Protocollo di valutazione e bonifica di pesticidi organoclorurati e metalli pesanti selezionati nelle acque reflue industriali utilizzando nanoparticelle (NP) in Nigeria

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2170 (2023) Citare questo articolo

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La conoscenza limitata del livello di contaminanti nelle acque reflue industriali negli stati nigeriani, insieme alla sfida globale dell’approvvigionamento idrico, hanno costretto la nostra indagine ad analizzare e rimuovere i pesticidi organoclorurati (OCP) e i contenuti di metalli pesanti nelle acque reflue industriali. Campioni di acque reflue sono stati raccolti da 13 industrie in cinque stati della Nigeria. Il contenuto di OCP dei campioni è stato estratto, ripulito e analizzato mediante gascromatografia-spettrometria di massa. I risultati indicano che le concentrazioni medie degli OCP nei campioni di effluenti variavano da 1,76 ng L−1 (Dieldrin) a 0,89 ng L−1 (endrin). Cadmio (Cd), cromo (Cr) e piombo (Pb) sono stati valutati in tutti i campioni di acque effluenti. I risultati mostrano che le concentrazioni medie degli ioni di metalli pesanti nei campioni di effluenti variavano da 0,008 ± 0,003 mg L−1 (Cd) a 2,215 ± 0,841 mg L−1 (Pb). Per la rimozione dei contaminanti identificati, nanoparticelle di biomagnetite (BioMag), nanoparticelle di magnetite (MagNP), nanocompositi biomagnetite-CMC (BioMag-CMC) e nanocompositi magnetite-CMC (MagNPs-CMC) sono stati sintetizzati e caratterizzati utilizzando Braunauer-Emmett-Teller ( BET), spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR), diffrazione di raggi X (XRD) e microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HR-TEM). Questo studio dimostra il successo dell'applicazione di nanoparticelle (NP) e nanocompositi nella rimozione di OCP e ioni di metalli pesanti negli effluenti industriali. La valutazione di routine e la rimozione continua diventano importanti per raggiungere uno stato di ecosistema acquatico pulito e sano a causa dei rapidi progressi industriali e tecnologici.

L’inquinamento causato da OCP e metalli pesanti scaricati nei corpi idrici dalle industrie alimentare, conciaria, dei prodotti per la cura personale, del malto, tessile, dei pesticidi, della birra, minerario, delle vernici, del cemento, dei fertilizzanti e farmaceutica è in aumento e ha rappresentato un pericolo per i pozzi. dell'uomo e dell'ambiente1,2. È noto che i pesticidi organoclorurati (OCP) mantengono la loro tossicità nell'ambiente per lunghi periodi3. Nel frattempo, è stato segnalato che l’esposizione a lungo termine agli OCP e ai loro metaboliti causa conseguenze devastanti sulla salute, come disfunzioni del sistema riproduttivo, deterioramento neurologico, sistema immunitario disfunzionale, difetti congeniti e cancro4,5,6. D'altro canto, i metalli pesanti hanno dimostrato la capacità di provocare malattie come disturbi del sistema nervoso, cancro, danni agli organi e, in casi estremi, la morte7,8. Pertanto, è essenziale eliminare queste classi di contaminanti dalle acque reflue prima dello scarico. Per raggiungere questo obiettivo, sono state sviluppate tecniche di trattamento dell'acqua quali l'estrazione con solventi e i processi di scambio ionico9, la precipitazione chimica10, l'ossidazione o riduzione chimica11, la tecnologia a membrana12, la filtrazione13, il trattamento elettrochimico14, l'adsorbimento15,16,17,18, la separazione della schiuma19 e la fotocatalisi20,21. utilizzato per la bonifica delle acque contaminate. Tra le tecniche sopra menzionate, l'adsorbimento è economico, facile da usare ed efficace per il sequestro dei contaminanti. Per la rimozione di questi contaminanti sono stati utilizzati adsorbenti come setacci molecolari22, lolla di riso23, granito24 pino silvestre25, gel di silice26, argilla caolinitica27 e Al/SrTiO328, tra gli altri.

Nanomateriali, nanoparticelle e nanocompositi sono diventati un'area di ricerca scientifica in rapida crescita ed espansione grazie alle loro diverse applicazioni in molte aree di attività scientifica e tecnica. Le preoccupazioni ambientali hanno anche portato a un crescente interesse per la sintesi ecologica o biologica di nanoparticelle metalliche poiché il processo riduce l'uso di materie prime chimiche portando a un minore smaltimento e incidenza di sostanze chimiche nell'ambiente. Le nanoparticelle sono sostanze naturali o ingegnerizzate che hanno componenti strutturali le cui dimensioni sono inferiori a 100 nm in tre dimensioni29,30,31. Le nanoparticelle vengono utilizzate in diversi campi che includono la medicina e la somministrazione di farmaci, la bonifica ambientale, l'elettronica e la metallurgia32,33. Diversi lavori hanno riportato il successo della biosintesi delle nanoparticelle con estratti vegetali34,35,36,37. Nel frattempo, l’applicazione dei nanometalli nel processo di trattamento delle acque reflue è stata ampiamente valutata38,39,40,41,42. Un nanocomposito è un materiale composito realizzato combinando due o più fasi che contengono composizioni o strutture diverse con almeno una delle fasi nell'intervallo nanometrico43,44. I nanocompositi migliorano le proprietà macroscopiche dei prodotti risultanti, ma le proprietà dei nanocompositi sono una funzione delle proprietà dei singoli componenti. I nanocompositi di origine biologica sono realizzati con materiali biodegradabili o rinnovabili come la cellulosa45. Il Dalium guineense è una pianta legnosa della zona della foresta pluviale dell'Africa occidentale che può crescere fino a 10-20 m. I suoi nomi comuni includono Black Velvet Tarimand in inglese, Icheku in Igbo, Awin in Yoruba e Tamarinier noir in francese. L'albero maturo ha una corteccia di colore grigio, foglie verdi fitte e fiori biancastri che portano i frutti vellutati di colore nero che sono stagionali e popolari nell'Africa occidentale e sono una ricca fonte di vitamine46. La cellulosa è il polimero naturale più abbondante e sono stati realizzati numerosi tipi di nanomateriali di cellulosa modificati utilizzando metodi diversi47,48,49.

