Présentation d'un modèle d'apprentissage automatique à la méthodologie de surface de réponse pour la biosorption du colorant bleu de méthylène à l'aide de la biomasse de Triticum aestivum

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8574 (2023) Citer cet article

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Un problème environnemental majeur à l'échelle mondiale est la contamination de l'eau par des colorants, provenant notamment des effluents industriels. Par conséquent, le traitement des eaux usées provenant de divers déchets industriels est crucial pour restaurer la qualité de l’environnement. Les colorants constituent une classe importante de polluants organiques considérés comme nocifs à la fois pour les humains et les habitats aquatiques. L'industrie textile s'intéresse davantage aux adsorbants d'origine agricole, en particulier à l'adsorption. La biosorption du colorant bleu de méthylène (MB) à partir de solutions aqueuses par la biomasse de paille de blé (T. aestivum) a été évaluée dans cette étude. Les paramètres du processus de biosorption ont été optimisés à l'aide de l'approche de la méthodologie de surface de réponse (RSM) avec une conception composite centrale centrée sur la face (FCCCD). En utilisant un colorant MB à une concentration de 10 mg/L, 1,5 mg de biomasse, un pH initial de 6 et un temps de contact de 60 min à 25 °C, les pourcentages maximaux d'élimination du colorant MB (96 %) ont été obtenus. Des techniques de modélisation de réseaux neuronaux artificiels (ANN) sont également utilisées pour stimuler et valider le processus, et leur efficacité et leur capacité à prédire la réaction (efficacité d'élimination) ont été évaluées. L'existence de groupes fonctionnels, qui sont des sites de liaison importants impliqués dans le processus de biosorption du MB, a été démontrée à l'aide des spectres de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). De plus, un microscope électronique à balayage (MEB) a révélé que des particules fraîches et brillantes avaient été absorbées à la surface du T. aestivum suite à la procédure de biosorption. Il a été démontré que la bioélimination du MB des effluents d'eaux usées est possible en utilisant la biomasse de T. aestivum comme biosorbant. C'est également un biosorbant prometteur qui est économique, respectueux de l'environnement, biodégradable et rentable.

Les industries des teintureries textiles produisent une quantité importante de déchets, dont 5 % se retrouvent dans des effluents d'eaux usées d'environ 637,3 millions de mètres cubes par an, ce qui contribue de manière significative à la pollution des masses d'eau1. Les eaux usées provenant des industries qui fabriquent des colorants et des pigments, ainsi que de nombreuses autres, sont généralement riches en couleurs et en matières organiques. L'utilisation de colorants est répandue dans des secteurs comme le textile, le caoutchouc, le papier, le plastique et les cosmétiques. Parmi ces nombreuses industries, les textiles sont les premiers à utiliser des colorants pour colorer les fibres. Les rejets de colorants des industries textiles provoquent une grave pollution de l’air, de l’eau et du sol et ont ainsi un impact négatif sur l’environnement. L'industrie textile est récemment devenue un problème important qui a un impact à la fois sur les personnes et sur l'environnement2. Les eaux usées contenant des colorants sont dangereuses car elles contiennent des substances toxiques, des matières en suspension et d'autres produits chimiques3,4. Un produit chimique résultant de leur interaction est extrêmement dangereux pour les personnes, les plantes et la vie aquatique. Il en résulte des maladies d’origine hydrique5. Le MB est le colorant le plus courant et le plus populaire dans l’industrie textile, utilisé pour colorer la laine, la soie et le coton. MB est une structure quinonoïde anionique chargée positivement et la formule chimique du MB est C16H18ClN3S. La méthémoglobinémie, la nécrose tissulaire, la confusion mentale et les vomissements sont tous des effets secondaires possibles de la toxicité du MB6. Limiter le transfert d’oxygène et empêcher la lumière du soleil d’atteindre les plans d’eau sont deux effets négatifs des colorants sur l’environnement7.

Récemment, plusieurs rapports sur les méthodes d’élimination des colorants ont été publiés8. Les trois principales catégories de traitement pour les méthodes présentées sont les traitements chimiques, biologiques et physiques9,10. Certaines des méthodes remarquables généralement signalées comprennent l'adsorption, le traitement biologique, le traitement électrochimique, l'oxydation avancée (AOP) et la filtration sur membrane11,12. La pré-épreuve est utilisée pour éliminer le colorant. Chaque technique présente des avantages et des inconvénients. L’approche la plus fréquemment utilisée est l’adsorption13. Il permet d’éliminer les polluants à des niveaux allant de faibles à élevés. Ainsi, de nombreuses études ont été réalisées pour créer des matériaux adsorbants efficaces et abordables14. La biosorption est la plus adaptable et la plus largement utilisée : elle est à la fois abordable et conviviale15,16. De nombreuses études ont soutenu et confirmé l’utilisation de divers matériaux pour la biosorption des polluants afin d’éliminer les contaminants17,18. Les biosorbants populaires et très efficaces tels que le charbon actif sont également plus chers19, ce qui a conduit de nombreux chercheurs à rechercher des biosorbants peu coûteux et facilement accessibles localement20,21. Pour éliminer le colorant MB des eaux usées textiles, T. aestivum est utilisé comme biosorbant à faible coût dans cette étude. Il s’agit d’un déchet agricole fréquemment jeté, facilement accessible et qui ne peut plus être utilisé à des fins bénéfiques22,23. De plus, il est disponible gratuitement ou extrêmement peu coûteux, ce qui en fait un biosorbant facilement disponible et rentable. Les inconvénients des adsorbants synthétisés pour le traitement des eaux usées de teinture sont que la régénération du biosorbant est coûteuse et entraîne une perte de matériaux, nécessite un dosage élevé et est économiquement non viable pour certaines industries comme le papier et la pâte à papier.