إزالة فعالة لصبغة الكونغو الأحمر باستخدام الفحم النشط المستخرج من أزهار سباثوديا كامبانولاتا Efficient adsorptive removal of Congo Red dye using activated carbon derived from Spathodea campanulata flowers

المجلة: Scientific Reports، المجلد: 15، العدد: 1
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86032-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39805985
تاريخ النشر: 2025-01-13

تقارير علمية

مفتوح

إزالة فعالة لصبغة الكونغو الأحمر باستخدام الفحم النشط المستخرج من أزهار سباثوديا كامبانولاتا

سوجيش سودارسون , غوكولاكريشنان موروغيسان , ثيفاهاران فارادافينكاتيسان , راميش فيناياجام & راجا سيلفاراج

تستكشف هذه التقرير إعداد وتوصيف وتطبيق الفحم النشط المستخرج من أزهار شجرة سباثوديا كامبانولاتا (SCAC) لإزالة صبغة الكونغو الأحمر (CR) من المجاري المائية. تم تصنيع SCAC باستخدام تنشيط حمض الفوسفوريك، مما أسفر عن مادة مسامية بسطح محدد ( )، متجاوزة بشكل كبير القيم المبلغ عنها للفحم النشط المستخرج من الأزهار في الأدبيات المتاحة. كشفت صورة المجهر الإلكتروني الماسح (FESEM) عن شكل سطحي غير منتظم وخشن قبل الامتصاص، والذي أصبح أكثر سلاسة بعد الامتصاص، مما يدل على نجاح ارتباط CR. أكدت التحليلات العنصرية من خلال مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) ومطيافية الإلكترون الضوئي للأشعة السينية (XPS) زيادة في محتوى الكربون وظهور الكبريت، مما يحقق امتصاص CR. امتثلت حركيات الامتصاص لمعادلة الترتيب الثاني الزائف، مما يدل على الامتصاص الكيميائي، بينما كانت مجموعة بيانات التوازن تتناسب بشكل أفضل مع نموذج لانغموير، مع من 0.9944، مما يشير إلى آلية امتصاص أحادية الطبقة مع سعة امتصاص قصوى قدرها . كشفت التحليلات الديناميكية الحرارية عن عملية امتصاص تلقائية وامتصاص ماص للحرارة. أظهرت دراسات الإزالة أن الميثانول هو أكثر عوامل الإزالة فعالية، مع احتفاظ SCAC بسعة امتصاص كبيرة عبر ست دورات، مما يبرز قابليته لإعادة الاستخدام. في الاختبارات مع مصفوفات المياه الحقيقية، أظهر SCAC كفاءة إزالة أعلى بكثير في المياه الطبيعية مقارنة بالتحكم، مما يشير إلى تعزيز الامتصاص في المصفوفات المعقدة. تؤكد هذه النتائج على التطبيق العملي لـ SCAC في معالجة مياه الصرف الصحي في العالم الحقيقي، مما يوفر حلاً واعدًا للتطبيقات الصناعية على نطاق واسع.
الكلمات الرئيسية: الامتصاص، الفحم النشط، سباثوديا كامبانولاتا، صبغة الكونغو الأحمر، التجديد، دراسات التطفل
يمثل التلوث البيئي، الذي يشمل الهواء والتربة والمياه، تحديًا كبيرًا في العصر الحديث . أدت التصنيع السريع، والتحضر، ونمو السكان إلى زيادة إطلاق الملوثات في البيئة، مما يؤثر على صحة الإنسان والحياة البرية والأنظمة البيئية الطبيعية . من بين هذه القضايا، يبرز تلوث المياه الناتج عن الصناعات كقضية حرجة، حيث يلوث المسطحات المائية، مما يجعلها غير آمنة للاستهلاك ويضر بالحياة المائية . غالبًا ما تحتوي مياه الصرف الصناعي على مزيج معقد من الملوثات، بما في ذلك المعادن الثقيلة، والأدوية، والمبيدات، ومختلف الأصباغ .
للتخفيف من الآثار الضارة لهذه الملوثات، تم استكشاف طرق معالجة مختلفة، تشمل الأساليب الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية. بينما تقدم العلاجات الفيزيائية مثل الترسيب والترشيح إزالة فعالة من حيث التكلفة للملوثات الجسيمية، فإن فعاليتها للملوثات المذابة محدودة، وغالبًا ما تتطلب خطوات معالجة إضافية . على العكس، تظهر الطرق الكيميائية، بما في ذلك التجلط، والتكتل، والأكسدة، كفاءة أعلى في إزالة الملوثات . ومع ذلك، فإن هذه الطرق مكلفة، وتستهلك الطاقة، وقد تولد الحمأة. غالبًا ما تواجه الطرق البيولوجية تحديات مثل معدلات التحلل البطيئة، والفعالية المحدودة ضد هياكل الملوثات المتنوعة، والحساسية للمعلمات البيئية، مما يعيق قابليتها للتوسع في التطبيقات الصناعية . تعقد صعوبة معالجة مياه الصرف الصناعي
