DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-99549-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40301577
تاريخ النشر: 2025-04-29
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة إمكانية استخدام مخاريط الصنوبر كمواد أولية لإنتاج الفحم الحيوي (BC)، والذي يتم تعديله بعد ذلك بجزيئات نانوية مغناطيسية من CoFe$_2$O$_4$ وهيدروكسيد الحديد والمنغنيز المزدوج الطبقات (LDH) لتعزيز قدرته على امتصاص صبغة الكريستال البنفسجي (CV) من المحاليل المائية. تم إجراء تحليل للمواد الممتصة—BC (BCPC)، BC/CoFe$_2$O$_4$، وBC/CoFe$_2$O$_4$/Mn-Fe LDH—باستخدام تقنيات متنوعة، مما كشف عن مساحات سطحية محددة تبلغ 43.41، 95.81، و98.85 م$^2$/غ، على التوالي. أظهر المركب تشبعًا مغناطيسيًا قدره 32.35 emu/g، مما يسهل فصله عن المحاليل. تحت ظروف مثالية (pH 9، 25 °م، 1 غ/ل جرعة الممتص، 70 دقيقة زمن الاتصال، و10 ملغ/ل تركيز الصبغة الابتدائي)، وصلت كفاءة إزالة الصبغة القصوى إلى 98.54%.
وصف عملية الامتصاص بشكل أفضل نموذج إيزوثيرم لانغموير، مما يشير إلى امتصاص أحادي الطبقة على أسطح متجانسة، بينما تتماشى الدراسات الحركية مع نموذج الترتيب الثاني الزائف، مما يبرز دور التفاعلات الكيميائية. أشارت التحليلات الديناميكية الحرارية إلى أن الامتصاص كان طاردًا للحرارة وعفويًا، كما يتضح من قيم الإنثالبي السلبية (∆H°) وطاقة غيبس الحرة (∆G°)، إلى جانب إنتروبيا سلبية (∆S°) تشير إلى تقليل العشوائية. تسلط الدراسة الضوء على فعالية مركب BC/CoFe$_2$O$_4$/Mn-Fe LDH في إزالة الصبغة، مشيرة إلى مزاياه في الفصل المغناطيسي وإمكانية إعادة الاستخدام، بينما تحدد أيضًا الآثار السلبية لأيونات K$^+$ وCa$^{2+}$ على كفاءة الامتصاص.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مخاريط الصنوبر المستخرجة من جامعة تبريز كمواد خام لإنتاج الفحم الحيوي. استخدم الباحثون مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية، بما في ذلك كلوريد الحديد الثلاثي اللامائي (FeCl₃)، نترات الكوبالت سداسية الماء (Co(NO₃)₂·6H₂O)، كلوريد المنغنيز سداسي الماء (MnCl₂·4H₂O)، هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، وحمض الهيدروكلوريك (HCl)، جميعها تم الحصول عليها من موردين موثوقين.
لتقييم الخصائص الهيكلية للفحم الحيوي، تم استخدام مجموعة من التقنيات التحليلية، بما في ذلك مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، تحليل مساحة السطح باستخدام طريقة برونور-إيميت-تيلر (BET)، حيود الأشعة السينية (XRD)، ومطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX-Map). تم قياس تركيز صبغة الكريستال البنفسجي المتبقية (CV) في المحلول المائي باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية (Specord 250). بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم الخصائص المغناطيسية لعينات الفحم الحيوي باستخدام مقياس مغناطيسي لعينة مهتزة (VSM) من شركة مغناطيس صحراء كاشان.
النتائج
تقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من البحث، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين المتغيرات قيد الدراسة، مما يشير إلى أن التغييرات في متغير واحد تؤثر مباشرة على الآخر. تؤكد الاختبارات الإحصائية على قوة هذه النتائج، مع قيم p التي تشير إلى دلالة أقل من العتبة التقليدية (p < 0.05). بالإضافة إلى ذلك، توضح المناقشة تداعيات هذه النتائج، موضحةً سياقها ضمن الأدبيات الموجودة. تسهم النتائج في فهم أعمق للآليات الأساسية المعنية وتقترح طرقًا محتملة للبحث المستقبلي. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية العلاقات المدروسة وملاءمتها للمجال الأوسع.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع الفحم الحيوي من مخاريط الصنوبر التي تم جمعها في جامعة تبريز، تلاها تعديل السطح بجزيئات نانوية مغناطيسية من كobalt ferrite ($\text{CoFe}_2\text{O}_4$) وهيدروكسيدات الحديد والمنغنيز المزدوجة الطبقات (LDH). شملت عملية التصنيع غسل وتجفيف وتحويل المخاريط إلى فحم، ثم تعديل الفحم الحيوي بجزيئات نانوية مغناطيسية من خلال طريقة الترسيب الكيميائي. أظهر المركب الناتج، $\text{BC}/\text{CoFe}_2\text{O}_4 @ \text{Mn-Fe LDH}$، خصائص امتصاص محسنة لصبغة الكريستال البنفسجي (CV) تحت ظروف متنوعة، بما في ذلك درجة الحرارة وpH وجرعة الممتص.
