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Green Synthesis and Characterisation of Iron Oxide Nanoparticles Using Rice Husk and Orange Peel Extracts and Residue Templates (RHOPTNPs) for the Adsorptive Removal of Ciprofloxacin and Ibuprofen from Aqueous Solution

Cette étude démontre la synthèse verte réussie de nanoparticules d'oxyde de fer utilisant des extraits et résidus de balle de riz et de peau d'orange (RHOPTNPs), qui éliminent efficacement la ciprofloxacine et l'ibuprofène de solutions aqueuses grâce à un mécanisme d'adsorption spontanée par monocouche piloté par la chimisorption.

Auteurs originaux : Habib Isa ADAMU, Abdulrahman Abdulmumin Gbenga, Muhammad-Najeeb Oluwafemi Yusuf

Publié 2026-10-06

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Habib Isa ADAMU, Abdulrahman Abdulmumin Gbenga, Muhammad-Najeeb Oluwafemi Yusuf

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

L'eau est le sang vital de notre planète, mais elle transporte de plus en plus un fardeau invisible : les traces des médicaments que nous avons pris. Lorsque les gens prennent des antibiotiques ou des analgésiques, le corps n'absorbe pas chaque molécule. Ce qui reste s'écoule des maisons et des hôpitaux, finissant par atteindre les rivières et les lacs. Ces résidus pharmaceutiques sont dangereux car ils persistent dans l'environnement et peuvent encourager les bactéries à devenir résistantes aux traitements, posant une menace à long terme pour la santé publique. Les stations de traitement des eaux traditionnelles ont été conçues pour éliminer les grosses particules et les bactéries, et non ces infimes traces chimiques dissoutes. Pour résoudre ce problème, les scientifiques se tournent vers une approche différente : l'utilisation de minuscules particules d'oxyde de fer, qui agissent comme des éponges microscopiques capables de capturer ces médicaments hors de l'eau. Cependant, la fabrication de ces particules nécessite généralement des produits chimiques agressifs et une énergie élevée. Une voie plus durable consiste à les faire croître à partir de plantes, une méthode appelée synthèse verte, qui transforme les déchets en un outil utile.

Dans une étude récente, des chercheurs au Nigéria ont exploré comment fabriquer ces nanoparticules d'oxyde de fer en utilisant deux types courants de déchets agricoles : les balles de riz et les écorces d'orange. Au lieu de jeter ces matériaux, l'équipe les a combinés pour créer un modèle naturel de construction des nanoparticules. Ils ont pris les morceaux solides restants des balles et des écorces, les ont mélangés à de l'eau pour créer un extrait, puis ont ajouté des sels de fer à ce mélange. Les matières végétales ont servi d'échafaudage, guidant le fer pour qu'il se forme en minuscules particules magnétiques, tout en les recouvrant de substances chimiques naturelles provenant des plantes. Le matériau résultant, que les chercheurs ont nommé RHOPTNPs, a ensuite été testé pour voir s'il pouvait efficacement extraire deux médicaments spécifiques — la ciprofloxacine, un antibiotique, et l'ibuprofène, un analgésique — d'une eau contaminée.

L'équipe a d'abord examiné la nature physique de leur nouveau matériau pour comprendre ce qu'ils avaient créé. Ils ont découvert que les nanoparticules mesuraient environ 76 nanomètres, une échelle si petite que des millions pourraient tenir sur la tête d'une épingle. Plus important encore, le matériau était incroyablement poreux, ce qui signifie qu'il possédait un vaste réseau de minuscules trous et de tunnels à l'intérieur. Cette structure conférait aux nanoparticules une surface spécifique massive, leur permettant d'interagir avec une grande quantité d'eau à la fois. L'analyse a également confirmé que les particules étaient magnétiques, une caractéristique cruciale qui permet de les extraire facilement de l'eau à l'aide d'un aimant après avoir accompli leur tâche, plutôt que de devoir les filtrer. La surface de ces particules était recouverte de molécules organiques issues du riz et de l'orange, ce qui aidait à stabiliser les particules et fournissait probablement les « crochets » chimiques nécessaires pour capturer les médicaments.

