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나이지리아의 나노입자(NP)를 사용하여 산업 폐수에서 선택된 유기염소 살충제 및 중금속의 평가 및 치료 프로토콜
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나이지리아의 나노입자(NP)를 사용하여 산업 폐수에서 선택된 유기염소 살충제 및 중금속의 평가 및 치료 프로토콜

Dec 04, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2170(2023) 이 기사 인용

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나이지리아 내 산업 폐수의 오염 물질 수준에 대한 제한된 지식과 전 세계적인 물 공급 문제로 인해 산업 폐수에서 유기염소 살충제(OCP) 및 중금속 함량의 분석 및 제거에 대한 조사가 필요해졌습니다. 폐수 샘플은 나이지리아 5개 주에 걸쳐 13개 산업에서 수집되었습니다. 샘플의 OCP 함량을 추출, 정리하고 가스 크로마토그래피-질량 분석법을 사용하여 분석했습니다. 결과는 폐수 샘플의 OCP 평균 농도가 1.76ng L−1(Dieldrin)에서 0.89ng L−1(endrin) 범위임을 나타냅니다. 모든 폐수 시료에서 카드뮴(Cd), 크롬(Cr) 및 납(Pb)이 평가되었습니다. 결과는 유출수 샘플 내 중금속 이온의 평균 농도가 0.008 ± 0.003 mg L−1 (Cd)에서 2.215 ± 0.841 mg L−1 (Pb) 범위임을 보여줍니다. 확인된 오염물질을 제거하기 위해 Braunauer-Emmett-Teller를 사용하여 생체자석 나노입자(BioMag), 자철석 나노입자(MagNPs), 생체자석-CMC 나노복합체(BioMag-CMC) 및 자철석-CMC 나노복합체(MagNPs-CMC)를 합성하고 특성화했습니다. BET), 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광학, X선 회절(XRD) 및 고분해능 투과 전자 현미경(HR-TEM). 이 연구는 산업 폐수에서 OCP와 중금속 이온을 제거하는 데 나노입자(NP)와 나노복합체를 성공적으로 적용한 것을 보여줍니다. 급속한 산업 및 기술 발전으로 인해 깨끗하고 건강한 수생태계를 달성하기 위해서는 일상적인 평가와 지속적인 제거가 중요해졌습니다.

식품, 제혁소, 개인 관리 제품, 맥아, 섬유, 살충제, 양조장, 광업, 페인트, 시멘트, 비료 및 제약 산업에서 수역으로 배출되는 OCP 및 중금속으로 인한 오염이 증가하고 있으며 우물에 위험을 초래하고 있습니다. 인간과 환경의 존재1,2. 유기염소계 살충제(OCP)는 환경에서 장기간 독성을 유지하는 것으로 알려져 있습니다3. 한편, OCP 및 그 대사산물에 장기간 노출되면 생식 기관 기능 장애, 신경 손상, 면역 시스템 기능 장애, 선천적 결함 및 암과 같은 건강에 치명적인 영향을 미치는 것으로 보고되었습니다4,5,6. 반면, 중금속은 신경계 장애, 암, 장기 손상, 극단적인 경우 사망과 같은 질병을 유발할 수 있는 능력이 입증되었습니다7,8. 따라서 폐수를 배출하기 전에 이러한 종류의 수질 오염물질을 폐수에서 제거하는 것이 필수적입니다. 이를 달성하기 위해 용매 추출, 이온 교환 공정9, 화학적 침전10, 화학적 산화 또는 환원11, 막 기술12, 여과13, 전기화학적 처리14, 흡착15,16,17,18, 거품 분리19 및 광촉매20,21와 같은 수처리 기술이 사용되었습니다. 오염된 물을 정화하는 데 사용됩니다. 앞서 언급한 기술 중 흡착은 경제적이고 사용자 친화적이며 오염물질 격리에 효과적입니다. 분자체22, 왕겨23, 화강암24, 스코틀랜드 소나무25, 실리카겔26, 카올리나이트 점토27 및 Al/SrTiO328과 같은 흡착제가 이러한 오염 물질을 제거하는 데 사용되었습니다.

나노물질, 나노입자 및 나노복합체는 다양한 과학 및 기술 노력 분야에서의 다양한 응용으로 인해 과학 연구에서 빠르게 성장하고 빠르게 확장되는 분야가 되었습니다. 환경에 대한 우려로 인해 금속 나노입자의 친환경적 또는 생물학적 합성에 대한 관심도 높아지고 있습니다. 그 이유는 이 공정이 화학 원료의 사용을 줄여 환경에서 화학물질의 처리 및 발생률을 낮추기 때문입니다. 나노입자는 3차원에서 크기가 100 nm 미만인 구조적 구성 요소를 갖는 천연 또는 가공 물질입니다29,30,31. 나노입자는 의학 및 약물 전달, 환경 개선, 전자 및 야금 등 다양한 분야에서 사용됩니다32,33. 여러 연구에서 식물 추출물을 이용한 성공적인 나노입자 생합성이 보고되었습니다. 한편, 폐수 처리 공정에서 나노금속의 적용은 광범위하게 평가되었습니다38,39,40,41,42. 나노복합체는 서로 다른 조성이나 구조를 포함하는 2개 이상의 상을 나노 규모 범위의 상 중 적어도 하나와 결합하여 만든 복합 재료입니다43,44. 나노복합체는 결과 제품의 거시적 특성을 향상시키지만 나노복합체의 특성은 개별 구성 요소의 특성에 따라 달라집니다. 바이오 기반 나노복합체는 셀룰로오스45와 같은 생분해성 또는 재생 가능한 재료로 만들어집니다. Dalium Guineense는 서아프리카 열대 우림 지역의 목본 식물로 최대 10~20m까지 자랄 수 있습니다. 일반적인 이름으로는 영어로 Black Velvet Tarimand, Igbo어로 Icheku, Yoruba어로 Awin, 프랑스어로 Tamarinier noir가 있습니다. 다 자란 나무는 회색 껍질, 빽빽한 ​​녹색 잎, 희끄무레한 꽃을 갖고 있으며, 서아프리카에서 제철에 인기 있고 비타민이 풍부한 벨벳 검은색 과일을 맺습니다46. 셀룰로오스는 가장 풍부한 천연 고분자이며 다양한 유형의 변형된 셀룰로오스 나노물질이 다양한 방법을 사용하여 만들어졌습니다.