وجود الأصباغ الاصطناعية، التي تستخدم على نطاق واسع في صناعة النسيج بسبب ألوانها الزاهية وثباتها الكيميائي.
تعتبر صناعة النسيج، وهي مستهلك رئيسي للمياه على مستوى العالم، تعتمد على أنواع مختلفة من الأصباغ، بما في ذلك الأصباغ التفاعلية، والمباشرة، والحامضية، والمشتتة . تعتبر صبغة الكونغو الأحمر (CR)، وهي صبغة ديازونية اصطناعية تتميز بلونها الأحمر الزاهي، لها تاريخ طويل في صناعة النسيج. تحتوي صبغة CR على مجموعات حمض السلفونيك ( ) التي تتأين في المحلول، مما يمنحها شحنة سالبة صافية . يشكل تصريف CR في المسطحات المائية مخاطر بيئية وصحية خطيرة. تعطل هذه الأصباغ الأنظمة البيئية المائية من خلال تغيير خصائص المياه، وتعزيز الإثراء الغذائي، ومنع عملية التمثيل الضوئي للنباتات، مما يضر في النهاية بالحياة المائية . بالإضافة إلى ذلك، تثير CR مخاوف صحية كبيرة بما في ذلك تطور خلايا سرطانية، خاصة في المثانة . نتيجة لذلك، أصبح تطوير طرق معالجة فعالة ومستدامة لإزالة CR والأصباغ المماثلة من مياه الصرف الصحي مجالًا حاسمًا للبحث.
مؤخراً، حظيت ظاهرة الامتصاص، وهي ظاهرة سطحية، باهتمام كبير لفعاليتها في إزالة مجموعة واسعة من الملوثات، بما في ذلك CR من مياه الصرف الصحي. تعتبر هذه الطريقة خيارًا مفضلًا بسبب بساطتها، وطبيعتها غير المكلفة، وإنتاج الحد الأدنى من الحمأة، وقدرات الإزالة الانتقائية، وكفاءتها العالية . تم دراسة مواد ماصة مختلفة، مثل المعادن الطينية، والمنتجات الزراعية الثانوية، والزيوليت، والفحم الحيوي، وMOFs، لإزالة CR، ولكن غالبًا ما تكون استخداماتها العملية محدودة بسبب التكاليف العالية والاستقرار المنخفض في الماء .
حظي الفحم النشط (AC) باهتمام كبير في عملية الامتصاص بسبب مزاياه العديدة. توفر مساحته السطحية العالية، الناتجة عن هيكله المسامي، مواقع ربط وفيرة لجزيئات الامتصاص مثل CR، مما يجعله فعالًا للغاية لمجموعة واسعة من التطبيقات البيئية والصناعية. علاوة على ذلك، تعزز القدرة التجديدية الفطرية لـ AC، التي يمكن تحقيقها من خلال طرق معالجة مختلفة، استدامته الاقتصادية والبيئية بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، تعتبر هذه المواد صديقة للبيئة، مع تأثير بيئي ضئيل وإمكانية الإنتاج المستدام من مصادر كربونية متنوعة، بما في ذلك قشور جوز الهند , قشور الأرز , وقطع الذرة من بين الأمثلة الحديثة.
على الرغم من مزاياها، فإن AC المستخرج من هذه المواد الأولية يقدم قيودًا كبيرة. على وجه الخصوص، حقق AC المصنوع من قشور جوز الهند مساحة سطح عالية قدرها من خلال التحلل الحراري عند تحت جو نيتروجيني . ومع ذلك، ظلت سعة امتصاصه القصوى لـ CR منخفضة نسبيًا عند . علاوة على ذلك، فإن الطلبات العالية للطاقة المرتبطة بمثل هذه درجات الحرارة المرتفعة للتحلل الحراري تشكل تحديات لجدوى التكلفة لإنتاج AC على نطاق واسع، مما يحد من قابليته العملية. بالمثل، بينما توفر قشور الأرز مصدرًا فعالًا من حيث التكلفة ووفيرًا، أظهر AC الناتج سعة امتصاص أقل بكثير قدرها ، مما يعيق قابليته للتطبيق في العالم الحقيقي . بالإضافة إلى ذلك، حقق AC المنتج من قطع الذرة مساحة سطح معتدلة قدرها ، ومع ذلك كانت سعة امتصاصه القصوى فقط . تسلط هذه النتائج الضوء على التحدي المستمر لتحقيق توازن بين مساحة سطح عالية وأداء امتصاص متفوق في AC المنتج من مصادر الكتلة الحيوية التقليدية.
