Metodă simplă de sinteză a nanoparticulelor de ferită de cobalt (CoFe2O4) în prezența bis (2-etil-hexil) sulfosuccinatului de sodiu și aplicarea în îndepărtarea coloranților din soluții apoase simple și binare
C.M. Simonescu, A. Tătăruş, D.C. Culiţă, N. Stănică, B. Butoi, A. Kuncser
Industrializarea rapidă și creșterea nevoilor societății umane a determinat intensificarea producției globale de produse care necesită colorare. Prin aceasta, a crescut atât producția de coloranți, cât și volumul de ape uzate care conțin coloranți. Coloranții sunt substanțe organice colorate, naturale sau sintetice, cu aplicații în următoarele ramuri industriale: textilă, constructoare de mașini, a mobilei, jucăriilor, medicamentelor, cosmeticelor, alimentară și pielăriei.
Efectele negative ale coloranților depind de persistența acestora în mediu, determinată de stabilitatea optică și termică mare a acestora, dar și de structura chimică, concentrația în care sunt evacuați, de timpul de expunere și de caracteristicile mediului receptor. În ecosistemele acvatice, coloranții consumă oxigenul dizolvat, absorb și reflectă lumina și influențează negativ fotosinteza și creșterea bacteriilor, precum și viața acvatică și lanțul trofic din aceste ecosisteme. Mulți dintre coloranți sunt toxici, mutageni și cancerigeni și provoacă alergii. Ca urmare, eliminarea și recuperarea coloranților din apă este o prioritate, deoarece chiar și concentrațiile scăzute pot provoca daune grave organismelor vii și mediului.
Roșu Congo (RC) și metiloranjul (MO) sunt coloranți azoici anionici sintetici solubili în apă și etanol, care sunt persistenți și greu biodegradabili. Biodegradabilitatea scăzută a RC și MO se datorează structurii lor moleculare complexe și prezenței grupării azo (N=N). Aceștia sunt utilizați pe scară largă în industria textilă, tipografie, lemn, hârtie, piele, plastic, farmaceutică și industria alimentară, în scopuri de diagnosticare și ca indicatori de pH în laboratoare de analize și cercetare.
S-au dezvoltat numeroase metode tradiționale pentru îndepărtarea coloranților din sisteme apoase și ape uzate, cum ar fi: coagularea și flocularea, adsorbția, oxidarea avansată, oxidarea electrochimică, degradarea fotocatalitică și procesele membranare. Ca metode neconvenționale de remediere a apelor uzate cu coloranți se pot menționa: biosorbţia, bioremedierea, procesele de adsorbție în prezența microundelor, degradarea sonocatalitică și adsorbția asistată de ultrasunete. Fiecare dintre aceste metode prezintă avantaje și dezavantaje și se aplică în funcție de caracteristicile apelor uzate care urmează a fi epurate.
Dintre metodele tradiționale de remediere a apelor uzate cu coloranți, cea mai des utilizată este adsorbția. Aceasta prezintă ca avantaje următoarele:
- mod de operare și întreținere simple;
- nu necesită echipamente speciale;
- se pot utiliza numeroși compuși naturali și de sinteză, dar și deșeuri industriale și deșeuri agricole ca adsorbanți;
- se pot remedia folosind acest proces atât ape uzate cu compuși anorganici, cât și ape uzate cu compuși organici;
- eficiența procesului este mare în condiții optime de operare;
- calitatea efluentului este superioară.
Având în vedere avantajele procesului de adsorbție, prin acest studiu de cercetare realizat de un grup de cercetători de la Universitatea Politehnica din București și colaboratori de la institute de cercetare de prestigiu, s-a propus utilizarea unei metode simple de sinteză a unui compus magnetic (ferita de cobalt – CoFe2O4), și anume precipitarea în mediu bazic în absența și în prezența unui surfactant (bis-(2-etil-hexil)-sulfosuccinat de sodiu – DOSS), în scopul îmbunătățirii capacității de adsorbție a coloranților RC și MO din soluții apoase simple și binare.
Probele de ferită de cobalt sintetizate prezintă morfologie sferică și dimensiuni care le încadrează în domeniul nanoparticulelor. S-au evidențiat anumite diferențe morfologice determinate de cantitățile diferite de surfactant folosite. Valorile mari ale magnetizării de saturație indică faptul că nanoparticulele sintetizate pot fi izolate rapid și eficient din soluție după adsorbție, folosind un câmp magnetic extern. Acest lucru reprezintă un avantaj, deoarece depășește limitele procedurilor standard de separare, cum ar fi sedimentarea și filtrarea. Efectul diferiților parametri, cum ar fi timpul de contact și pH-ul soluției asupra procesului de adsorbție, a fost investigat în experimente în regim discontinuu. S-a observat o creștere a capacității de adsorbție a probelor de CoFe2O4 cu creșterea cantității de surfactant utilizat în sinteză. Procesul de adsorbție a fost descris satisfăcător folosind modelul cinetic de pseudo-ordinul întâi și modelul izotermei Langmuir conform căruia adsorbția are loc în monostrat pe o suprafață omogenă.
În soluții binare s-a observat că prezența MO inhibă adsorbția RC, acest comportament fiind atribuit dimensiunii moleculelor de colorant și texturii adsorbantului. Pentru adsorbanții cu dimensiunea medie a porilor, cei doi coloranți au un comportament sinergic, iar pentru ceilalți adsorbanți cu dimensiunea medie a porilor mai mică, cei doi coloranți au un comportament antagonist. Etanolul a fost folosit ca agent de desorbție, constatându-se o scădere redusă a capacității de adsorbție după șase cicluri de adsorbție-desorbție. Probele de CoFe2O4 studiate în această cercetare pot fi considerate materiale promițătoare pentru îndepărtarea coloranților RC și MO din soluții apoase într-un mod rentabil și eficient.
