Synthèse et caractérisation du chitosane imino phényle 2-hydroxy-3-méthoxy comme nouvel adsorbant pour l’élimination efficace du orange de méthyle

Pourquoi il est important d’épurer l’eau colorée

De nombreux produits du quotidien — des vêtements fortement teints au papier imprimé — laissent des résidus chimiques colorés dans l’eau. Ces colorants synthétiques peuvent persister longtemps, nuire à la vie aquatique et potentiellement affecter la santé humaine même à très faibles concentrations. Cette étude examine un nouveau matériau d’origine végétale et provenant des coquilles, capable de capter et d’éliminer rapidement et efficacement l’un de ces colorants, l’orange de méthyle, offrant une solution de traitement des eaux usées des industries textiles et connexes plus respectueuse de l’environnement.

Un assistant naturel issu des déchets de fruits de mer

Le point de départ de ce travail est le chitosane, une substance obtenue à partir de la chitine, le matériau structural présent dans les carapaces de crevettes, de crabes et d’autres crustacés. Le chitosane est peu coûteux, biodégradable et non toxique, et il a déjà une affinité pour attirer les polluants. Cependant, le chitosane ordinaire ne lie pas toujours les colorants avec suffisamment de force ni ne reste stable dans des conditions de traitement réelles. Les chercheurs ont cherché à améliorer ce matériau naturel en greffant une petite composante organique supplémentaire sur sa structure, créant de nouveaux sites de liaison conçus pour capturer les molécules colorantes de manière plus efficace.

Concevoir des billes nettoyantes plus performantes

Pour fabriquer le matériau amélioré, l’équipe a d’abord formé le chitosane en petites billes en utilisant un acide doux puis un bain d’hydroxyde de sodium, obtenant des particules sphériques faciles à manipuler et à séparer de l’eau. Elles ont ensuite réagi ces billes avec un composé appelé 2-hydroxy-3-méthoxybenzaldéhyde en employant un chauffage par micro-ondes. Cette étape a créé de nouvelles liaisons chimiques, connues sous le nom de liaisons imines, entre le chitosane et la molécule ajoutée, produisant ce qu’ils appellent le chitosane imino phényle 2-hydroxy-3-méthoxy. Des images en microscopie ont montré que les billes modifiées présentaient une surface plus rugueuse et plus poreuse que les billes de chitosane d’origine, et des mesures de surface ont révélé que la surface disponible pour la liaison a augmenté d’environ cinq fois, passant de 8,6 à 42,8 mètres carrés par gramme.

Comment les billes piègent les molécules colorantes

L’équipe a étudié la structure et le comportement des nouvelles billes à l’aide de plusieurs techniques. La spectroscopie infrarouge a confirmé que les liaisons chimiques prévues s’étaient formées et que les groupes amine libres initiaux du chitosane avaient été majoritairement convertis en nouvelles structures imines. Les mesures par rayons X ont montré que le matériau devenait plus amorphe — c’est‑à‑dire moins ordonné — après modification et après adsorption du colorant, ce qui est typique lorsque des chaînes polymères flexibles sont chimiquement modifiées. Lorsque l’orange de méthyle a été mis en contact avec les billes, des changements dans les signaux infrarouges ont indiqué que plusieurs types d’interactions intervenaient : attraction électrique entre des sites positifs à la surface des billes et des groupes négatifs du colorant, liaisons hydrogène et empilement entre des cycles aromatiques plans présents à la fois sur le colorant et sur les groupes organiques ajoutés. Ensemble, ces forces expliquent pourquoi le colorant adhère si fortement au chitosane modifié.

Déterminer les meilleures conditions pour le nettoyage

Les chercheurs ont fait varier systématiquement l’acidité de l’eau (pH), le temps de contact, la concentration en colorant, la température et la dose de billes afin de comprendre et d’optimiser les performances. Les billes ont donné les meilleurs résultats dans une eau légèrement acide autour de pH 4, où leur surface porte des charges positives qui attirent le colorant chargé négativement. Dans ces conditions, la majeure partie du colorant était éliminée en environ 20 minutes, avec peu d’amélioration au-delà, montrant que le processus est rapide. L’augmentation de la température a réduit la quantité de colorant adsorbée, indiquant que la liaison dégage de la chaleur et est moins favorable à des températures plus élevées. Des modèles mathématiques des données ont suggéré que les molécules de colorant forment une seule couche compacte sur des sites uniformes à la surface des billes et que l’étape limitante implique des liaisons chimiques plutôt qu’un simple collage physique.

Performances, réutilisabilité et potentiel réel

Comparées à de nombreux autres sorbants peu coûteux fabriqués à partir d’épluchures végétales, de coquilles d’œuf, d’argiles ou de chitosane non modifié, les nouvelles billes se sont nettement démarquées, capturant jusqu’à environ 445 milligrammes d’orange de méthyle par gramme de matériau et éliminant plus de 98 % du colorant dans des conditions optimisées. Fait important, les billes pouvaient être régénérées par un simple lavage acide et réutilisées au moins cinq fois tout en conservant plus de 84 % de leur efficacité initiale. Dans l’ensemble, cette étude montre que des billes de chitosane intelligemment modifiées, issues de déchets biologiques abondants, peuvent servir de « éponges » puissantes et réutilisables pour des colorants résistants, ouvrant la voie à des options de traitement des eaux industrielles polluées plus vertes et moins coûteuses.

Citation: Khan, R., Zoreen, S., Khan, A. et al. Synthesis and characterization of 2-hydroxy-3-methoxyphenyl imino chitosan as a novel adsorbent for effective removal of methyl orange. Sci Rep 16, 14402 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50311-w

Mots-clés: traitement des eaux usées, élimination des colorants, perles de chitosane, biosorbant, orange de méthyle