نظرًا لهذه القيود، فإن استكشاف مصادر الكتلة الحيوية البديلة ذات الخصائص الفريدة، مثل أزهار سباثوديا كامبانولاتا، قد يوفر طريقًا واعدًا لإعداد AC مع قدرات محسنة لامتصاص CR. تُعرف S. campanulata، المعروفة أيضًا بشجرة التوليب الأفريقية، بأنها شجرة زينة وتزرع على نطاق واسع في المناطق شبه الاستوائية، بما في ذلك الهند. استكشفت الدراسات الحديثة استخدام الكتلة الحيوية لـ S. campanulata لإعداد AC لإزالة مختلف الأصباغ من المحاليل المائية. على سبيل المثال، أظهر AC المعد باستخدام أوراق S. campanulata إمكانات امتصاص منخفضة قدرها لصبغة CR . استكشفت دراسة أخرى استخدام AC المستخرج من . سيقوم campanulata بإزالة الميثيلين الأزرق . على الرغم من أن أجزاء مختلفة من لقد تم دراسة S. campanulata بشكل مكثف من أجل تخليق AC، لكن زهورها تظل موردًا غير مستغل، مما يوفر فرصة كبيرة يسعى هذا البحث لاستكشافها. إن وفرة ونمو S. campanulata السريع في المناطق شبه الاستوائية يجعلها مصدرًا متاحًا ومستدامًا للكتلة الحيوية. إن استخدام زهورها، التي غالبًا ما تُعتبر نفايات، يساهم في تعزيز قيمة النفايات ويعزز الاقتصاد الدائري من خلال تقليل الأعباء البيئية بينما يعزز العمليات الصديقة للبيئة. هذه الزهور غنية بشكل فريد بالمواد الكيميائية النباتية مثل الفلافونويدات، والتانينات، واللجنين، وغيرها من المركبات النشطة حيويًا، مما يخلق مواقع نشطة وفيرة لامتصاص CR بكفاءة. .
تتناول الدراسة أيضًا قيود المواد الكربونية النشطة الحالية المستمدة من مصادر الكتلة الحيوية المختلفة، والتي غالبًا ما تواجه تحديات مثل ارتفاع تكاليف الإنتاج، وإجراءات التركيب المعقدة، وانخفاض المساحة السطحية، وسعة الامتصاص غير الكافية. من خلال استخدام أزهار S. campanulata كمواد سابقة وحمض الفوسفوريك. كعامل تنشيط، تتغلب طريقتنا بفعالية على هذه القيود. على وجه التحديد، فإن استخدام أزهار S. campanulata يقلل من تكاليف الإنتاج من خلال توفير مادة خام رخيصة ووفيرة. بالإضافة إلى ذلك، يبسط عملية التخليق لأنه أقل تآكلاً وأكثر أمانًا في التعامل. مقارنةً بالبدائل مثل ، ، أو هيدروكسيد البوتاسيوم. تتطلب هذه البدائل درجات حرارة تنشيط أعلى في نطاق والأجواء الخاملة، مما يزيد من استهلاك الطاقة ومخاطر السلامة . على النقيض من ذلك، طريقتنا، التي تستخدم نسبة 1:1 من الكتلة الحيوية إلى نسبة، تعمل بكفاءة عند درجة حرارة أقل ( لمدة ساعتين ) دون الحاجة إلى جو خامل. هذه الطريقة تقلل من تكاليف الطاقة وتعزز السلامة بينما تحقق مساحة سطح عالية وقدرة محسنة على الامتزاز. علاوة على ذلك، فإن استخدام يساهم في استدامة العملية بسبب سمّيته المنخفضة والمخاطر البيئية المتقلبة. . أيضًا، خطوة تحييد لاحقة باستخدام قاعدة مناسبة تضمن التعامل الآمن والتخلص من عامل التنشيط المستهلك، مما يقلل من الأثر البيئي بشكل أكبر.
لذا، تركز هذه الدراسة الحالية على إعداد وتطبيق الفحم النشط المستمد من مصدر الكتلة الحيوية المستدام والمتاح بسهولة، زهور S. campanulata، لإزالة صبغة CR. تم استخدام دراسات الحركية والمعادلات لتوفير رؤى آلية حول عملية الامتزاز، موضحة التفاعلات بين جزيئات صبغة CR وسطح الفحم النشط. بالإضافة إلى ذلك، تفحص الدراسة بدقة إمكانيات الإزالة والتجديد للفحم النشط المستخرج من SCAC، موضحة قدرته على الحفاظ على الكفاءة على مدى عدة دورات إعادة استخدام، مما يبرز جدواه الاقتصادية والبيئية. لتقييم قابليته العملية، تم اختبار SCAC أيضًا في مصفوفات المياه الواقعية، مؤكدًا فعاليته في معالجة المياه الملوثة تحت ظروف واقعية.
تثبت هذه النتائج أن أزهار S. campanulata تعتبر مقدمة قيمة لتخليق الكربون النشط، مما يوفر حلولاً فعالة ومستدامة لتحديات معالجة مياه الصرف.

