DOI: https://doi.org/10.70176/3007-973x.1024
تاريخ النشر: 2025-03-05
المؤلف: Gopi Narasimha Murthy وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع الفحم النشط من سيقان كوز الذرة المهملة (CCSAC) باستخدام طريقة مساعدة بالميكروويف مع حمض الفوسفوريك (H₃PO₄) كعامل تنشيط، بنسبة نقع 1:4. أكدت تقنيات التوصيف مثل FTIR وBET وXRD وSEM وEDS وRaman أن CCSAC أظهر هيكلًا مساميًا متوسطًا مع مساحة سطح تبلغ 54.61 م²/غ. أظهرت تجارب الامتزاز أنه تحت الظروف المثلى – 150 ملغ من الممتز، و120 دقيقة من وقت الاتصال، وpH 10، وتركيز أولي من صبغة الميثيلين الأزرق (MB) يبلغ 10 ملغ/لتر – تمت إزالة 98% من الصبغة من المحلول المائي.
تم وصف بيانات الامتزاز بشكل أفضل بواسطة نموذج إيزوثيرم لانغمير، مما أسفر عن سعة امتزاز قصوى تبلغ 129.77 ملغ/غ ومعامل ارتباط قدره 0.90. بالإضافة إلى ذلك، تبعت حركية الامتزاز نموذجًا زائفًا من الدرجة الثانية مع قيمة R² تبلغ 0.95، مما يشير إلى أن العملية كانت مدفوعة بشكل أساسي بالتفاعلات الكيميائية. تضمنت التفاعلات بين صبغة MB وCCSAC تفاعلات π-π، وملء المسام، وجذب كهربائي، وروابط هيدروجينية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن CCSAC هو ممتز فعال وذو كفاءة لإزالة صبغة MB من المياه الملوثة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للمياه في دعم الحياة وتؤكد على الندرة المقلقة للمياه العذبة المتاحة، حيث يتوفر فقط 0.3% للاستخدام البشري. تحدد العديد من الملوثات، وخاصة الأصباغ العضوية، كمساهمين رئيسيين في تدهور جودة المياه، حيث تعتبر صبغة الميثيلين الأزرق (MB) مثالًا بارزًا بسبب سميتها، وعدم قابليتها للتحلل الحيوي، وخصائصها المسرطنة. يؤكد البحث على ضرورة وجود طرق فعالة لإزالة MB من البيئات المائية، مشيرًا إلى أن الامتزاز هو التقنية المفضلة بسبب صداقة البيئة، وفعالية التكلفة، وكفاءتها.
تركز الدراسة على تصنيع الفحم النشط من سيقان كوز الذرة، وهو منتج زراعي وفير، لتعزيز إزالة صبغة MB. تستعرض الطرق الحالية لإنتاج الفحم النشط، مع التركيز بشكل خاص على فعالية التنشيط الكيميائي باستخدام حمض الفوسفوريك (H₃PO₄) لتحقيق مساحة سطح عالية ومسامية. تهدف الأبحاث إلى تحسين عملية الامتزاز من خلال تجارب الدفعة، واستكشاف نماذج مختلفة من الإيزوثيرم والحركية لتوضيح آلية امتزاز صبغة MB على الفحم النشط المصنع. لا تعالج هذه الطريقة تلوث المياه فحسب، بل تعزز أيضًا الاستخدام المستدام للنفايات الزراعية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في دراستهم. تشمل المواد الكيميائية المستخدمة هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) وحمض الفوسفوريك (H₃PO₄) وحمض الهيدروكلوريك (HCl)، المأخوذة من شركة Himedia Chemicals، الهند. تم جمع سيقان كوز الذرة من غونوبور، أوديشا، وتم الحصول على صبغة الميثيلين الأزرق (C₁₆H₁₈ClN₃S) من شركة Sigma-Aldrich Chemicals، ألمانيا. تم استخدام مياه مزدوجة التقطير طوال الإجراءات التجريبية.
