio-équilibre naturel du milieu aquatique, conduisant ainsi à sa détérioration systématique. En raison de la solubilité relativement faible des composés du phosphore solide d’origine naturelle, son cycle biogéochimique diffère des cycles typiques des autres éléments. Le phosphore circule dans le milieu naturel principalement entre l'hydrosphère et la géosphère, où il participe à une série de transformations chimiques et de phase liées à la dissolution et aux précipitations1,2.

Les eaux dont la concentration en phosphore est supérieure à 0,1 mg/dm3 sont classées comme sensibles à l'eutrophisation3. Cependant, la concentration de phosphore dans les réservoirs d’eau situés dans les zones urbanisées dépasse largement 0,2 mg/dm34. Ceci est étroitement lié à la concentration moyenne de phosphore total dans les eaux usées municipales – 6,0 mg/dm3. 5. Le phosphore sous forme dissoute, sous forme de matières en suspension et de colloïdes, est présent dans les systèmes aqueux sous forme d'orthophosphates, de pyrophosphates et de phosphore lié organiquement, donc La concentration totale en phosphore est représentée par la somme de ces trois formes de phosphore. Le groupe le plus important est représenté par les phosphates (orthophosphates). Ceux-ci peuvent être identifiés principalement sous différentes formes ioniques, en fonction du pH de l’environnement. Pour un pH inférieur à 6, les ions H2PO4- prédominent, à un pH supérieur à 6 les ions HPO42- sont principalement présents, tandis que pour un pH supérieur à 9, les ions PO43- dominent. Les polyphosphates les plus courants dans l’eau et les eaux usées sont les pyrophosphates, les tripolyphosphates et les métaphosphates, tandis que les phosphates organiques les plus courants sont les phospholipides, les phosphoramides, les nucléotides et les phosphates de sucre6.