Lorsque les chercheurs ont testé le matériau en laboratoire, ils ont découvert qu'il fonctionnait exceptionnellement bien sous certaines conditions spécifiques. Pour l'antibiotique ciprofloxacine, les nanoparticules ont éliminé près de 99,5 % du médicament de l'eau lorsqu'elles étaient utilisées en la quantité appropriée et qu'on leur laissait environ 40 minutes pour agir. Le processus fonctionnait mieux à un pH neutre, ce qui est similaire à l'acidité de l'eau pure, et performait encore mieux à mesure que la température de l'eau augmentait légèrement. En revanche, l'élimination de l'ibuprofène a atteint une efficacité d'environ 92 % dans des conditions similaires, mais ce médicament se comportait différemment : les nanoparticules étaient plus efficaces pour l'éliminer lorsque l'eau était plus fraîche. Cette différence suggère que les deux médicaments s'attachent aux particules par des mécanismes légèrement différents, l'un des processus nécessitant de la chaleur pour progresser efficacement et l'autre ralentissant à mesure que l'eau se réchauffe.

L'étude a également examiné le comportement du matériau au fil du temps et dans des scénarios réels. Les chercheurs ont constaté que les nanoparticules pouvaient être utilisées de manière répétée. Après avoir été lavées et réutilisées quatre fois, le matériau éliminait encore environ 92 % de la ciprofloxacine qu'il avait initialement capturée, montrant une forte durabilité. Cependant, sa capacité à capturer l'ibuprofène a chuté plus significativement après des utilisations répétées, suggérant que les sites de liaison pour l'ibuprofène sont plus difficiles à nettoyer et à réutiliser. Malgré cela, le matériau s'est avéré efficace lors de tests sur des échantillons réels d'eaux usées provenant d'hôpitaux et de zones résidentielles de Kaduna. Dans ces mélanges complexes, qui contiennent de nombreuses autres substances en plus des médicaments ciblés, les nanoparticules ont tout de même réussi à éliminer une partie significative des deux médicaments, avec des taux d'élimination allant de 80 à 97 % selon l'échantillon et le médicament spécifique.

Les résultats indiquent que transformer des déchets agricoles en un purificateur d'eau de haute technologie est une stratégie viable et prometteuse. Le processus ne consiste pas seulement à éliminer la pollution ; il s'agit de créer de la valeur à partir de matériaux qui seraient autrement jetés. En utilisant la chimie naturelle des balles de riz et des écorces d'orange, les chercheurs ont créé un adsorbant magnétique qui est bon marché à fabriquer, facile à récupérer de l'eau et hautement efficace pour nettoyer les contaminants pharmaceutiques. Bien que l'étude confirme que le matériau fonctionne bien dans des environnements contrôlés ainsi que dans de réelles eaux usées, les auteurs notent que des tests supplémentaires sont nécessaires pour comprendre pleinement les interactions chimiques exactes se produisant à la surface des particules et pour voir comment le système se comporte à plus grande échelle. Néanmoins, ce travail offre une étape concrète vers un avenir où le nettoyage de notre eau pourrait dépendre autant des champs qui nous nourrissent que des usines qui traitent nos déchets.

Résumé technique : Synthèse verte et caractérisation de nanoparticules d'oxyde de fer utilisant des extraits et des résidus de balles de riz et de pelures d'orange (RHOPTNPs)

Problématique
Le rejet continu de résidus pharmaceutiques, spécifiquement des antibiotiques comme la ciprofloxacine (CIP) et des anti-inflammatoires non stéroïdiens comme l'ibuprofène (IBU), dans les milieux aquatiques pose des risques écologiques et de santé publique importants. Les méthodes conventionnelles de traitement des eaux usées sont souvent inefficaces pour éliminer ces micropolluants. Bien que l'adsorption utilisant des nanoparticules d'oxyde de fer (IONPs) offre une solution prometteuse en raison de leur grande surface spécifique et de leur récupérabilité magnétique, les méthodes de synthèse conventionnelles reposent fréquemment sur des produits chimiques dangereux et des apports énergétiques élevés. De plus, de nombreuses approches de synthèse verte utilisent uniquement des extraits végétaux, négligeant le potentiel des résidus agricoles à servir de modèles structurels qui pourraient améliorer les propriétés texturales et faciliter la valorisation des déchets.

Méthodologie
L'étude a employé une voie de co-précipitation verte pour synthétiser des nanoparticules d'oxyde de fer (désignées sous le nom de RHOPTNPs) en utilisant un système à deux composants : des extraits aqueux et des résidus de biomasse insolubles conservés provenant de balles de riz et de pelures d'orange.