 MagNPs-CMC (see Table 2). Meanwhile, the isotherms profile for BioMag-CMC and MagNPs-CMC exhibited a characteristic type-IV curve with a hysteresis loop within a relative pressure (P/P0) > 0.45 and > 0.9 (see Fig. 5). This could be credited to the fact that the capillary condensation and evaporation occurred at different pressure. To exhibit a type-IV isotherm profile shows that the material (BioMag-CMC and MagNPs-CMC) under investigation sustained mesoporous characteristics with a pore diameter in the range of 2–50 nm and this is in close agreement with the values obtained from TEM measurement. On the other hand, the pore diameter of BioMag-CMC and MagNPs-CMC was assessed by making use of the Barrett–Joyner–Halenda (BJH) theory (see Table 2)./p> 0.05) but the lowest concentrations were recorded in the TUWK and CTWA. On the other hand, a total P concentration of 0.32 ± 0.07 mg L−1 was recorded for SUWK while the highest significant (P < 0.05) concentration of 27.11 ± 3.84 mg L−1 was recorded for BTWR./p> TUKW > PTWK > MUWA > FTWR > TUWK > BTWR > FCTWE > CMTWM > PCUWA > CTWA > PUWA. All samples reported in this study were higher than WHO's RMC of 0.003 mg L−162. The high level of Cd in some of the samples was expected but estimating a high concentration of Cd in SUWK, MUWA, BTWR and PTK were not expected because these companies deal mainly with foods and drugs (see Table 5). Hence, it is imperative to identify and eliminate cadmium-leaching materials from the vicinity and processes of these industries. This hazardous metal ion commonly finds its way into the water bodies via fertilizer runoff from farmlands, waste batteries, paints, alloys, coal combustion, printing, pulp, refineries, steel smelting and electroplating industries63. Different sicknesses caused by medium and acute cadmium exposure include hypertension, renal damage, liver and kidney damage, lung inefficiency, initiation of cancer growth and calcium depletion in bones64,65. These concentrations were lower than the levels of Cd (0.065 ± 0.001 mg L−1) as reported by Bawa‑Allah66 and higher than the concentration of Cd (0.12 mg L−1) that was reported by Agoro67./p> SUWK > FCTWE > PUWA > FTWR > BTWR > PCUWA > PTK > TUWK > TUKW > PTWK > CTWA > CMTWM for the samples investigated. The highest level of Cr was recorded in sample CMTWM. Meanwhile, the concentration of Cr estimated for the 13 samples was noticed to be higher than the RMC of 0.01 mg L−1 and 0.015 mg L−1 as given by WHO and USEPA in surface water and effluent water, respectively. High exposure to Cr may lead to severe effects such as perforation of the nasal septum, asthma, bronchitis, pneumonitis, inflammation of the larynx and liver, and increased occurrence of bronchogenic carcinoma68,69. On the other hand, skin contact with chromium compounds have been associated with some skin problems, such as skin allergies, dermal necrosis, dermatitis, and dermal decay70. Hence, it is important to devise an effective means of eliminating this recalcitrant water contaminant./p> PUWA > PTK > MUWA > TUWK > PTWK > TUKW > PCUWA > FCTWE > FTWR > BTWR > CTWA > CMTWM. With the exception of SUWK, the concentrations of Pb in the samples were found to be higher than the RMC of 0.01 mg L−1 and 0.015 mg L−1 as given by WHO and USEPA in surface water and effluent water, respectively. The main route of Pb in wastewater is runoff from mining, leather tanning, metal processing and electroplating industries. Meanwhile, lead toxicity might pose a minor or major health challenge as it has been reported to cause learning and behavioural difficulty in children, malaise, loss of appetite, anaemia and organ failure71,72,73./p> Cr > Cd (see Table 5). The residual concentration of the contaminants was close to the RMC as given by WHO and USEPA after the sorbent-sorbate interaction. To further understand the effectiveness of the synthesised nanocomposites and nanoparticles, the uptake capacities of these materials were estimated and presented in Table S5 (see Supplementary information). The average uptake capacities of Biomag-CMC, Biomag, MagNPs and MagNPs-CMC, are 0.180 ± 0.015, 0.180 ± 0.016, 0.176 ± 0.016 and 0.173 ± 0.029, respectively. Hence, BioMag-CMC has demonstrated superior potential to sequester metal ions from industrial wastewater regardless of the interference from other analytes. The FTIR assessment of BioMag-CMC, BioMag, MagNPs and MagNPs-CMC revealed the presence of functional groups (–OH, –NH and C=O) that have the capacity to trap metal ions via ion exchange or electrostatic interactions./p> 68% after the fifth cycle./p>