المواد والمنهجية المواد

تم جمع أزهار سباثوديا كامبانولاتا داخل حرم الجامعة في مانيبال، الهند. صبغة CR , MW: تم الحصول عليه من هيميديا (الهند). حمض الفوسفوريك ( ، ) وبيكربونات الصوديوم ( تم الحصول على المواد من سيغما-ألدريش (الولايات المتحدة الأمريكية) وميرك (ألمانيا) على التوالي. تم الحصول على HCl و NaOH من فيشر ساينتيفيك (الولايات المتحدة الأمريكية). تم إجراء جميع التجارب باستخدام الماء المقطر.

تحضير الممتزات

تم تخليق AC من أزهار S. campanulata، وفقًا لطريقة معدلة تم وصفها سابقًا بواسطة باترا وآخرون. تم التعرف على أزهار الشجرة وتصنيفها من قبل السيدة غاياتري باي، قسم علم النبات، كلية MGM، أودوبي، الهند. باختصار، تم جمع أزهار S. campanulata، وتنظيفها بالماء المقطر، ثم تجفيفها (في فرن هواء ساخن: ). بعد ذلك، تم طحن الأزهار المجففة. من أجل التفعيل الكيميائي، تم خلط المسحوق مع في وتركت دون إزعاج لمدة 6 ساعات. بعد ذلك، تم وضع المحتويات للتقدم في العمر (فرن هواء ساخن: ). تم حرق المحتويات في فرن مفلط ( 400 تم غسل المادة المتفحمة جيدًا بـ محلول حتى pH محايد، مجفف (فرن هواء ساخن: )، وتم تصنيف التيار المتردد المحضر على أنه SCAC (الشكل 1).

التحليل الهيكلي والوظيفي لـ SCAC

تم استخدام عدة تقنيات لتوصيف SCAC المُركب. تم تحليل الميزات الشكلية السطحية والتركيبات العنصرية بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح ذو الانبعاث الميداني (FESEM، Zeiss Sigma 300، كارل زيس، ألمانيا) المدمج مع مطياف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS، أكسفورد إنسترومنتس، المملكة المتحدة). تم قياس المساحة السطحية المحددة (SSA) وحجم المسام باستخدام تحليل بروناوير-إيميت-تيلر (BET، سمارت إنسترومنت، الهند). بالإضافة إلى ذلك، تم التحقيق في الطبيعة البلورية باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD، D8 Advance، بروكير، ألمانيا). تم فحص الطبيعة السطحية وأنواع الروابط باستخدام مطياف الأشعة السينية للألكترونات (XPS، ثيرمو فيشر، المملكة المتحدة). أخيرًا، تم التحقيق في المجموعات الوظيفية بواسطة مطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR، شيمادزو 8400 S، اليابان). نقطة الشحن الصفري ( تم تقديره بواسطة منهجية انحراف الرقم الهيدروجيني.

