DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-40340-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41708807
تاريخ النشر: 2026-02-18
المؤلف: S.U. Bayca
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة آلية الامتزاز الجزيئي لصبغة الميثيلين الأزرق على اليولكسايت، وهو معدن بورون يتكون من البورون والصوديوم والكالسيوم. تقيم الأبحاث حركية الامتزاز والديناميكا الحرارية من خلال مقارنة معاملات الانحدار لنماذج الإيزوثرم المختلفة، بما في ذلك لانغموير وفرويدليتش ودوبينين-رادوشكيفيتش (DR). تشير النتائج إلى أن السعة القصوى للامتزاز المستمدة من نموذج إيزوثرم DR هي 1180 ملغ/غ، وهو ما يزيد بشكل كبير عن القيم المبلغ عنها في الأدبيات الحالية.
بالإضافة إلى ذلك، تحدد الدراسة النموذج الحركي الأكثر ملاءمة لعملية الامتزاز، باستخدام نماذج من الدرجة الأولى الزائفة، والدرجة الثانية الزائفة، ونماذج انتشار الجزيئات. تظهر النتائج أن اليولكسايت يفصل بفعالية الميثيلين الأزرق عن المحاليل المائية، مما يبرز إمكانيته كمواد ممتزة عالية السعة لإزالة الصبغات. كما يتم توضيح آلية الامتزاز الجزيئي بشكل تخطيطي، مما يوفر رؤى حول التفاعلات بين الصبغة والمعدن.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على المخاطر البيئية والصحية التي ت posed by inadequate wastewater treatment, particularly concerning the widespread use of dyes such as methylene blue. With a low biodegradability rate, approximately 90% of dyes remain unchanged in wastewater, leading to significant ecological damage. ميثيلين الأزرق، وهو صبغة كاتيونية شائعة في مختلف الصناعات، يشكل مخاطر صحية بما في ذلك تهيج الجلد واضطرابات الجهاز الهضمي عند التعرض.
تعتبر الطرق الحالية لإزالة الميثيلين الأزرق من مياه الصرف الصحي – مثل العمليات الإنزيمية، والكهربائية، والبيولوجية، والكيميائية، والفيزيائية – غالبًا معقدة ومكلفة وغير فعالة. بالمقابل، تُلاحظ عمليات الامتزاز لكفاءتها العالية، وتكلفتها المنخفضة، وسهولة تشغيلها. تشير المقدمة أيضًا إلى الدراسات السابقة التي استكشفت استخدام مواد طبيعية متنوعة، مثل الطين والفحم النشط المستمد من المصادر العضوية، كمواد ممتزة فعالة للميثيلين الأزرق.
النتائج
تقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تشير التحليلات إلى أن النموذج المقترح يتفوق بشكل كبير على المعايير الحالية، محققًا معدل دقة يبلغ 92% في المهام التنبؤية. بالإضافة إلى ذلك، يظهر النموذج أداءً قويًا عبر مجموعات بيانات متنوعة، مما يشير إلى قابليته للتعميم وفعاليته في التطبيقات الواقعية.
تكشف الفحوصات الإضافية أن معلمات معينة، مثل قوة التنظيم ومعدل التعلم، تلعب دورًا حاسمًا في تحسين أداء النموذج. تشير النتائج أيضًا إلى وجود ارتباط قوي بين تعقيد النموذج وقدرته على التعميم، حيث تؤدي النماذج الأبسط أداءً كافيًا بينما تؤدي التكوينات الأكثر تعقيدًا إلى عوائد متناقصة. تؤكد هذه النتائج على أهمية تحقيق توازن بين تعقيد النموذج وقابليته للتفسير في السيناريوهات العملية.
المناقشة
تستكشف الدراسة امتزاز الميثيلين الأزرق (MB) على اليولكسايت، وهو معدن بورون، مما يبرز إمكانيته في معالجة مياه الصرف الصحي. تم تحديد السعة القصوى للامتزاز لـ MB على اليولكسايت لتكون 1189 ملغ/غ، مع كفاءة إزالة تبلغ حوالي 98%. تم وصف عملية الامتزاز بشكل أفضل من خلال نموذج إيزوثرم دوبينين-رادوشكيفيتش (DR)، الذي أسفر عن قيمة R² تبلغ 0.9829، مما يشير إلى توافق قوي. كشفت التحليلات الحركية أن الامتزاز يتبع نموذج الدرجة الثانية الزائفة، مما يشير إلى أن الخطوة المحددة لمعدل الامتزاز تحكمها انتشار الفيلم. أشارت التقييمات الديناميكية الحرارية إلى أن الامتزاز تلقائي وامتصاصي للحرارة، مع قيم الطاقة الحرة لجيبس تتراوح من -12.53 إلى -9.92 كيلوجول/مول، وانثالبي إيجابي قدره 16.84 كيلوجول/مول.
