Cross-Linked Chitosan-Nicotinic Acid Beads (CLC-NAB) - A novel adsorbent for the removal of mercury(II) ions from aqueous medium

Résumé technique : Billes de chitosan réticulé à l'acide nicotinique (CLC-NAB) pour l'élimination du mercure(II)

Énoncé du problème
Le mercure(II) est un contaminant métallique lourd hautement toxique provenant de sources tant naturelles qu'anthropiques telles que l'exploitation minière, la fabrication industrielle et les centrales thermiques à charbon. Sa présence dans les écosystèmes aquatiques pose des risques graves pour la santé humaine et la faune, causant des troubles neurologiques et la bioaccumulation. Bien que diverses techniques existent pour l'élimination du mercure, l'adsorption est privilégiée pour son rapport coût-efficacité et sa simplicité opérationnelle. Cependant, de nombreux adsorbants existants reposent sur des produits chimiques agressifs, des équipements spécialisés ou des procédures de synthèse complexes. Cette étude répond au besoin d'un adsorbant durable, écologique et efficace capable d'éliminer sélectivement les ions mercure(II) des solutions aqueuses.

Méthodologie
Les chercheurs ont fabriqué un nouvel adsorbant, les billes de chitosan réticulé à l'acide nicotinique (CLC-NAB), en utilisant une méthode verte et durable. La synthèse a consisté à dissoudre le chitosan dans de l'acide acétique glacial et à le verser dans un milieu de coagulation contenant de l'acide nicotinique dissous dans de l'hydroxyde de sodium. Ce processus a facilité la réticulation via des liaisons hydrogène et la formation de liaisons amide entre les groupes amino du chitosan et les groupes acide carboxylique de l'acide nicotinique.

Le matériau a été caractérisé par :

• Des études de gonflement pour évaluer le comportement dans différents environnements de pH.
• La spectroscopie FTIR pour confirmer la réticulation chimique et identifier les groupes fonctionnels impliqués dans l'adsorption.
• SEM et EDS pour analyser la morphologie de surface et la composition élémentaire avant et après le chargement en mercure.

Des expériences d'adsorption par lots ont été menées pour évaluer l'élimination du Hg(II) sous diverses conditions, notamment le pH initial (3–5), la dose d'adsorbant (10–150 billes), le temps de contact (5–1440 min), la concentration initiale de mercure (10–200 mg/L) et la température (298–318 K). L'étude a également examiné la sélectivité du CLC-NAB en présence d'ions interférents (ex. Pb²⁺, Cd²⁺, Ca²⁺, Cl⁻, NO₃⁻) et a évalué l'efficacité de la désorption à l'aide de NaCl 1 M et de NaNO₃ 1 M. Des modèles cinétiques, d'isothermes et thermodynamiques ont été appliqués pour interpréter le mécanisme d'adsorption.

Résultats clés

• Caractérisation : L'analyse FTIR a confirmé la formation de liaisons amide et l'implication des cycles pyridine dans la réticulation. Les images SEM ont révélé que la surface rugueuse et irrégulière des billes est devenue lisse et plane après l'adsorption du mercure, indiquant l'occupation des pores. L'EDS a confirmé la présence de mercure sur les billes chargées.
• Conditions optimales : Une efficacité d'adsorption maximale (élimination de 93 %) a été obtenue à pH 5. Une élimination complète (100 %) du Hg(II) a été atteinte en utilisant 150 billes à pH 5. Le temps d'équilibre a été atteint en 7 heures.
• Capacité d'adsorption : La capacité maximale d'adsorption monocouche ($Q_m$) calculée via le modèle de Langmuir est de 1060,2 mg/g. Les données expérimentales s'ajustent le mieux au modèle d'isotherme de Redlich-Peterson, suggérant une surface hétérogène présentant des caractéristiques à la fois des modèles de Langmuir et de Freundlich.
• Cinétique et mécanisme : Les études cinétiques ont indiqué que le processus d'adsorption est mieux décrit par une combinaison du modèle de pseudo-second ordre et du modèle de diffusion intra-particulaire. Cela suggère que l'étape limitante implique la chimisorption (liaison chimique) parallèlement à la diffusion dans les pores des particules.
• Thermodynamique : Le processus s'est avéré spontané ( $\Delta G^\circ$ négatif) et endothermique ( $\Delta H^\circ$ positif), avec une efficacité d'adsorption augmentant aux températures plus élevées (jusqu'à 318 K).
• Sélectivité et désorption : Le CLC-NAB a démontré une haute sélectivité pour le Hg(II), même en présence de cations et d'anions concurrents. L'adsorbant peut être pleinement régénéré en utilisant du NaCl 1 M ou du NaNO₃ 1 M comme agents de désorption, ce qui est attribué à la compression de la double couche électrique et à la formation de complexes de mercure solubles.

Signification et revendications
Les auteurs affirment que le CLC-NAB représente une avancée significative dans la remédiation du mercure en raison de sa haute capacité d'adsorption (1060,2 mg/g), ce qui est relativement élevé par rapport aux autres dérivés de chitosan rapportés dans la littérature. L'étude souligne que la méthode de synthèse est respectueuse de l'environnement, rentable et simple, évitant les produits chimiques agressifs et l'équipement spécialisé souvent nécessaires pour d'autres matériaux de chitosan réticulés.

L'article conclut que la réticulation du chitosan avec l'acide nicotinique améliore avec succès la stabilité mécanique et les performances d'adsorption du matériau. En exploitant la stabilité du pH physiologique et en parvenant à une désorption complète, les auteurs postulent que le CLC-NAB est un adsorbant durable et prometteur pour l'élimination sélective des ions mercure(II) toxiques des milieux aqueux. Ce travail souligne le potentiel des hydrogels biosourcés pour traiter efficacement la pollution par les métaux lourds sans compromettre la sécurité écologique.