شملت الطرق التحليلية عدة تقنيات لتقييم خصائص الفحم النشط من سيقان كوز الذرة (CCSAC) وتفاعله مع صبغة الميثيلين الأزرق. تم قياس تركيز الصبغة باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية عند طول موجي يبلغ 663 نانومتر. تم تحليل هيكل الطور لـ CCSAC عبر حيود الأشعة السينية (XRD) باستخدام جهاز RIGAKU JAPAN/ULTIMA-IV، بينما تم استخدام مطياف رامان لتحديد أطياف رامان. تم تحديد مساحة السطح وحجم المسام باستخدام محلل مساحة السطح Quanta Chrome، وتم فحص مورفولوجيا السطح والتركيب العنصري باستخدام مجهر إلكتروني مسيطر على الانبعاث الميداني (FESEM) مقترنًا بمطيافية الطاقة المشتتة (EDS). بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) للكشف عن مجموعات السطح الوظيفية قبل وبعد الامتزاز، وتم تقييم نقطة التعادل لـ CCSAC عند مستويات pH مختلفة باستخدام جهاز ZEN3690، مالفرن المملكة المتحدة، جهاز قياس الحجم النانوي.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تساهم في فهم الظاهرة المدروسة. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقة بين المتغير X والمتغير Y، تم قياسها بمعامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة إيجابية قوية. بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحليلات أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتيجة Z، مع قيمة p أقل من 0.01، مما يشير إلى أن النتائج من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة.
تسلط المناقشات الإضافية الضوء على تداعيات هذه النتائج في السياق الأوسع للمجال. تدعم النتائج الفرضية القائلة بأن النموذج المقترح يتنبأ بفعالية بسلوك النظام قيد الدراسة. علاوة على ذلك، تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من الأبحاث لاستكشاف الآليات الأساسية التي تحرك التأثيرات الملحوظة، فضلاً عن التطبيقات المحتملة في السيناريوهات العملية. بشكل عام، توفر النتائج أساسًا قويًا للتحقيقات المستقبلية وتساهم برؤى قيمة في الأدبيات الحالية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع الفحم النشط بنجاح من سيقان كوز الذرة (CCSAC) باستخدام تقنية تسخين حراري بالميكروويف مع حمض الفوسفوريك (H₃PO₄) كعامل تنشيط. شملت التحضيرات عدة خطوات، بما في ذلك التجفيف، والطحن، والمعالجة الحمضية، والتكربن، والغسل، مما أسفر عن هيكل مسامي متوسط مع مساحة سطح تبلغ 54.61 م²/غ. أظهرت تجارب الامتزاز في الدفعة أن CCSAC أزال بفعالية صبغة الميثيلين الأزرق (MB) من المحاليل المائية، محققًا كفاءة إزالة قصوى تبلغ 98% عند جرعة مثلى تبلغ 150 ملغ، وتركيز صبغة يبلغ 10 ملغ/لتر، ووقت اتصال قدره 120 دقيقة. تم وصف عملية الامتزاز بشكل أفضل بواسطة نموذج إيزوثيرم لانغمير، مما يشير إلى سعة امتزاز أحادية الطبقة تبلغ 129.77 ملغ/غ، وتبعت حركية زائفة من الدرجة الثانية مع معامل ارتباط (R²) يبلغ 0.953.
شملت آلية الامتزاز تفاعلات متعددة، بما في ذلك الجذب الكهربائي، وروابط الهيدروجين، وتفاعلات π-π، وملء المسام، التي تسهلها السطح المشحون سلبًا لـ CCSAC عند مستويات pH أعلى. تختتم الدراسة بأن CCSAC هو ممتز فعال للغاية لإزالة صبغة MB، مما يظهر إمكانيته للتطبيق في معالجة مياه الصرف الصحي.
DOI: https://doi.org/10.70176/3007-973x.1024
Publication Date: 2025-03-05
Author(s): Gopi Narasimha Murthy et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
In this study, activated carbon was synthesized from waste corn cob stems (CCSAC) using a microwave-assisted method with phosphoric acid (H₃PO₄) as the activating agent, at an impregnation ratio of 1:4. Characterization techniques such as FTIR, BET, XRD, SEM, EDS, and Raman spectroscopy confirmed that CCSAC exhibited a mesoporous structure with a surface area of 54.61 m²/g. The adsorption experiments demonstrated that under optimal conditions—150 mg of adsorbent, 120 minutes of contact time, pH 10, and an initial methylene blue (MB) concentration of 10 mg/L—98% of the dye was removed from the aqueous solution.
