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

Sintesi Tecnica: Sfere di Chitosano-Acido Nicotinico Reticolati (CLC-NAB) per la Rimozione del Mercurio(II)

Problematica
Il mercurio(II) è un contaminante metallico pesante altamente tossico, derivante sia da fonti naturali che da attività antropiche come l'estrazione mineraria, la produzione industriale e le centrali elettriche a carbone. La sua presenza negli ecosistemi acquatici pone gravi rischi per la salute umana e la fauna selvatica, causando disturbi neurologici e bioaccumulo. Sebbene esistano varie tecniche per la rimozione del mercurio, l'adsorbimento è preferito per la sua efficacia in termini di costi e semplicità operativa. Tuttavia, molti adsorbenti esistenti si affidano a prodotti chimici aggressivi, attrezzature specializzate o procedure di sintesi complesse. Questo studio affronta la necessità di un adsorbente sostenibile, ecologico ed efficiente, capace di rimuovere selettivamente gli ioni mercurio(II) dalle soluzioni acquose.

Metodologia
I ricercatori hanno fabbricato un nuovo adsorbente, le Sfere di Chitosano-Acido Nicotinico Reticolati (CLC-NAB), utilizzando un metodo ecologico e sostenibile. La sintesi ha comportato la dissoluzione del chitosano in acido acetico glaciale e il successivo gocciolamento in un mezzo di coagulazione contenente acido nicotinico sciolto in idrossido di sodio. Questo processo ha facilitato la reticolazione tramite legami a idrogeno e la formazione di legami ammidici tra i gruppi amminici del chitosano e i gruppi acido carbossilico dell'acido nicotinico.

Il materiale è stato caratterizzato mediante:

• Studi di rigonfiamento per valutare il comportamento in diversi ambienti di pH.
• Spettroscopia FTIR per confermare la reticolazione chimica e identificare i gruppi funzionali coinvolti nell'adsorbimento.
• SEM e EDS per analizzare la morfologia superficiale e la composizione elementale prima e dopo il carico di mercurio.

Sono stati condotti esperimenti di adsorbimento batch per valutare la rimozione di Hg(II) sotto diverse condizioni, tra cui pH iniziale (3–5), dosaggio dell'adsorbente (10–150 sfere), tempo di contatto (5–1440 min), concentrazione iniziale di mercurio (10–200 mg/L) e temperatura (298–318 K). Lo studio ha inoltre investigato la selettività del CLC-NAB in presenza di ioni interferenti (ad es. Pb²⁺, Cd²⁺, Ca²⁺, Cl⁻, NO₃⁻) e ha valutato l'efficienza di desorbimento utilizzando NaCl 1 M e NaNO₃ 1 M. I modelli cinetici, di isotermia e termodinamici sono stati applicati per interpretare il meccanismo di adsorbimento.

Risultati Chiave

• Caratterizzazione: L'analisi FTIR ha confermato la formazione di legami ammidici e il coinvolgimento degli anelli piridinici nella reticolazione. Le immagini SEM hanno rivelato che la superficie ruvida e irregolare delle sfere è diventata liscia e piatta dopo l'adsorbimento del mercurio, indicando l'occupazione dei pori. L'EDS ha confermato la presenza di mercurio sulle sfere caricate.
• Condizioni Ottimali: La massima efficienza di adsorbimento (rimozione del 93%) è stata raggiunta a pH 5. Una rimozione completa (100%) di Hg(II) è stata ottenuta utilizzando 150 sfere a pH 5. Il tempo di equilibrio è stato raggiunto entro 7 ore.
• Capacità di Adsorbimento: La massima capacità di adsorbimento monostrato ($Q_m$) calcolata tramite il modello di Langmuir è di 1060,2 mg/g. I dati sperimentali si sono adattati meglio al modello di isotermia di Redlich-Peterson, suggerendo una superficie eterogenea con caratteristiche sia del modello di Langmuir che di quello di Freundlich.
• Cinetica e Meccanismo: Gli studi cinetici hanno indicato che il processo di adsorbimento è meglio descritto da una combinazione del modello di pseudo-secondo ordine e del modello di diffusione intraparticellare. Ciò suggerisce che la fase limitante coinvolge la chemisorbimento (legame chimico) insieme alla diffusione nei pori della particella.
• Termodinamica: Il processo è risultato essere spontaneo ( $\Delta G^\circ$ negativo) ed endotermico ($\Delta H^\circ$ positivo), con l'efficienza di adsorbimento che aumenta alle temperature più elevate (fino a 318 K).
• Selettività e Desorbimento: Il CLC-NAB ha dimostrato un'elevata selettività per l'Hg(II) anche in presenza di cationi e anioni competitivi. L'adsorbente può essere completamente rigenerato utilizzando NaCl 1 M o NaNO₃ 1 M come agenti desorbenti, grazie alla compressione del doppio strato elettrico e alla formazione di complessi di mercurio solubili.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori affermano che il CLC-NAB rappresenta un progresso significativo nella bonifica del mercurio grazie alla sua elevata capacità di adsorbimento (1060,2 mg/g), che è relativamente alta rispetto ad altri derivati del chitosano riportati in letteratura. Lo studio sottolinea che il metodo di sintesi è ecologico, economico e semplice, evitando l'uso di prodotti chimici aggressivi e attrezzature specializzate spesso necessari per altri materiali di chitosano reticolati.

Il documento conclude che la reticolazione del chitosano con l'acido nicotinico aumenta con successo la stabilità meccanica e le prestazioni di adsorbimento del materiale. Sfruttando la stabilità del pH fisiologico e raggiungendo il desorbimento completo, gli autori sostengono che il CLC-NAB sia un adsorbente promettente e sostenibile per la rimozione selettiva di ioni mercurio(II) tossici da mezzi acquosi. Il lavoro evidenzia il potenziale degli idrogel di origine biologica nel affrontare efficacementamente l'inquinamento da metalli pesanti senza compromettere la sicurezza ecologica.