Адсорпција органо-тиофосфатних пестицида из воде на активне угљеничне материјале добијене карбонизацијом вискозних влакана

Abstract

Органо-тиофосфатни пестициди играју кључну улогу у савременој пољопривреди, посебно у развијеним земљама, где се широко користе за контролу и сузбијање биљних болести и штеточина. Међутим, њихова прекомерна употреба доводи до озбиљног загађења животне средине, нарочито водених екосистема, а њихови токсични ефекти негативно утичу на људско здравље. Ови пестициди делују као инхибитори ацетилхолинестеразе, што изазива поремећаје у неуротрансмисији и може довести до озбиљних здравствених проблема. Због потенцијалних ризика, постоји потреба за развојем ефикасних метода за уклањање пестицида из воде и других природних ресурса. Адсорпција на различите материјале, као што су активни угљенични материјали, представља један од најефикаснијих начина за смањење концентрације ових пестицида у водама. Ова докторска дисертација се бави синтезом угљеничних материјала добијених карбонизацијом вискозних влакана и испитивањем њихове примене у процесу адсорпције органотиофосфатних пестицида из водених раствора. Основни циљ истраживања је утврђивање ефикасности адсорпције и процена потенцијалне примене ових материјала у заштити животне средине, посебно у области пречишћавања воде. Материјали су синтетисани коришћењем три различита приступа, а њихове физичкохемијске особине детаљно су анализиране применом скенирајуће електронске микроскопије (енг. scanning electron microscopy - SEM), енергетски дисперзивне рендгенске анализе (енг. energydispersive X-ray analysis - EDX), Раманске спектроскопије, инфрацрвене спектроскопије са Фуријеовом трансформацијом (енг. Fourier-transform infrared spectroscopy - FTIR), мерења зета потенцијала и BET (енг. Brunauer–Emmett–Teller – BET) анализе површине. Испитивана је адсорпција органо-тиофосфатних пестицида у стационарним и динамичким условима, уз варирање температуре и концентрације, док су концентрације пестицида у раствору одређиване применом течног хроматографа ултра високих перформанси (енг. ultra-performance liquid chromatography - UPLC). Кинетика и термодинамика адсорпције анализиране су применом модела псеудо-првог и псеудо-другог реда, Еловичевог модела и модела интрачестичне дифузије. Подаци су додатно обрађени применом различитих адсорпционих изотерми, као што су Лангмирова, Фројндлихова, Темкинова, Дубинин-Радушкевичева и Сипсова изотерма. Поред тога, праћено је смањење токсичности третираних узорака мерењем активности ензима ацетилхолинестеразе (AChE), као и регенерација употребљених адсорбенаса. Материјали су тестирани и на реалним узорцима (биљни екстракти и чесменска вода). Очекује се да резултати добијени у оквиру ове докторске дисетације допринесу бољем разумевању механизама адсорпције органо-тиофосфатних пестицида на угљеничним материјалима и омогуће развој ефикасних, економичних и одрживих метода за уклањање ових загађивача из водених система.

Organophosphate pesticides play a key role in modern agriculture, particularly in developed countries, where they are widely used to control plant diseases and pests. However, their excessive use leads to serious environmental pollution, especially in aquatic ecosystems, and their toxic effects negatively impact human health. These pesticides act as acetylcholinesterase inhibitors, causing neurotransmission disruptions and potentially leading to severe health problems. Due to the potential risks, there is a need to develop efficient methods for removing pesticides from water and other natural resources. Adsorption onto various materials, such as activated carbon materials, is one of the most effective ways to reduce the concentration of these pesticides in water. This doctoral dissertation focuses on synthesizing carbon materials obtained by the carbonization of viscose fibers and their application in the adsorption of organophosphate pesticides from aqueous solutions. The primary goal of the research is to determine the adsorption efficiency and evaluate the potential application of these materials in environmental protection, particularly in water purification. The materials were synthesized using three different approaches, and their physicochemical properties were thoroughly analyzed using scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive Xray analysis (EDX), Raman spectroscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), zeta potential measurements, and Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface area analysis. The adsorption of organophosphate pesticides was investigated under both static and dynamic conditions, with variations in temperature and concentration, while pesticide concentrations in the solutions were determined using ultra-performance liquid chromatography (UPLC). The kinetics and thermodynamics of adsorption were analyzed using pseudo-first-order and pseudo-second-order models, the Elovich model, and the intraparticle diffusion model. The data were further processed using various adsorption isotherms, including the Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin–Radushkevich, and Sips isotherms. Additionally, the reduction in the toxicity of treated samples was monitored by measuring acetylcholinesterase (AChE) activity, and the regeneration of the used adsorbents was also evaluated. The materials were tested on real samples (plant extracts and tap water). The results are expected to contribute to a better understanding of the mechanisms of organophosphate pesticide adsorption on carbon materials and enable the development of efficient, costeffective, and sustainable methods for removing these contaminants from water systems.