Protocole d'évaluation et d'assainissement de pesticides organochlorés sélectionnés et de métaux lourds dans les eaux usées industrielles à l'aide de nanoparticules (NP) au Nigeria

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2170 (2023) Citer cet article

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Une connaissance limitée du niveau de contaminants dans les eaux usées industrielles des États nigérians ainsi que le défi mondial de l'approvisionnement en eau ont contraint notre enquête sur l'analyse et l'élimination des pesticides organochlorés (OCP) et des teneurs en métaux lourds dans les eaux usées industrielles. Des échantillons d'eaux usées ont été collectés dans 13 industries réparties dans cinq États du Nigeria. La teneur en OCP des échantillons a été extraite, nettoyée et analysée par chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse. Les résultats indiquent que les concentrations moyennes d'OCP dans les échantillons d'effluents variaient de 1,76 ng L−1 (Dieldrine) à 0,89 ng L−1 (endrine). Le cadmium (Cd), le chrome (Cr) et le plomb (Pb) ont été évalués dans tous les échantillons d'eaux usées. Les résultats montrent que les concentrations moyennes d'ions de métaux lourds dans les échantillons d'effluents variaient de 0,008 ± 0,003 mg L−1 (Cd) à 2,215 ± 0,841 mg L−1 (Pb). Pour l'élimination des contaminants identifiés, les nanoparticules de biomagnétite (BioMag), les nanoparticules de magnétite (MagNPs), le nanocomposite biomagnétite-CMC (BioMag-CMC) et le nanocomposite magnétite-CMC (MagNPs-CMC) ont été synthétisés et caractérisés à l'aide de Braunauer – Emmett – Teller ( BET), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), diffraction des rayons X (XRD) et microscopie électronique à transmission haute résolution (HR-TEM). Cette étude démontre l'application réussie des nanoparticules (NP) et des nanocomposites dans l'élimination des OCP et des ions de métaux lourds dans les effluents industriels. L'évaluation de routine et l'élimination continue deviennent importantes pour atteindre un état d'écosystème aquatique propre et sain grâce aux progrès industriels et technologiques rapides.

La pollution causée par les OCP et les métaux lourds rejetés dans les plans d'eau par les industries alimentaires, des tanneries, des produits de soins personnels, du maltage, du textile, des pesticides, des brasseries, des mines, de la peinture, du ciment, des engrais et des produits pharmaceutiques est en augmentation et constitue un danger pour les puits. l'être de l'homme et de l'environnement1,2. Les pesticides organochlorés (OCP) sont connus pour maintenir leur toxicité pendant une longue période dans l'environnement3. Parallèlement, il a été rapporté que l’exposition à long terme aux OCP et à leurs métabolites aurait des conséquences dévastatrices sur la santé, telles qu’un dysfonctionnement du système reproducteur, des troubles neurologiques, un dysfonctionnement du système immunitaire, des malformations congénitales et le cancer4,5,6. D’autre part, les métaux lourds ont démontré leur capacité à provoquer des maladies telles que des troubles du système nerveux, des cancers, des lésions d’organes et, dans des cas extrêmes, la mort7,8. Il est donc essentiel d’éliminer ces classes de contaminants de l’eau des eaux usées avant leur rejet. Pour y parvenir, des techniques de traitement de l’eau telles que l’extraction par solvant et les processus d’échange d’ions9, la précipitation chimique10, l’oxydation ou la réduction chimique11, la technologie membranaire12, la filtration13, le traitement électrochimique14, l’adsorption15,16,17,18, la séparation des mousses19 et la photocatalyse20,21 ont été utilisé pour l’assainissement des eaux contaminées. Parmi les techniques susmentionnées, l’adsorption est économique, conviviale et efficace pour la séquestration des contaminants. Des adsorbants tels que le tamis moléculaire22, la balle de riz23, le granit24 le pin sylvestre25, le gel de silice26, l'argile kaolinite27 et Al/SrTiO328, entre autres, ont été utilisés pour éliminer ces contaminants.

Les nanomatériaux, les nanoparticules et les nanocomposites sont devenus un domaine de recherche scientifique en pleine croissance et en expansion rapide en raison de leurs diverses applications dans de nombreux domaines scientifiques et techniques. Les préoccupations environnementales ont également conduit à un intérêt croissant pour la synthèse verte ou biologique de nanoparticules métalliques, car le processus réduit l'utilisation de matières premières chimiques, ce qui entraîne une diminution de l'élimination et de l'incidence des produits chimiques dans l'environnement. Les nanoparticules sont des substances naturelles ou artificielles qui comportent des composants structurels dont la taille est inférieure à 100 nm en trois dimensions29,30,31. Les nanoparticules sont utilisées dans divers domaines, notamment la médecine et l'administration de médicaments, l'assainissement de l'environnement, l'électronique et la métallurgie32,33. Plusieurs travaux ont rapporté une biosynthèse réussie de nanoparticules avec des extraits de plantes34,35,36,37. Parallèlement, l’application des nanométaux dans le processus de traitement des eaux usées a été largement évaluée38,39,40,41,42. Un nanocomposite est un matériau composite fabriqué en combinant deux ou plusieurs phases contenant des compositions ou des structures différentes avec au moins une des phases à l'échelle nanométrique43,44. Les nanocomposites améliorent les propriétés macroscopiques des produits résultants, mais les propriétés des nanocomposites dépendent des propriétés des composants individuels. Les nanocomposites d'origine biologique sont fabriqués à partir de matériaux biodégradables ou renouvelables comme la cellulose45. Dalium guineense est une plante ligneuse de la zone de forêt tropicale humide d'Afrique de l'Ouest qui peut atteindre 10 à 20 m. Ses noms communs incluent Black Velvet Tarimand en anglais, Icheku en Igbo, Awin en Yoruba et Tamarinier noir en français. L’arbre adulte a une écorce de couleur grise, des feuilles vertes denses et des fleurs blanchâtres qui portent les fruits veloutés de couleur noire, saisonniers et populaires en Afrique de l’Ouest et riches en vitamines46. La cellulose est le polymère naturel le plus abondant et de nombreux types de nanomatériaux cellulosiques modifiés ont été fabriqués à l'aide de différentes méthodes47,48,49.

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>

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