تجارب الامتزاز

تم إجراء تجارب الامتزاز لتقييم فعالية SCAC في إزالة CR. للبدء، تم التحقيق في تأثير الرقم الهيدروجيني من خلال إدخال SCAC في 100 مل من صبغة CR، مع قيم pH تتراوح بين 5 و 10 (تتغير صبغة CR في اللون والهيكل بسبب البروتنة عند ). بعد دراسة الرقم الهيدروجيني، تم تحليل تأثير جرعة SCAC على امتصاص CR. تم تغيير جرعات SCAC بين 0.2 و ،
الشكل 1. تمثيل تخطيطي لعملية التخليق لـ SCAC المشتق من أزهار S. campanulata.
تم خلطها مع صبغة CR مع الحفاظ على الرقم الهيدروجيني المحسن. بعد ذلك، تم دراسة تأثير تركيزات CR الأولية ومدة الاتصال عند تركيزات CR تتراوح بين 20 و ، باستخدام الرقم الهيدروجيني والجرعة المثلى. بالإضافة إلى هذه المعايير، تم تقييم تأثير درجة الحرارة أيضًا. تم تغيير درجة الحرارة بين 293 و 323 كلفن تحت الرقم الهيدروجيني المثالي، والجرعة، وتركيز CR لتقييم تأثيرها على إزالة CR. خلال جميع التجارب، كانت الخلائط تهتز باستمرار ( ) في جهاز هزاز يتحكم في درجة الحرارة (Remi CIS-24 Plus). تم جمع العينات في فترات محددة وتم طردها مركزيًا (جهاز الطرد المركزي Eppendorf 5425، ألمانيا). تم قياس تركيز CR المتبقي بواسطة مطياف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية (Shimadzu UV-1900i) عند 497 نانومتر. تم إجراء تجارب ثلاثية، وتم الإبلاغ عن القيم المتوسطة. كفاءة الإزالة ( ) وسعة الامتزاز ( ) تم حسابها بواسطة المعادلتين (1) و (2).
حيث ، و هي تركيزات CR في البداية، الوقت ‘ ، والتوازن ( ). يمثل حجم المحلول (لتر)، و يمثل كتلة SCAC (غ).

نمذجة الامتزاز

ديناميكا الامتزاز

تم إجراء ديناميات الامتزاز لفحص خطوة التحكم في المعدل. تم تحليل مجموعة البيانات الحركية باستخدام نماذج معروفة: النموذج الزائف من الدرجة الأولى (PFO)، النموذج الزائف من الدرجة الثانية (PSO)، ونموذج الانتشار داخل الجسيمات (IPD). كما هو موضح في المعادلات (3)-(5).
حيث و تمثل سعة الامتزاز عند الزمن ‘t’ والتوازن على التوالي. ، و حدد قيم الثوابت الخاصة بـ PFO و PSO و IPD. C هو تقاطع IPD.

إيزوثيرم الامتزاز

لتحليل آلية الامتزاز وتقييم كفاءة الامتزاز لـ SCAC، تم ملاءمة مجموعة البيانات التجريبية لنماذج الإيزوثرم: لانغموير، فريدنليخ، وتمكين. كما هو موضح في المعادلات (6)-(8).
أين، ” : السعة القصوى للامتزاز ( ) ، ثابت لانغموير ( ) ، ثابت فريندليش ), 1/n: أس exponent Freundlich، : ثابت حرارة الامتزاز (جول/مول) و ” : ثابت التوازن للتفاعل ( ).

ديناميكا حرارية الامتزاز

لفحص الجدوى، والعفوية، وطبيعة الامتزاز، العوامل الديناميكية الحرارية مثل التغير في الإنثالبي القياسي ( )، الإنتروبيا القياسية ( ) ، وطاقة غيبس الحرة القياسية ( ) تم حسابها باستخدام نموذج فان’t هوف كما هو موضح في المعادلة (9).
أين، ” : ثابت التوازن ( ) ، : ثابت الغاز المثالي و T : درجة الحرارة المطلقة ( ك ) و –