Synthèse : Des masses égales de balles de riz et de pelures d'orange ont été combinées, dispersées dans l'eau et chauffées. Le résidu de biomasse conservé a servi de modèle structurel naturel. Des précurseurs de fer (FeCl₂·4H₂O et FeCl₃·6H₂O dans un rapport molaire de 1:2) ont été ajoutés à la suspension extrait-résidu, et le pH a été ajusté à 11 à l'aide de NaOH pour induire la précipitation.
Caractérisation : Le matériau résultant a été analysé par spectroscopie UV-Vis, FTIR, Diffusion Dynamique de la Lumière (DLS), SEM-EDS, diffraction des rayons X (XRD), analyse de la surface BET et analyse thermogravimétrique (TGA).
Études d'adsorption : Des expériences en mode batch ont évalué l'élimination de la CIP et de l'IBU sous diverses conditions : dosage de l'adsorbant, temps de contact, concentration initiale, pH de la solution et température (300–320 K).
Modélisation : Les données d'équilibre ont été ajustées aux modèles d'isothermes de Langmuir, Freundlich et Temkin. Les données cinétiques ont été analysées selon les modèles de pseudo-premier ordre, de pseudo-second ordre, de diffusion intraparticulaire et le modèle d'Elovich. Les paramètres thermodynamiques ( $\Delta G^\circ$ , $\Delta H^\circ$ , $\Delta S^\circ$ ) ont été calculés.
Validation : La performance de l'adsorbant a été testée sur de vrais échantillons d'eaux usées hospitalières et domestiques provenant de la métropole de Kaduna, et sa réutilisabilité a été évaluée sur quatre cycles d'adsorption-désorption.

Résultats clés

Propriétés du matériau : Les RHOPTNPs ont formé des nanoparticules de magnétite (Fe₃O₄) cubiques et capsulées avec une taille de cristallite d'environ 77,16 nm et un diamètre hydrodynamique de 7 de 76,24 nm. Le matériau présentait une surface BET élevée de 846,28 m² g⁻¹ et un volume poreux de 0,6582 cm³ g⁻¹. La FTIR a confirmé la présence de groupes fonctionnels dérivés de la biomasse (hydroxyle, aromatique, C–O) capsulant la phase d'oxyde de fer.
Performance d'adsorption : Sous des conditions optimisées (dose de 80 mg, temps de contact de 40 min, pH 7, 320 K), les RHOPTNPs ont atteint une efficacité d'élimination maximale de la CIP de 99,45 %. Pour l'IBU, sous des conditions similaires (60 mg de dose, 35 min, pH 9, 300 K), l'élimination a atteint 92,21 %.
Isothermes et cinétique : Les données d'équilibre se sont mieux ajustées au modèle d'isotherme de Langmuir, suggérant une adsorption monocouche sur des sites homogènes. Les capacités d'adsorption maximales ( $q_{max}$ ) étaient de 9,34 mg g⁻¹ pour la CIP et de 112,36 mg g⁻¹ pour l'IBU. Les données cinétiques ont suivi le modèle de pseudo-second ordre, indiquant un processus piloté par la chimisorption.
Thermodynamique : L'adsorption de la CIP s'est révélée spontanée et endothermique ( $\Delta H^\circ = 87,85$ kJ mol⁻¹), tandis que l'adsorption de l'IBU était spontanée et exothermique ( $\Delta H^\circ = -38,49$ kJ mol⁻¹).
Réutilisabilité et application réelle : L'adsorbant a conservé environ 92,38 % de son efficacité initiale d'élimination de la CIP et 66,13 % de celle de l'IBU après quatre cycles. Dans les échantillons d'eaux usées réelles, les RHOPTNPs ont démontré une élimination efficace, avec des rendements allant de 80,95 % à 94,50 % pour la CIP et de 86,80 % à 97,05 % pour l'IBU.

Signification et revendications
L'article affirme que les RHOPTNPs représentent un adsorbant durable et à faible coût dérivé de la valorisation des déchets agricoles. En utilisant à la fois l'extrait et le résidu comme modèle, l'étude répond aux doubles objectifs de la gestion des déchets et du développement de nanomatériaux fonctionnels. La nature magnétique des nanoparticules facilite une séparation aisée de l'eau traitée, surmontant les défis courants de récupération associés aux adsorbants non magnétiques. Les auteurs concluent que les RHOPTNPs sont un candidat prometteur pour la remédiation des eaux contaminées par des produits pharmaceutiques, particulièrement pour la CIP et l'IBU, bien qu'ils notent que les mécanismes d'adsorption proposés (attraction électrostatique, liaison hydrogène, interactions $\pi$ – $\pi$ ) sont déduits de données indirectes et nécessitent une vérification spectroscopique directe supplémentaire lors de travaux futurs.

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