Cellulose nanosponges in water decontamination : atrazine as case study

The presence of pesticides in water is a global concern because of their possible human health implications. Atrazine, one of the most widely used pesticides in the world, is of particular concern both because it has been classified as a possible endocrine disruptor and because of its chemical and physical characteristics such as high persistence in soil and water, mobility in soil and low biodegradability, which implies its presence in water even years after its release. For this reason, currently there are several environmental remediation techniques reported in the literature for the removal of this pesticide from water, mainly focusing on adsorption approaches. In fact, atrazine is also widely investigated as model molecule to validate the decontamination efficiency of newly designed materials. In this thesis work, first I conducted a meta-analysis of operating conditions tested in literature with different adsorbents and the influence they have on the adsorption performances. Moreover, I synthesised cellulose nanosponges (CNSs) and used them for the first time as adsorbents to remove atrazine from water, comparing the experimental data with those derived by the literature meta-analysis. Preliminary studies showed promising results in removal efficiencies. Kinetic studies identified the pseudo-second order model as descriptive of the process, while isotherm studies showed an atypical trend which deviates from the classical descriptive models of the adsorption process. This behaviour may be due to interference related to the solvent required for solubilizing atrazine in higher concentrations, or to the specific adsorption mechanism involved. In conclusion, CNS appears to be a suitable material for the removal of atrazine from water, but further studies are needed to better understand the adsorption mechanism. For this purpose, strategic functionalization of atrazine is under investigation, in order to modify the molecule and use the obtained derivatives as probes for better understanding the molecule-adsorbent interaction.

La presenza di pesticidi nelle acque è un problema a livello globale per via delle possibili implicazioni sulla salute umana che essi comportano. L’atrazina, uno dei pesticidi più diffusi al mondo, desta particolari preoccupazioni sia per essere stata classificata come un possibile interferente endocrino sia per le sue caratteristiche chimico-fisiche quali alta persistenza in suolo e acqua, mobilità nel suolo e bassa biodegradabilità che ne implicano la presenza nelle acque anche dopo diversi anni dal rilascio. Per questo motivo, attualmente in letteratura sono riportate diverse tecniche di risanamento ambientale per la rimozione di questo pesticida dalle acque, principalmente incentrate sull’adsorbimento. Infatti, l’atrazina è anche ampiamente studiata come molecola modello per validare l’efficienza di decontaminazione di nuovi materiali. In questo lavoro di tesi, ho innanzitutto condotto una metanalisi delle condizioni operative testate in letteratura con diversi adsorbenti e della loro influenza sulle prestazioni di adsorbimento. Inoltre, ho sintetizzato delle nanospugne di cellulosa (CNS) e le ho utilizzate per la prima volta come adsorbenti per rimuovere l’atrazina dall’acqua, confrontando i dati sperimentali con quelli derivati dalla metanalisi di letteratura. Gli studi preliminari hanno mostrato risultati promettenti in termini di efficienza di rimozione. Gli studi riguardanti le cinetiche hanno individuato il modello di pseudo secondo ordine come descrittivo del processo, mentre quelli sulle isoterme hanno evidenziato un andamento atipico che si discosta dai modelli classici descrittivi del processo di adsorbimento. Questo comportamento può essere dovute a interferenze legate al solvente necessario per solubilizzare l’atrazina in concentrazioni più elevate o allo specifico meccanismo di adsorbimento coinvolto. In conclusione, le CNS risultano essere un materiale adatto alla rimozione di atrazina dalle acque, ma sono necessari ulteriori studi per comprenderne meglio il meccanismo di adsorbimento. A tal fine, è in corso di studio una funzionalizzazione strategica dell’atrazina, al fine di modificare la molecola e utilizzarla come sonda per comprendere meglio l’interazione molecola-adsorbente.