Synergistic Enhancement of Coagulation and Settling in Congo Red Synthetic Wastewater Treatment Using Magnetic Coagulation: Combination of Polyaluminium Chloride, Pectin, and Iron Oxide Nanoparticles

La pollution de l'eau est un défi mondial persistant, mais peu de contaminants sont aussi visuellement frappants et chimiquement tenaces que le colorant rouge connu sous le nom de Rouge de Congo. Utilisé de manière extensive dans l'industrie textile, ce colorant synthétique résiste à la décomposition naturelle, stagnant dans les cours d'eau où il bloque la lumière du soleil et nuit à la vie aquatique. Pour nettoyer une telle eau, les ingénieurs s'appuient souvent sur un processus appelé coagulation, qui agit comme un aimant pour la saleté, attirant les minuscules particules en suspension pour les regrouper en amas plus gros qui peuvent ainsi couler au fond. Cependant, les méthodes traditionnelles utilisant des coagulants chimiques laissent souvent derrière elles des métaux résiduels, créent des boues toxiques et souffrent d'une vitesse de décantation lente qui rend le processus inefficace. La recherche d'une solution plus propre et plus rapide a conduit les chercheurs à explorer une combinaison de polymères végétaux naturels et de nanoparticules magnétiques, visant à accélérer le nettoyage sans les inconvénients environnementaux des anciennes techniques.

Dans une étude récente, des chercheurs de l'Université catholique de Parahyangan ont étudié un système en trois parties conçu pour s'attaquer à ce problème spécifique. Ils ont commencé par un coagulant chimique standard appelé polychlorure d'aluminium, qui neutralise les charges électriques des particules de teinture, permettant ainsi à celles-ci de coller ensemble. Pour améliorer ce processus, ils ont ajouté de la pectine, une substance naturelle présente dans les écorces de fruits qui agit comme un pont, reliant les petits amas en structures plus grandes et plus lourdes. Enfin, ils ont introduit des nanoparticules d'oxyde de fer, de minuscules particules magnétiques qui servent de germes autour desquels les amas peuvent croître. L'objectif était de voir si la combinaison de ces trois éléments sous un champ magnétique externe permettait d'éliminer le colorant plus efficacement et plus rapidement que n'importe quel composant seul.

L'équipe a testé son approche en utilisant des eaux usées synthétiques contenant une concentration de 50 milligrammes par litre de Rouge de Congo. Ils ont commencé par déterminer la quantité exacte de pectine à ajouter à une dose fixe de coagulant chimique. Ils ont découvert qu'ajouter seulement 2 milligrammes de pectine par litre augmentait considérablement l'élimination du colorant, faisant passer l'efficacité d'environ 57 % à près de 69 %. Cette amélioration s'est produite parce que la pectine aidait à lier les petits amas lâches formés par le coagulant chimique en un réseau plus robuste. Cependant, ajouter trop de pectine produisait l'effet inverse, provoquant la fragmentation des amas et une mauvaise sédimentation, ce qui a confirmé qu'un équilibre précis était nécessaire.

Ensuite, les chercheurs ont introduit les nanoparticules magnétiques, en testant deux types différents : la magnétite et l'hématite. Ils ont découvert qu'ajouter 20 milligrammes de pectine par litre de l'un ou l'autre type de nanoparticule améliorait considérablement les résultats. Avec ce dosage, le système éliminait 83,2 % du colorant avec la magnétite et 81,3 % avec l'hématite. Plus important encore, la présence de ces particules magnétiques a considérablement réduit le temps nécessaire pour que les amas décantent. Alors que les méthodes traditionnelles peuvent prendre beaucoup plus de temps, ce système magnétique a atteint un état stable en environ 20 minutes. Les nanoparticules ont agi comme des ancres lourdes au sein des amas, les rendant assez denses pour couler rapidement sous l'attraction d'un champ magnétique.

La force du champ magnétique externe a également joué un rôle critique. Les chercheurs ont testé des champs allant de zéro jusqu'à 250 millitesla. Ils ont constaté que l'augmentation de l'intensité du champ jusqu'à 170 millitesla améliorait l'efficacité de l'élimination, mais que pousser la force du champ au-delà de ce point faisait en réalité légèrement chuter les performances. Cela suggère que, bien qu'une traction magnétique soit utile, un champ excessivement fort peut attirer les particules magnétiques trop rapidement, les séparant des particules de colorant qu'elles sont censées entraîner vers le bas. Le réglage optimal a été identifié à 170 millitesla, là où la force magnétique était assez forte pour accélérer la décantation sans perturber la formation délicate des amas.

Pour comprendre exactement comment ces composants travaillaient ensemble, l'équipe a examiné la structure physique de la boue résultante à l'aide d'imagerie avancée et d'analyses chimiques. Ils ont observé que la boue formée avec les trois composants était beaucoup plus dense et compacte que la boue formée avec le seul coagulant chimique. Les images ont montré que les nanoparticules magnétiques étaient incrustées dans les amas, créant une structure plus serrée avec moins de vides. L'analyse chimique a confirmé que la pectine ne se contentait pas de se tenir aux côtés des autres matériaux, mais interagissait chimiquement avec eux, formant un réseau hybride qui retenait fermement le colorant. L'étude a également infirmé l'idée qu'un seul composant puisse accomplir la tâche seul ; sans le coagulant chimique, la pectine naturelle et les particules magnétiques n'avaient presque aucun effet sur le colorant.

Les conclusions indiquent que cette stratégie en trois parties offre une voie prometteuse pour traiter les eaux usées colorées plus efficacement. En utilisant une petite quantité de coagulant chimique, une dose précise de pectine naturelle et une quantité précise de nanoparticules magnétiques sous un champ magnétique modéré, les chercheurs ont obtenu des taux d'élimination élevés en une fraction du temps habituel. L'étude conclut que cette approche synergique non seulement nettoie l'eau plus rapidement, mais produit également une boue plus dense et plus facile à gérer, réduisant ainsi le volume de déchets à traiter. Bien que les résultats soient spécifiques à des eaux usées synthétiques dans un cadre de laboratoire, ce travail démontre une voie viable vers des méthodes de traitement de l'eau plus durables et plus rapides qui reposent sur la puissance combinée des polymères naturels et des forces magnétiques.