إمكانات إزالة الامتصاص والتجديد لـ SCAC

تم إجراء تجارب إزالة الامتصاص لفحص إمكانيات تجديد SCAC المستهلك، بهدف تعزيز الجدوى الاقتصادية. تم استخدام أربعة عوامل إزالة مثل الميثانول، الإيثانول، ، و تم تقييمها من حيث كفاءتها في إزالة CR. تم الحصول على SCAC المستهلك من تجارب الامتصاص مع صبغة CR و تم معالجة SCAC بـ 50 مل من كل عامل إزالة. بعد الإزالة، تم جمع SCAC وتجفيفه ( ) وتم تخزينها لإعادة الاستخدام. لتقييم فعالية كل عامل إزالة، تم إجراء دورة امتصاص ثانية باستخدام SCAC المعاد تجديده. تم اختيار عامل الإزالة الذي أظهر أعلى إزالة لـ CR لإجراء دراسات إعادة الاستخدام الإضافية، حيث تم إجراء ستة سلسلة متتالية من الامتصاص والإزالة. بعد كل دورة، تم تحديد أداء الامتصاص لـ SCAC المعاد تجديده.

تقييم فعالية SCAC في إزالة CR من مصفوفات المياه

تم جمع عينات المياه من خمسة مصفوفات متميزة وهي، شلالات عربي، مياه الصنبور، بحيرة مانيبال، ونهر سوارنا، من خلال أخذ عينات عشوائية، ثم تم إضافة صبغة CR لتقييم كفاءة الممتزات تحت ظروف العالم الحقيقي. تمت دراسة المياه الجوفية الصناعية، المستمدة من بئر داخل منطقة صناعية للنسيج، في هذه الدراسة أيضًا. من المحتمل أن تحتوي هذه المياه الجوفية على مجموعة متنوعة من الأيونات المذابة وغيرها من المواد المميزة لتصريف مياه الصرف الصناعي أو الجريان السطحي، مما يجعلها متميزة عن مصادر المياه الطبيعية الأخرى مثل الأنهار أو البحيرات. إن تضمينها في الدراسة يوفر حالة اختبار واقعية لـ SCAC في مصفوفة مائية معقدة، قد تكون ملوثة، ذات صلة بالبيئات الصناعية. تم إجراء تجارب دفعة لكل مصفوفة ثلاث مرات لضمان الدقة وقابلية التكرار. تم استخدام جرعة ثابتة من SCAC تمت إضافة 100 مل من كل عينة، مع إضافة تم توحيد الرقم الهيدروجيني (pH) ليكون 7.0 عبر جميع العينات. تم تقييم أداء SCAC كما تم مناقشته في الأقسام السابقة.

النتائج والمناقشات

دراسات توصيف SCAC

الخصائص الشكلية والعنصرية لـ SCAC

قدمت صور FESEM تحليلًا بصريًا مفصلًا للتغيرات الشكلية في SCAC قبل وبعد الامتزاز. كشفت الصورة قبل الامتزاز (الشكل 2a) عن شكل سطحي غير منتظم وخشن للغاية، يتميز بهيكل مسامي وقشري نموذجي للمواد اللجنوسليلوزية. كانت الشقوق الكبيرة وغير المتساوية، والفراغات، والحطام الحبيبي شائعة، مما ساهم جميعه في ارتفاع خشونة السطح وزيادة المساحة السطحية المتاحة للامتزاز كما هو موثق في الأدبيات. علاوة على ذلك، أكدت وجود المسام المتطورة بشكل جيد فعالية تنشيط حمض الفوسفوريك في إنشاء شبكة مسامية هرمية، مثالية لانتشار الصبغة. underwent SCAC السطح تحولات شكلية كبيرة عند الامتزاز (الشكل 2ب). أصبح النسيج الخشن وغير المنتظم في البداية أكثر سلاسة، مما يدل على الالتصاق الناجح لجزيئات CR. وقد تم دعم هذا التحول بشكل أكبر من خلال انخفاض وضوح الشقوق والفراغات وفتحات المسام.
تم إجراء تحليل الطاقة المشتتة (EDS) لتحليل الطبيعة العنصرية لـ SCAC (الشكل 2c). قبل الامتصاص، أظهر SCAC قممًا بارزة للكربون والأكسجين، مما أكد على تكوين الكربون المنشط. بالإضافة إلى ذلك، كان الفوسفور الذي تم إدخاله أثناء تنشيط حمض الفوسفوريك موجودًا في البداية بكميات ضئيلة. وظهور الكبريت عند بعد الامتزاز يوفر دليلاً مباشراً على نجاح امتصاص CR كما هو موضح في الأدبيات. ، حيث أن ذرات الكبريت موجودة في التركيب الجزيئي لـ CR.

