Effetto degli acidi umici disciolti e degli acidi umici rivestiti sull'adsorbimento della tetraciclina da parte di K2CO3

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 18966 (2022) Citare questo articolo

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Gli acidi umici (HA) sono ampiamente presenti nell'ambiente acquatico e hanno un impatto importante sull'adsorbimento degli inquinanti. In questo caso, gli HA (sia disciolti che rivestiti) sono stati impiegati per valutare l'effetto sulla rimozione del contaminante organico tetraciclina (TC) da parte del biochar magnetico modificato K2CO3 (KMBC). I risultati hanno mostrato che una bassa concentrazione di HA disciolti ha promosso la rimozione di TC, probabilmente a causa di un effetto ponte, mentre una maggiore concentrazione di HA disciolti ha inibito l’adsorbimento di TC a causa della competizione dei siti di adsorbimento su KMBC. Mediante l'analisi di caratterizzazione, gli HA rivestiti hanno modificato le caratteristiche della superficie e dei pori del KMBC, sopprimendo la rimozione del TC. In un esperimento di adsorbimento sequenziale che coinvolge HA disciolti e TC, l'aggiunta di HA alla fine dell'esperimento ha portato alla formazione di ligandi HA-TC con TC libero, che ha migliorato la capacità di adsorbimento di TC. L'adsorbimento di TC da parte di KMBC in presenza di HA disciolti e HA rivestiti ha mostrato una tendenza al ribasso con un aumento del pH da 5,0 a 10,0. Il processo di adsorbimento del TC era favorevole ed endotermico e poteva essere meglio simulato mediante la cinetica di pseudo-secondo ordine e il modello isotermico di Freundlich. Si ipotizza che i legami idrogeno e le interazioni π–π siano i meccanismi di influenza sottostanti.

Il biochar (BC) è un materiale di carbonio poroso preparato mediante pirolisi della biomassa, come residui vegetali e rifiuti animali1,2. È considerato un promettente adsorbente alternativo per il trattamento delle acque reflue grazie all'elevata porosità, termostabilità, basso costo e potenziale di riciclaggio3. Il biochar ha dimostrato un'elevata efficienza nell'adsorbimento di un'ampia gamma di contaminanti che vanno dai metalli pesanti agli inquinanti organici4,5. Nonostante questi vantaggi, l’utilizzo efficace del biochar puro nella bonifica ambientale può ancora essere migliorato, soprattutto nella separazione solido-liquido e nella capacità di adsorbimento, a causa della scarsità dei loro gruppi funzionali superficiali6.

L’introduzione di nanoparticelle magnetiche sulla superficie del biochar può produrre proprietà di separazione solido-liquido migliorate, che, tuttavia, avviene a scapito di una ridotta capacità di adsorbimento a causa dell’occupazione dei siti di adsorbimento da parte di nanoparticelle magnetiche7. Per aggirare questo problema, è stata proposta la modifica chimica superficiale del biochar, che attiva il biochar per specifiche funzioni di adsorbimento8. Ad oggi, vari tipi di reagenti chimici sono stati applicati all'attivazione superficiale del biochar, come ZnCl2, MgCl2, KMnO4, H2SO4, H3PO4, KOH e K2CO39,10,11. Tra questi reagenti, il K2CO3 non è dannoso per la salute umana ed è stato utilizzato come additivo alimentare. Inoltre, è stato dimostrato che la modifica del biochar con l’attivazione di K2CO3 migliora significativamente l’area superficiale, il volume dei pori e l’aromaticità12. Pertanto, K2CO3 è un agente di attivazione del biochar altamente applicabile.

I nanocompositi a base di biochar sono stati utilizzati per la rimozione di inquinanti organici, ad esempio antibiotici13, coloranti14 e pesticidi15. Essendo una tipica classe di contaminanti organici, gli antibiotici vengono spesso rilevati nelle acque superficiali, sotterranee e potabili16. L’uso eccessivo di antibiotici aumenta il rischio di resistenza batterica ai farmaci, con il risultato che gli antibiotici più comuni non sono più in grado di controllare efficacemente le malattie infettive. Sono state sollevate preoccupazioni anche sugli antibiotici e sui geni di resistenza agli antibiotici (ARG), che potrebbero avere un impatto sulla struttura e sull'attività delle popolazioni microbiche ambientali17. Inoltre, una volta che gli ARG sono integrati con successo negli elementi di trasmissione genetica, possono persistere e trasmettersi anche in assenza di pressione selettiva17,18. Pertanto, la rimozione dei contaminanti antibiotici è di significativa importanza pratica e il biochar e i suoi derivati ​​sono stati validati per questo scopo4,9,19,20,21.

Tuttavia, gli inquinanti negli ambienti acquatici reali non sono isolati e altre sostanze spesso influenzano la rimozione degli inquinanti. Gli acidi umici (HA), in quanto materia organica disciolta (DOM) ubiquitaria, sono costituiti da numerosi gruppi funzionali tra cui gruppi carbossilici, fenolici e aromatici, che possono modulare le interazioni tra biochar e inquinanti. Ad esempio, gli HA possono alterare le proprietà fisico-chimiche del biochar, cambiare la loro reattività superficiale e influenzare il suo comportamento di adsorbimento nei confronti di molteplici contaminanti22. Nella maggior parte dei casi, l’adsorbimento dei contaminanti organici nell’acqua da parte del biochar è fortemente inibito dagli HA coesistenti attraverso l’ostruzione dei pori e siti di adsorbimento competitivi23. Al contrario, ci sono stati alcuni rapporti che dimostrano che l’adsorbimento degli antibiotici sul biochar non modificato potrebbe essere migliorato in presenza di HA24. Tuttavia, mancano ricerche relative ai meccanismi dell’effetto degli HA sull’adsorbimento degli antibiotici da parte del biochar modificato. Inoltre, esistono pochi studi sugli effetti degli HA sull’aggregazione o sull’autoossidazione delle nanoparticelle magnetiche e il relativo meccanismo non è chiaro.