Application of cellulose/ZnO nanocomposite on the removal of toxic pollutants from aqueous solutions

Abstract

Peanut (Arachis hypogaea) and pea (Pisum sativum) shells are among the most abundant plant waste found in agricultural regions.This residue contributes to environmental pollution if not repurposed and used in other fields. The objective of this study is valorise these residues and use them as crude material to produce nanocrystalline cellulose.This compound was prepared by extracting pure cellulose (Cs) from the residues and converting it into nanocrystalline cellulose (CNCs), as well as hybridizing this substance with zinc oxide (ZnO) using two different methods. In order to study the properties of these new materials and validate their nature, several characterisation techniques were used, including optical (UV-visible, FTIR), structural and morphological (XRD, SEM) techniques.The analysis showed, the crystal size of the compounds (CNC/ZnO NPs) varied between 19.64 and 27.31 nanometers, while the gap bands ranged between 3.27 and 3.66 v for the first and second methodsm respectivety. In this research work, the adsorption of methylene blue dye in an aqueous solution onto the cellulose and CNC/ZnO NPs prepared were studied. Five adsorption operation parameters were studied to optimize these adsorbents (adsorbent mass, contact time, initial concentrationof dye solution, initial solution pH, and temperature). Empirical data were analyzed using adsorption isotherm by Langmuir, Freundlich, and Temkin isotherm models to evaluate the maximum adsorption capacities. Kinetic data were tested with pseudo first-order model and pseudo second-order model.Thermodynamic parameters were also calculated. Furthermore, the antibacterial activity of CNCs and CNC/ZnO NPs were tested using the agar well diffusion method, which has shown significant antibacterial activity against both Gram-positive, Gram-negative bacteria and fungi. The remarkable output of this research can open a window for other possible significant applications such as removal of heavy metal ions and treatment of real wastewater.

Les coques Arachis hypogaea et de Pisum sativum font partie des déchets végétaux les plus importants, présents en grandes quantités dans les zones agricoles. Ces déchets contribuent à la pollution de l'environnement s'ils ne sont pas exploités et utilisés dans d'autres domaines. L'objectif de cette étude est de valoriser ces résidus et de les utiliser comme matière brute pour élaborer de la cellulose cristalline nanométrique. Ce composé a été préparé par l'extraction de la cellulose pure (Cs) des déchets et en la convertissant en cellulose nanocristalline (CNCs), ainsi qu'en hybridant cette substance avec de l'oxyde de zinc (ZnO) à l'aide de deux méthodes différentes.Afin d'étudier les propriétés de ces nouveaux matériaux et de confirmer leur nature, plusieurs techniques de caractérisation ont été utilisées, y compris des techniques optiques (UV-visible, FTIR ), structurelles et morphologiques (XRD, SEM). Les résultats ont montré que la taille cristalline du composé (CNC/ZnO NPs) variait entre 19,64 et 27,31 nanomètres, tandis que les bandes gap se situaient entre 3,27 et 3,66 v pour la première et la deuxième méthode respectivement. Dans ce travail de recherche, l’adsorption du colorant bleu de méthylène en solution aqueuse sur la cellulose et les NP CNC/ZnO préparées a été étudiée. Cinq paramètres d'opération d'adsorption ont été étudiés pour optimiser ces adsorbants (masse d'adsorbant, temps de contact, concentration initiale de la solution de colorant, pH initial de la solution et température). Les données empiriques ont été analysées à l'aide de l'isotherme d'adsorption par les modèles isothermes de Langmuir, Freundlich et Temkin pour évaluer les capacités d'adsorption maximales. Les données cinétiques ont été testées avec un modèle de pseudo premier ordre et un modèle de pseudo second ordre. Les paramètres thermodynamiques ont également été calculés. En outre, l’activité antibactérienne des CNC et des NP CNC/ZnO a été testée à l’aide de la méthode de diffusion dans des puits de gélose, qui a montré une activité antibactérienne significative contre les bactéries Gram-positives et Gram-négatives et les champignons. Les résultats remarquables de cette recherche peuvent ouvrir la voie à d’autres applications importantes possibles, telles que l’élimination des ions de métaux lourds et le traitement des véritables eaux usées.

تعتبر قشور الفول السوداني و قشور البازلاء من بين أهم المخلفات النباتية المتواجدة بكميات كبيرة في المناطق الزراعية و تعد هذه الأخيرة كنفايات ملوثة للبيئة إن لم يتم استغلالها و استثمارها في مجالات أخرى. تهدف هذه الدراسة إلى إعادة تدوير هذه المخلفات واستخدامها كمواد خام لإنتاج السليلوز البلوري النانوي . تم الحصول على هذا المركب من خلال استخراج مادة السيليلوز النقية (Cs) من المخلفات و تحويلها إلي السيليلوز النانوي (CNCs), بالإضافة إلى تهجين هذه المادة بأكسيد الزنك (ZnO) بطريقتين مختلفتين. تم استخدام عدة تقنيات توصيف منها البصرية ( UV-visible , (FTIR,الهيكلية و المرفولوجية (XRD, SEM) لدراسة خصائص هذه المواد المصنعة و كذا التأكد من طبيعتها. أظهرت التحاليل أن الحجم البلوري للمركب (CNC/ZnO NPs) يتراوح مابين 19.64-27.31 نانومتر , في حين بلغت طاقات فجوة النطاق من 3.27 إلى 3.66 فولت لكل من الطريقة الاولى و الثانية على الترتيب. في هذا العمل البحثي، تمت دراسة امتزاز صبغة الميثيلين الزرقاء في محلول مائي على السليلوز وCNC/ZnO NPs المحضرة. تمت دراسة خمس معاملات لعملية الامتزاز لتحسين هذه الممتزات (كتلة المادة المازة، زمن التلامس، التركيز الأولي لمحلول الصبغة، الرقم الهيدروجيني الأولي للمحلول، ودرجة الحرارة). تم تحليل البيانات التجريبية باستخدام ايزوثرم الامتزاز بواسطة نماذج لانجميور وفريندليتش وتيمكين لتقييم السعات القصوى للامتزاز. تم اختبار البيانات الحركية باستخدام نموذج الدرجة الأولى الزائف ونموذج الدرجة الثانية الزائفة.كما تم حساب المعلمات الديناميكية الحرارية. علاوة على ذلك، تم اختبار النشاط المضاد للبكتيريا لـ CNCs وCNC/ZnO NPs باستخدام طريقة الانتشار في أبار الاغار، والتي أظهرت نشاطًا مضادًا للبكتيريا كبيرًا ضد كل من البكتيريا إيجابية الجرام وسالبة الجرام و الفطريات. يمكن أن تفتح النتائج الرائع لهذا البحث نافذة لتطبيقات مهمة أخرى محتملة مثلازالة أيونات المعادن الثقيلة و معالجة مياه الصرف الصحي الحقيقية.