تحليل بروناور-إيميت-تيلر

تم قياس مساحة السطح و حجم المسام لـ SCAC في هذه الدراسة كـ و ، على التوالي. تبرز هذه القيمة كمرتفع، خاصة عند مقارنتها بالتقارير الأدبية الحديثة حول المواد الفعالة المستخلصة من مصادر زهرية متنوعة. على سبيل المثال، تحقق أزهار بوراسوس الإثيوبي مساحة سطح متواضعة من يُنتج الكركديه (Hibiscus rosa-sinensis) بينما تصل أزهار القطيفة إلى قيمة أعلى ولكن لا تزال أقل بكثير من حتى الأزهار الذكرية لشجرة جوز الهند، التي تظهر واحدة من أكبر المساحات السطحية بين الدراسات المماثلة، تصل فقط إلى تُعزى المساحة السطحية العالية الملحوظة في SCAC إلى عملية التنشيط الكيميائي باستخدام الذي يعزز تطوير هيكل مسامي من خلال تفكيك مكونات الكتلة الحيوية وتسهيل تشكيل المسام يبرز التباين إمكانيات SCAC في التطبيقات التي تتطلب مساحة سطح عالية و مسامية، مما يجعله يتفوق بشكل كبير على الكربون المنشأ من الأزهار من حيث الأداء. بالإضافة إلى ذلك، يكشف قطر المسام لـ SCAC الذي تم قياسه عند 3.56 نانومتر عن الطبيعة المسامية للماص، مما يعزز قدرته على امتصاص جزيئات CR من خلال توفير وصول أكبر إلى المسام.

تحليل حيود الأشعة السينية

ذروة XRD العريضة (الشكل 3أ) التي لوحظت بين قيم من يتوافق مع المرحلة غير المتبلورة الموجودة عادة في أظهر تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) قمة بارزة واحدة عند قيمة لـ المطابقة للطائرة (002) ، والتي تشير إلى بلورات الجرافيت داخل هيكل AC. تتماشى قمم XRD التي تم ملاحظتها في هذه الدراسة مع النتائج التي توصل إليها براكاش وآخرون، الذين حددوا قمة عند قيمة لـ ، مما يؤكد وجود الجرافيت في الكربون المنشط المسامي المستخرج من سيقان الأرهار . وبالمثل، أبلغ سومسيستا وآخرون عن قمة في حيود الأشعة السينية عند قيمة لـ لـ AC المحضر من ألياف السيزال .
من المثير للاهتمام أن مخططات الانكسار للطائرة (002) لم تظهر تغييرات ملحوظة في موضع القمة قبل وبعد الامتزاز، مما يشير إلى أن البلورية العامة لهيكل SCAC ظلت غير متأثرة طوال عملية الامتزاز. ومع ذلك، لوحظ زيادة طفيفة في حدة وشدة القمم بعد الامتزاز، مما يشير إلى أن امتزاز CR قد يؤدي إلى إعادة ترتيب أو تعديلات دقيقة على SCAC، مما يؤدي إلى هيكل أكثر ترتيبًا وبالتالي قمم أكثر حدة. سبب آخر محتمل لزيادة الحدة والشدة هو إدخال جزيئات CR بين الطبقات الجرافيتية لـ SCAC. .
الشكل 2. صورة FESEM لـ SCAC (أ) قبل و (ب) بعد الامتصاص؛ (ج) طيف EDS لـ SCAC قبل وبعد الامتصاص.

