Effet des acides humiques dissous et des acides humiques enrobés sur l'adsorption des tétracyclines par K2CO3

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18966 (2022) Citer cet article

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Les acides humiques (HA) sont largement présents dans l’environnement aquatique et ont un impact important sur l’adsorption des polluants. Ici, des HA (à la fois dissous et enrobés) ont été utilisés pour évaluer l'effet sur l'élimination du contaminant organique tétracycline (TC) par le biochar magnétique modifié K2CO3 (KMBC). Les résultats ont montré qu'une faible concentration d'HA dissous favorisait l'élimination du TC, probablement en raison d'un effet de pontage, tandis qu'une concentration plus élevée d'HA dissous inhibait l'adsorption du TC en raison de la compétition des sites d'adsorption sur KMBC. Par analyse de caractérisation, les HA enrobés ont modifié les caractéristiques de surface et de pores du KMBC, ce qui a supprimé l'élimination du TC. Dans une expérience d'adsorption séquentielle impliquant des HA et du TC dissous, l'ajout de HA à la fin de l'expérience a conduit à la formation de ligands HAs-TC avec du TC libre, ce qui a amélioré la capacité d'adsorption du TC. L'adsorption du TC par KMBC en présence d'HA dissous et d'HA enrobés a montré une tendance à la baisse avec une augmentation du pH de 5,0 à 10,0. Le processus d'adsorption du TC était favorable et endothermique et pourrait être mieux simulé par une cinétique de pseudo-second ordre et un modèle isotherme de Freundlich. On a émis l’hypothèse que les liaisons hydrogène et les interactions π – π seraient les mécanismes d’influence sous-jacents.

Le biochar (BC) est un matériau carboné poreux préparé par pyrolyse de la biomasse, telle que les résidus végétaux et les déchets animaux1,2. Il est considéré comme un adsorbant alternatif prometteur pour le traitement des eaux usées en raison de sa porosité élevée, de sa thermostabilité, de son faible coût et de son potentiel de recyclage3. Le biochar a montré une grande efficacité dans l’adsorption d’un large éventail de contaminants allant des métaux lourds aux polluants organiques4,5. Malgré ces avantages, l’utilisation efficace du biocharbon vierge dans l’assainissement de l’environnement peut encore être améliorée, en particulier en termes de capacité de séparation solide-liquide et d’adsorption, en raison de la rareté de leurs groupes fonctionnels de surface6.

L’introduction de nanoparticules magnétiques à la surface du biocharbon peut améliorer les propriétés de séparation solide-liquide, ce qui se produit toutefois au prix d’une capacité d’adsorption réduite en raison de l’occupation des sites d’adsorption par des nanoparticules magnétiques7. Pour contourner ce problème, une modification chimique de surface du biochar a été proposée, qui active le biochar pour des fonctions d'adsorption spécifiques8. À ce jour, divers types de réactifs chimiques ont été appliqués à l’activation de surface du biochar, tels que ZnCl2, MgCl2, KMnO4, H2SO4, H3PO4, KOH et K2CO39,10,11. Parmi ces réactifs, le K2CO3 n'est pas délétère pour la santé humaine et a été utilisé comme additif alimentaire. De plus, il a été démontré que la modification du biocharbon avec l’activation du K2CO3 améliore considérablement la surface, le volume des pores et l’aromaticité12. Par conséquent, K2CO3 est un agent d’activation de biochar hautement applicable.

Les nanocomposites à base de biocharbon ont été utilisés pour éliminer les polluants organiques, par exemple les antibiotiques13, les colorants14 et les pesticides15. En tant que classe typique de contaminants organiques, les antibiotiques sont fréquemment détectés dans les eaux de surface, les eaux souterraines et l’eau potable16. La surutilisation d’antibiotiques augmente le risque de résistance bactérienne aux médicaments, ce qui fait que les antibiotiques les plus courants ne sont plus capables de contrôler efficacement les maladies infectieuses. Des inquiétudes ont également été soulevées concernant les antibiotiques et les gènes de résistance aux antibiotiques (ARG), qui pourraient avoir un impact sur la structure et l'activité des populations microbiennes environnementales17. De plus, une fois que les ARG sont intégrés avec succès dans les éléments de transmission génique, ils peuvent persister et se transmettre même en l'absence de pression de sélection . Ainsi, l’élimination des contaminants antibiotiques revêt une importance pratique considérable, et le biocharbon et ses dérivés ont été validés à cette fin4,9,19,20,21.

Néanmoins, les polluants présents dans les environnements aquatiques réels ne sont pas isolés et d’autres substances affectent souvent l’élimination des polluants. Les acides humiques (HA), en tant que matière organique dissoute (DOM) omniprésente, sont constitués de nombreux groupes fonctionnels, notamment des groupes carboxyliques, phénoliques et aromatiques, qui peuvent moduler les interactions entre le biocharbon et les polluants. Par exemple, les HA peuvent altérer les propriétés physicochimiques du biocharbon, modifier leur réactivité de surface et affecter son comportement d'adsorption sur de multiples contaminants22. Dans la plupart des cas, l’adsorption des contaminants organiques dans l’eau par le biochar est fortement inhibée par les HA coexistants via le colmatage des pores et les sites d’adsorption compétitifs23. En revanche, certains rapports ont démontré que l’adsorption d’antibiotiques sur du biocharbon non modifié pourrait être améliorée en présence d’HA24. Cependant, il manque des recherches mécanistiques connexes sur l’effet des HA sur l’adsorption d’antibiotiques par le biocharbon modifié. De plus, il existe peu d’études sur l’effet des HA sur l’agrégation ou l’autooxydation des nanoparticules magnétiques, et le mécanisme associé n’est pas clair.