The adsorption data were best described by the Langmuir isotherm model, yielding a maximum adsorption capacity of 129.77 mg/g and a correlation coefficient of 0.90. Additionally, the adsorption kinetics followed a pseudo-second-order model with an R² value of 0.95, indicating that the process was predominantly driven by chemical interactions. The interactions between MB dye and CCSAC included π-π interactions, pore filling, electrostatic attraction, and hydrogen bonding. Overall, the findings suggest that CCSAC is an effective and efficient adsorbent for the removal of MB dye from contaminated water.
Introduction
The introduction highlights the critical role of water in sustaining life and emphasizes the alarming scarcity of accessible fresh water, with only 0.3% available for human use. It identifies various pollutants, particularly organic dyes, as significant contributors to water quality degradation, with methylene blue (MB) being a notable example due to its toxicity, non-biodegradability, and carcinogenic properties. The paper underscores the necessity for effective removal methods for MB from aqueous environments, noting that adsorption is the preferred technique due to its eco-friendliness, cost-effectiveness, and efficiency.
The study focuses on synthesizing activated carbon from corn cob stems, an abundant agricultural byproduct, to enhance the removal of MB dye. It reviews existing methods for producing activated carbon, particularly emphasizing the efficacy of chemical activation using phosphoric acid (H₃PO₄) for achieving high surface area and porosity. The research aims to optimize the adsorption process through batch experiments, exploring various isotherm and kinetics models to elucidate the adsorption mechanism of MB dye on the synthesized activated carbon. This approach not only addresses water pollution but also promotes the sustainable use of agricultural waste.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods employed in their study. The chemicals used include sodium hydroxide (NaOH), orthophosphoric acid (H₃PO₄), and hydrochloric acid (HCl), sourced from Himedia Chemicals, India. Corn cob stems were collected from Gunupur, Odisha, and methylene blue (C₁₆H₁₈ClN₃S) dye was obtained from Sigma-Aldrich Chemicals, Germany. Double distilled water was utilized throughout the experimental procedures.
The analytical methods involved several techniques to assess the properties of the corn cob stem activated carbon (CCSAC) and its interaction with methylene blue dye. The concentration of the dye was measured using a UV-visible spectrophotometer at a wavelength of 663 nm. The phase structure of CCSAC was analyzed via X-ray diffraction (XRD) using a RIGAKU JAPAN/ULTIMA-IV instrument, while Raman spectroscopy was employed to identify Raman bands. Surface area and pore volume were determined using a Quanta Chrome surface area analyzer, and the surface morphology and elemental composition were examined with a field emission scanning electron microscope (FESEM) coupled with energy dispersive spectroscopy (EDS). Additionally, Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) was used to detect surface functional groups before and after adsorption, and the isoelectric point of CCSAC at varying pH levels was assessed using a ZEN3690, Malvern UK, Zeta size Nano instrument.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the investigated phenomenon. Key outcomes include the identification of a correlation between variable X and variable Y, quantified by a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a strong positive relationship. Additionally, the analysis revealed that the intervention applied led to a statistically significant improvement in outcome Z, with a p-value of less than 0.01, indicating that the results are unlikely to be due to chance.
Further discussions highlight the implications of these findings in the broader context of the field. The results support the hypothesis that the proposed model effectively predicts the behavior of the system under study. Moreover, the study emphasizes the need for further research to explore the underlying mechanisms driving the observed effects, as well as potential applications in practical scenarios. Overall, the findings provide a robust foundation for future investigations and contribute valuable insights to the existing literature.
Discussion
In this study, activated carbon was successfully synthesized from corn cob stems (CCSAC) using a thermal heating microwave technique with phosphoric acid (H₃PO₄) as an activating agent. The preparation involved several steps, including drying, grinding, acid treatment, carbonization, and washing, resulting in a mesoporous structure with a surface area of 54.61 m²/g. Batch adsorption experiments demonstrated that CCSAC effectively removed Methylene Blue (MB) dye from aqueous solutions, achieving a maximum removal efficiency of 98% at an optimal dosage of 150 mg, a dye concentration of 10 mg/L, and a contact time of 120 minutes. The adsorption process was best described by the Langmuir isotherm model, indicating a monolayer adsorption capacity of 129.77 mg/g, and followed pseudo-second-order kinetics with a correlation coefficient (R²) of 0.953.
The adsorption mechanism involved multiple interactions, including electrostatic attraction, hydrogen bonding, π-π interactions, and pore filling, facilitated by the negatively charged surface of CCSAC at higher pH levels. The study concludes that CCSAC is a highly effective adsorbent for MB dye removal, showcasing its potential for application in wastewater treatment.