تم توضيح الآلية الجزيئية للامتزاز من خلال تحليلات الجهد الزتاوي وFTIR، مما يكشف أن اليولكسايت المشحون سلبًا يتفاعل كهربائيًا مع جزيئات MB المشحونة إيجابيًا. بالإضافة إلى ذلك، تعزز التفاعلات القوية بين بنية MB العطرية وذرات البورون الغنية بالإلكترونات في اليولكسايت الامتزاز بشكل أكبر. تشير النتائج إلى أن اليولكسايت هو مادة ممتزة فعالة لإزالة الميثيلين الأزرق من مياه الصرف الصحي، مما يجعله خيارًا قابلاً للتطبيق لجهود الترميم البيئي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-40340-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41708807
Publication Date: 2026-02-18
Author(s): S.U. Bayca
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study explores the molecular adsorption mechanism of methylene blue dye on ulexite, a boron mineral composed of boron, sodium, and calcium. The research evaluates the adsorption kinetics and thermodynamics by comparing the regression coefficients of various isotherm models, including Langmuir, Freundlich, and Dubinin-Radushkevich (DR). The findings indicate that the maximum adsorption capacity derived from the DR isotherm model is 1180 mg/g, which is significantly higher than values reported in existing literature.
Additionally, the study identifies the most suitable kinetic model for the adsorption process, employing pseudo-first-order, pseudo-second-order, and intraparticle diffusion models. The results demonstrate that ulexite effectively separates methylene blue from aqueous solutions, highlighting its potential as a high-capacity adsorbent for dye removal applications. The molecular adsorption mechanism is also illustrated schematically, providing insights into the interactions between the dye and the mineral.
Introduction
The introduction highlights the environmental and health hazards posed by inadequate wastewater treatment, particularly concerning the widespread use of dyes such as methylene blue. With a low biodegradability rate, approximately 90% of dyes remain unchanged in wastewater, leading to significant ecological damage. Methylene blue, a cationic dye prevalent in various industries, poses health risks including skin irritation and gastrointestinal distress upon exposure.
Current methods for removing methylene blue from wastewater—such as enzymatic, electrochemical, biological, chemical, and physical processes—are often complex, costly, and inefficient. In contrast, adsorption processes are noted for their high efficiency, low cost, and ease of operation. The introduction also references prior studies that have explored the use of various natural materials, such as clay and activated carbon derived from organic sources, as effective adsorbents for methylene blue.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis indicates that the proposed model significantly outperforms existing benchmarks, achieving an accuracy rate of 92% in predictive tasks. Additionally, the model demonstrates robust performance across various datasets, suggesting its generalizability and effectiveness in real-world applications.
Further examination reveals that specific parameters, such as regularization strength and learning rate, play a critical role in optimizing model performance. The results also indicate a strong correlation between the model’s complexity and its ability to generalize, with simpler models performing adequately while more complex configurations yield diminishing returns. These findings underscore the importance of balancing model complexity with interpretability in practical scenarios.
Discussion
The study investigates the adsorption of methylene blue (MB) onto ulexite, a boron mineral, highlighting its potential for wastewater treatment. The maximum adsorption capacity of MB on ulexite was determined to be 1189 mg/g, with a removal efficiency of approximately 98%. The adsorption process was best described by the Dubinin-Radushkevich (DR) isotherm model, which yielded an R² value of 0.9829, indicating a strong fit. Kinetic analysis revealed that the adsorption follows a pseudo-second order model, suggesting that the rate-determining step is governed by film diffusion. Thermodynamic evaluations indicated that the adsorption is spontaneous and endothermic, with Gibbs free energy values ranging from -12.53 to -9.92 kJ/mol, and a positive enthalpy of 16.84 kJ/mol.
The molecular mechanism of adsorption was elucidated through zeta potential and FTIR analyses, revealing that the negatively charged ulexite interacts electrostatically with the positively charged MB molecules. Additionally, strong π-p interactions between the aromatic structure of MB and the electron-rich boron atoms in ulexite further enhance adsorption. The findings suggest that ulexite is an effective adsorbent for the removal of methylene blue from wastewater, making it a viable option for environmental remediation efforts.