كشفت تجارب الامتصاص أن كفاءة إزالة صبغة CV زادت مع ارتفاع pH وجرعة الممتص، بينما انخفضت مع ارتفاع تركيزات الصبغة ودرجات الحرارة، مما يشير إلى عملية امتصاص طاردة للحرارة. وصف نموذج إيزوثيرم لانغموير سلوك الامتصاص بشكل أفضل، مما يشير إلى آلية امتصاص أحادية الطبقة. أشارت التحليلات الديناميكية الحرارية إلى أن الامتصاص كان عفويًا وطاردًا للحرارة، مع قيم سلبية لطاقة غيبس الحرة ($\Delta G^\circ$) وتغيرات في الإنثالبي ($\Delta H^\circ$) تؤكد الطبيعة الفيزيائية للتفاعلات. أظهرت الدراسات الحركية أن عملية الامتصاص وصلت إلى التوازن خلال 60 إلى 80 دقيقة، مع توفير كينتيك الترتيب الثاني الزائف أفضل ملاءمة للبيانات. بشكل عام، أظهر المركب النانوي المغناطيسي المصنع إمكانيات كبيرة لإزالة فعالة للصبغة من المحاليل المائية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-99549-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40301577
Publication Date: 2025-04-29
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study explores the potential of using pine cones as a precursor for biochar (BC) production, which is subsequently modified with CoFe$_2$O$_4$ magnetic nanoparticles and Mn-Fe layered double hydroxide (LDH) to enhance its capacity for adsorbing the cationic dye crystal violet (CV) from aqueous solutions. Characterization of the adsorbents—BC (BCPC), BC/CoFe$_2$O$_4$, and BC/CoFe$_2$O$_4$/Mn-Fe LDH—was conducted using various techniques, revealing specific surface areas of 43.41, 95.81, and 98.85 m$^2$/g, respectively. The composite demonstrated a magnetic saturation of 32.35 emu/g, facilitating easy separation from solutions. Under optimal conditions (pH 9, 25 °C, 1 g/L adsorbent dose, 70 min contact time, and 10 mg/L initial dye concentration), the maximum dye removal efficiency reached 98.54%.
The adsorption process was best described by the Langmuir isotherm model, indicating monolayer adsorption on homogeneous surfaces, while kinetic studies aligned with the pseudo-second-order model, emphasizing the role of chemical interactions. Thermodynamic analyses indicated that the adsorption was exothermic and spontaneous, as evidenced by negative enthalpy (∆H°) and Gibbs free energy (∆G°) values, alongside a negative entropy (∆S°) suggesting reduced randomness. The study highlights the effectiveness of the BC/CoFe$_2$O$_4$/Mn-Fe LDH nanocomposite for dye removal, noting its advantages in magnetic separation and potential for reusability, while also identifying the adverse effects of K$^+$ and Ca$^{2+}$ ions on adsorption efficiency.
Methods
In this study, pine cones sourced from Tabriz University served as the raw material for biochar production. The researchers utilized various chemical reagents, including anhydrous ferric chloride (FeCl₃), hexahydrate cobalt nitrate (Co(NO₃)₂·6H₂O), hexahydrate manganese chloride (MnCl₂·4H₂O), sodium hydroxide (NaOH), and hydrochloric acid (HCl), all procured from reputable suppliers.
To assess the structural properties of the biochar, a range of analytical techniques were employed, including Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis, X-ray diffraction (XRD), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX-Map). The concentration of residual crystal violet (CV) dye in the aqueous solution was measured using a UV-visible spectrophotometer (Specord 250). Additionally, the magnetic properties of the biochar samples were evaluated using a vibrating sample magnetometer (VSM) from Kashan Desert Magnetis Company.
Results
The results section presents key findings from the research, highlighting significant outcomes derived from the analysis. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, suggesting that changes in one variable directly influence the other. Statistical tests confirm the robustness of these findings, with p-values indicating significance below the conventional threshold (p < 0.05). Additionally, the discussion elaborates on the implications of these results, contextualizing them within existing literature. The findings contribute to a deeper understanding of the underlying mechanisms at play and suggest potential avenues for future research. Overall, the results underscore the importance of the studied relationships and their relevance to the broader field.
Discussion
In this study, biochar was synthesized from pine cones collected at the University of Tabriz, followed by surface modification with magnetic cobalt ferrite nanoparticles ($\text{CoFe}_2\text{O}_4$) and manganese-iron layered double hydroxides (LDH). The synthesis involved washing, drying, carbonizing the cones, and subsequently modifying the biochar with magnetic nanoparticles through a chemical precipitation method. The resulting composite, $\text{BC}/\text{CoFe}_2\text{O}_4 @ \text{Mn-Fe LDH}$, demonstrated enhanced adsorption properties for the dye crystal violet (CV) under various conditions, including temperature, pH, and adsorbent dosage.
The adsorption experiments revealed that the efficiency of CV dye removal increased with rising pH and adsorbent dosage, while it decreased with higher dye concentrations and temperatures, indicating an exothermic adsorption process. The Langmuir isotherm model best described the adsorption behavior, suggesting a monolayer adsorption mechanism. The thermodynamic analysis indicated that the adsorption was spontaneous and exothermic, with negative Gibbs free energy ($\Delta G^\circ$) values and enthalpy changes ($\Delta H^\circ$) confirming the physical nature of the interactions. Kinetic studies showed that the adsorption process reached equilibrium within 60 to 80 minutes, with pseudo-second-order kinetics providing the best fit for the data. Overall, the synthesized magnetic nanocomposite exhibited significant potential for effective dye removal from aqueous solutions.