Протокол оценки и восстановления отдельных хлорорганических пестицидов и тяжелых металлов в промышленных сточных водах с использованием наночастиц (НЧ) в Нигерии

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2170 (2023) Цитировать эту статью

865 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Ограниченные знания об уровне загрязнения промышленных сточных вод в штатах Нигерии, а также глобальная проблема водоснабжения вынудили нас провести исследование по анализу и удалению хлорорганических пестицидов (ХОП) и содержания тяжелых металлов в промышленных сточных водах. Пробы сточных вод были собраны на 13 предприятиях в пяти штатах Нигерии. Содержание ХОП в пробах было извлечено, очищено и проанализировано с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии. Результаты показывают, что средние концентрации ХОП в пробах сточных вод варьировались от 1,76 нг/л (дильдрин) до 0,89 нг/л (эндрин). Во всех пробах сточных вод определяли содержание кадмия (Cd), хрома (Cr) и свинца (Pb). Результаты показывают, что средние концентрации ионов тяжелых металлов в пробах сточных вод варьировались от 0,008 ± 0,003 мг л-1 (Cd) до 2,215 ± 0,841 мг л-1 (Pb). Для удаления выявленных загрязнений были синтезированы и охарактеризованы с помощью метода Браунауэра-Эммета-Теллера наночастицы биомагнетита (BioMag), наночастицы магнетита (MagNPs), нанокомпозит биомагнетит-КМЦ (БиоМаг-КМЦ) и нанокомпозит магнетит-КМЦ (MagNPs-КМЦ) ( BET), инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR), рентгеновская дифракция (XRD) и просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (HR-TEM). Это исследование демонстрирует успешное применение наночастиц (НЧ) и нанокомпозитов для удаления ХОП и ионов тяжелых металлов из промышленных сточных вод. Регулярная оценка и постоянное удаление становятся важными для достижения состояния чистой и здоровой водной экосистемы в связи с быстрым промышленным и технологическим прогрессом.

Загрязнение, вызванное ХОП и тяжелыми металлами, сбрасываемыми в водоемы пищевой, кожевенной, химической, солодовой, текстильной, пестицидной, пивоваренной, горнодобывающей, лакокрасочной, цементной, минеральной и фармацевтической промышленности, растет и представляет опасность для благосостояния. бытие человека и окружающей среды1,2. Известно, что хлорорганические пестициды (ХОП) сохраняют свою токсичность в окружающей среде в течение длительного периода3. Между тем, сообщается, что длительное воздействие ХОП и их метаболитов приводит к разрушительным последствиям для здоровья, таким как дисфункция репродуктивной системы, неврологические нарушения, дисфункция иммунной системы, врожденные дефекты и рак4,5,6. С другой стороны, тяжелые металлы продемонстрировали способность вызывать такие заболевания, как расстройства нервной системы, рак, повреждение органов и, в крайних случаях, смерть7,8. Следовательно, крайне важно удалить эти классы загрязнителей воды из сточных вод перед их сбросом. Для достижения этой цели были использованы такие методы очистки воды, как экстракция растворителем и процессы ионного обмена9, химическое осаждение10, химическое окисление или восстановление11, мембранная технология12, фильтрация13, электрохимическая обработка14, адсорбция15,16,17,18, разделение пены19 и фотокатализ20,21. используется для очистки загрязненной воды. Среди вышеупомянутых методов адсорбция является экономичной, удобной для пользователя и эффективной для улавливания загрязнений. Для удаления этих загрязнений использовались такие адсорбенты, как молекулярное сито22, рисовая шелуха23, гранит24, сосна обыкновенная25, силикагель26, каолинитовая глина27 и Al/SrTiO328.

Наноматериалы, наночастицы и нанокомпозиты стали быстрорастущей и быстро расширяющейся областью научных исследований благодаря их разнообразному применению во многих областях научной и технической деятельности. Экологические проблемы также привели к растущему интересу к «зеленому» или биологическому синтезу наночастиц металлов, поскольку этот процесс сокращает использование химического сырья, что приводит к снижению утилизации и попадания химических веществ в окружающую среду. Наночастицы — это природные или искусственные вещества, структурные компоненты которых имеют размеры менее 100 нм в трех измерениях29,30,31. Наночастицы используются в различных областях, включая медицину и доставку лекарств, восстановление окружающей среды, электронику и металлургию32,33. В нескольких работах сообщается об успешном биосинтезе наночастиц с растительными экстрактами34,35,36,37. Между тем, применение нанометаллов в процессе очистки сточных вод получило широкую оценку38,39,40,41,42. Нанокомпозит — это композиционный материал, изготовленный путем объединения двух или более фаз, которые содержат разные составы или структуры, по крайней мере, с одной из фаз в нанодиапазоне43,44. Нанокомпозиты улучшают макроскопические свойства получаемых продуктов, но свойства нанокомпозитов зависят от свойств отдельных компонентов. Нанокомпозиты на биологической основе изготавливаются из биоразлагаемых или возобновляемых материалов, таких как целлюлоза45. Dalium guineense — древесное растение тропической лесной зоны Западной Африки, которое может достигать высоты от 10 до 20 м. Его общие названия включают Black Velvet Tarimand на английском языке, Icheku на языке игбо, Awin на языке йоруба и Tamarinier noir на французском языке. Взрослое дерево имеет серую кору, плотные зеленые листья и беловатые цветы, на которых растут бархатистые черные плоды, сезонные и популярные в Западной Африке, которые являются богатым источником витаминов46. Целлюлоза является наиболее распространенным природным полимером, и с использованием различных методов были изготовлены многочисленные типы модифицированных целлюлозных наноматериалов47,48,49.

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>