MagNPs-CMC (see Table 2). Meanwhile, the isotherms profile for BioMag-CMC and MagNPs-CMC exhibited a characteristic type-IV curve with a hysteresis loop within a relative pressure (P/P0) > 0.45 and > 0.9 (see Fig. 5). This could be credited to the fact that the capillary condensation and evaporation occurred at different pressure. To exhibit a type-IV isotherm profile shows that the material (BioMag-CMC and MagNPs-CMC) under investigation sustained mesoporous characteristics with a pore diameter in the range of 2–50 nm and this is in close agreement with the values obtained from TEM measurement. On the other hand, the pore diameter of BioMag-CMC and MagNPs-CMC was assessed by making use of the Barrett–Joyner–Halenda (BJH) theory (see Table 2)./p> 0.05) but the lowest concentrations were recorded in the TUWK and CTWA. On the other hand, a total P concentration of 0.32 ± 0.07 mg L−1 was recorded for SUWK while the highest significant (P < 0.05) concentration of 27.11 ± 3.84 mg L−1 was recorded for BTWR./p> TUKW > PTWK > MUWA > FTWR > TUWK > BTWR > FCTWE > CMTWM > PCUWA > CTWA > PUWA. All samples reported in this study were higher than WHO's RMC of 0.003 mg L−162. The high level of Cd in some of the samples was expected but estimating a high concentration of Cd in SUWK, MUWA, BTWR and PTK were not expected because these companies deal mainly with foods and drugs (see Table 5). Hence, it is imperative to identify and eliminate cadmium-leaching materials from the vicinity and processes of these industries. This hazardous metal ion commonly finds its way into the water bodies via fertilizer runoff from farmlands, waste batteries, paints, alloys, coal combustion, printing, pulp, refineries, steel smelting and electroplating industries63. Different sicknesses caused by medium and acute cadmium exposure include hypertension, renal damage, liver and kidney damage, lung inefficiency, initiation of cancer growth and calcium depletion in bones64,65. These concentrations were lower than the levels of Cd (0.065 ± 0.001 mg L−1) as reported by Bawa‑Allah66 and higher than the concentration of Cd (0.12 mg L−1) that was reported by Agoro67./p> SUWK > FCTWE > PUWA > FTWR > BTWR > PCUWA > PTK > TUWK > TUKW > PTWK > CTWA > CMTWM for the samples investigated. The highest level of Cr was recorded in sample CMTWM. Meanwhile, the concentration of Cr estimated for the 13 samples was noticed to be higher than the RMC of 0.01 mg L−1 and 0.015 mg L−1 as given by WHO and USEPA in surface water and effluent water, respectively. High exposure to Cr may lead to severe effects such as perforation of the nasal septum, asthma, bronchitis, pneumonitis, inflammation of the larynx and liver, and increased occurrence of bronchogenic carcinoma68,69. On the other hand, skin contact with chromium compounds have been associated with some skin problems, such as skin allergies, dermal necrosis, dermatitis, and dermal decay70. Hence, it is important to devise an effective means of eliminating this recalcitrant water contaminant./p> PUWA > PTK > MUWA > TUWK > PTWK > TUKW > PCUWA > FCTWE > FTWR > BTWR > CTWA > CMTWM. With the exception of SUWK, the concentrations of Pb in the samples were found to be higher than the RMC of 0.01 mg L−1 and 0.015 mg L−1 as given by WHO and USEPA in surface water and effluent water, respectively. The main route of Pb in wastewater is runoff from mining, leather tanning, metal processing and electroplating industries. Meanwhile, lead toxicity might pose a minor or major health challenge as it has been reported to cause learning and behavioural difficulty in children, malaise, loss of appetite, anaemia and organ failure71,72,73./p> Cr > Cd (see Table 5). The residual concentration of the contaminants was close to the RMC as given by WHO and USEPA after the sorbent-sorbate interaction. To further understand the effectiveness of the synthesised nanocomposites and nanoparticles, the uptake capacities of these materials were estimated and presented in Table S5 (see Supplementary information). The average uptake capacities of Biomag-CMC, Biomag, MagNPs and MagNPs-CMC, are 0.180 ± 0.015, 0.180 ± 0.016, 0.176 ± 0.016 and 0.173 ± 0.029, respectively. Hence, BioMag-CMC has demonstrated superior potential to sequester metal ions from industrial wastewater regardless of the interference from other analytes. The FTIR assessment of BioMag-CMC, BioMag, MagNPs and MagNPs-CMC revealed the presence of functional groups (–OH, –NH and C=O) that have the capacity to trap metal ions via ion exchange or electrostatic interactions./p> 68% after the fifth cycle./p>