Cinétique d'adsorption et isothermes pour l’élimination du vert de malachite en solution aqueuse à l’aide d’un nanocomposite TiO2 chargé sur f‑MWCNTs

Pourquoi il est important d’assainir les eaux colorées

Les colorants synthétiques vifs donnent des couleurs à nos vêtements, au cuir et au papier, mais lorsqu’ils sont évacués dans les canalisations d’usine, ils peuvent persister dans les rivières et les lacs pendant des années. Un de ces colorants, le vert de malachite, est particulièrement préoccupant car il est toxique, persistant et associé à des risques cancérigènes. Cette étude examine un nouveau type de matériau de nettoyage à l’échelle nanométrique — un nanocomposite — capable d’extraire le vert de malachite de l’eau très rapidement et efficacement, ouvrant la voie à des méthodes plus rapides et plus pratiques pour traiter les eaux industrielles polluées.

Un colorant tenace et un nouveau nettoyant minuscule

Le vert de malachite est largement utilisé dans le textile et le travail du cuir et a même été appliqué, de façon controversée, en aquaculture comme agent antimicrobien. Une fois libéré dans l’environnement, il se dégrade difficilement, et les traitements conventionnels peinent souvent à l’éliminer complètement. Les chercheurs ont cherché à concevoir une « éponge » plus efficace pour ce colorant en combinant deux matériaux avancés : des nanoparticules de dioxyde de titane et des nanotubes de carbone multi‑parois dont la surface a été « rugosifiée » chimiquement par des groupes oxygénés. En chargeant le dioxyde de titane sur ces nanotubes fonctionnalisés, ils ont créé un matériau hybride offrant à la fois une grande surface spécifique et de nombreux sites actifs où les molécules de colorant peuvent s’attacher.

Fabrication et caractérisation du matériau hybride à nanotubes

L’équipe a synthétisé le nanocomposite par un procédé hydrothermal, dans lequel la poudre de dioxyde de titane est traitée en solution alcaline chauffée puis déposée sur les nanotubes de carbone en milieu aqueux sous agitation prolongée. Ils ont examiné attentivement la poudre obtenue à l’aide d’un ensemble de microscopes et d’outils spectroscopiques. Ces tests ont confirmé que le dioxyde de titane conservait sa structure cristalline et se répartissait uniformément sur le réseau de nanotubes plutôt que de former des amas séparés. Les mesures d’adsorption de gaz ont révélé une architecture hautement poreuse, en forme d’éponge, avec une surface spécifique plus de deux fois supérieure à celle du dioxyde de titane pur, offrant donc beaucoup plus d’espace pour capturer les molécules de colorant lors du traitement.

Élimination rapide et efficace du colorant dans l’eau

Pour évaluer l’efficacité du nouveau matériau, les chercheurs ont réalisé des expériences en batch où de petites quantités du nanocomposite étaient agitées avec des solutions de vert de malachite dans différentes conditions. Ils ont constaté que les performances dépendaient fortement de l’acidité de l’eau : l’élimination était modeste en conditions acides mais dépassait 95 % autour d’un pH légèrement basique de 8, où la surface du matériau porte une charge négative attirant le colorant chargé positivement. De manière remarquable, dans ces conditions optimales — pH 8, seulement 0,005 g d’adsorbant dans 10 mL de solution et température ambiante — le système atteignait l’équilibre en environ 10 minutes, atteignant une capacité d’adsorption d’environ 39 mg de colorant par gramme de matériau. Cela est comparable, voire supérieur, à de nombreux adsorbants conventionnels, mais avec une purification beaucoup plus rapide.

Comment le colorant adhère à la surface des nanotubes

En ajustant les données expérimentales à des modèles mathématiques standards décrivant l’adsorption sur surfaces, les auteurs ont conclu que le vert de malachite forme principalement une monocouche sur une surface relativement uniforme, comme le décrit l’isotherme dite de Langmuir. Parallèlement, d’autres modèles prenant en compte des forces de liaison variées et des multicouches concordent également avec les données, suggérant un mélange d’adhésions physiques et chimiques. Le modèle cinétique le mieux ajusté indiquait que la fixation ne se résume pas à de simples collisions de molécules avec la surface mais implique des interactions plus fortes, telles que l’attraction électrostatique entre charges opposées et des contacts spécifiques avec des groupes de surface. La microscopie et les mesures infrarouges avant et après l’adsorption renforcent l’image selon laquelle les molécules de colorant s’agglomèrent à la surface extérieure et dans les pores sans modifier la structure cristalline sous‑jacente.

Réutilisation et perspectives pour une industrie plus propre

Pour qu’une technologie de traitement des eaux soit praticable, le milieu de nettoyage doit être réutilisable. Les chercheurs ont montré que le nanocomposite pouvait être régénéré en le lavant avec une simple solution d’hydroxyde de sodium et réutilisé au moins cinq fois avec presque aucune perte de performance. Globalement, l’étude démontre qu’une combinaison soigneusement conçue de dioxyde de titane et de nanotubes de carbone fonctionnalisés peut agir comme une éponge à colorant rapide, robuste et recyclable. Bien que ces essais aient été réalisés dans des solutions de laboratoire simplifiées plutôt que dans des effluents industriels réels, les résultats suggèrent une voie prometteuse vers des unités de traitement compactes capables d’éliminer rapidement des colorants nocifs comme le vert de malachite des eaux usées avant qu’ils n’atteignent l’environnement.

Citation: Jomardani, F., shakeri, R., Akbarzadeh, R. et al. Adsorption kinetics and isotherms of malachite green removal from aqueous solution using TiO₂ loaded on f-MWCNTs nanocomposite. Sci Rep 16, 8567 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38582-9

Mots-clés: traitement des eaux usées, vert de malachite, adsorbant nanocomposite, dioxyde de titane, nanotubes de carbone