تحليل FTIR

كشفت طيفيات FTIR عن تغييرات رئيسية قبل وبعد الامتزاز، مما يوفر رؤى حول آلية الامتزاز (الشكل 3ب). قبل الامتزاز، أظهر طيف FTIR قمة عند تشير إلى مجموعات الكربونيل، ربما من الألدهيدات أو الكيتونات أو الأحماض الكربوكسيلية . بالإضافة إلى ذلك، الذروة في يدل على اهتزاز التمدد، المرتبط عادةً بالحلقات العطرية، يدعم وجود الهياكل العطرية داخل SCAC. الإشارة تتعلق بكل من اهتزاز انحناء C-H واهتزاز تمدد C-O. . علاوة على ذلك، الإشارة عند يُنسب إلى تمتد من الكحوليات، الإيثرات، و التمدد الذي قدمه حمض الفوسفوريك، مؤكدًا تفعيل SCAC مع مجموعات وظيفية مشتقة من الحمض. الفرقة عند ، سمة من سمات التمدد يشير إلى وجود الكحولات أو الإيثرات أو الإسترات . أخيرًا، القمة في هو بسبب الخروج عن المستوى الانحناء، المرتبط عادةً بالحلقات العطرية أو الألكينات .
بعد امتصاص الكروم، حدثت عدة تغييرات رئيسية في طيف FTIR (الشكل 3ب). على سبيل المثال، كانت هناك تحولات طفيفة في الـ ذروة التمدد عند تشير إلى التفاعلات بين CR ومجموعات الكربونيل على سطح الكربون . تحول الـ إشارة التمدد عند يقترح تفاعلات بين CR وحلقات الأروماتيك لـ SCAC، ربما من خلال التفاعلات. علاوة على ذلك، هناك تحول طفيف في الـ ذروة الانحناء عند قد ينتج عن تأثير CR الممتص على سطح SCAC.
الشكل 3. (أ) أنماط حيود الأشعة السينية لـ SCAC قبل وبعد الامتصاص؛ (ب) طيف FTIR لـ SCAC قبل وبعد الامتصاص.
أيضًا، التحول في الذروة عند ، أصلاً في ، يقترح تفاعلات بين CR والمجموعات الوظيفية المسؤولة عن هذه الاهتزازات في SCAC، مما ينطوي على أو سندات الوجود المستمر لـ الإشارة تشير إلى أن اهتزاز الشد لا يتأثر بشكل كبير بعملية الامتزاز. بالإضافة إلى هذه التحولات، من المهم أيضًا ملاحظة أن شدة القمة انخفضت بعد الامتزاز. هذا الانخفاض يرجع أساسًا إلى تغطية السطح بواسطة جزيئات CR، التي تخفي الأوضاع الاهتزازية للمجموعات السطحية الموجودة في SCAC. علاوة على ذلك، التفاعلات مثل الروابط الهيدروجينية و التفاعل بين CR وSCAC يغير توزيع الإلكترونات ويقيد حرية الاهتزاز للمجموعات السطحية، مما يساهم بشكل أكبر في انخفاض شدة القمة.

دراسات XPS

أظهر مسح XPS لـ SCAC كما هو موضح في الشكل 4a قمم بارزة للكربون (C1s) والأكسجين (O1s) والنيتروجين (N1s) والفوسفور (P2p) (الشكل 4a في الإطار)، مما يؤكد وجودها على سطح SCAC. بعد الامتزاز، ظهرت القمة المقابلة للكبريت (S2p) (الشكل 4a في الإطار)، مما يعني الربط الناجح لـ CR على SCAC. تشير القمة الحادة عالية الكثافة C1s إلى محتوى الكربون العالي في SCAC، بينما تمثل قمة O1s وجود مجموعات وظيفية تحتوي على الأكسجين تم تشكيلها أو تعديلها خلال التنشيط الحراري. تشير قمة P2p (الشكل 4d) إلى الفوسفور الفوسفاتي، الذي من المحتمل أن يكون مدمجًا من حمض الفوسفوريك المستخدم في عملية التخليق .
على وجه التحديد، يتميز طيف XPS عالي الدقة لـ C1s قبل الامتزاز بقمة عريضة تم تفكيكها إلى ثلاثة مكونات متميزة (الشكل 4b). تشير الإشارة عند 284.68 eV إلى الروابط، مما يمثل الكربون النقي أو غير الوظيفي . بعد امتصاص CR، لوحظ تحول طفيف للإشارة إلى 284.53 eV، ربما بسبب التفاعلات مع جزيئات CR . في الوقت نفسه، تُنسب الإشارة 286.26 eV إلى الروابط التي تحولت إلى 285.78 eV، مما يشير إلى مشاركة هذه المجموعات في الامتزاز. علاوة على ذلك، ترتبط القمة عند 288.81 eV بـ الروابط، مما يمثل وجود مجموعات كربوكسيلية تشكلت خلال تحضير AC . بعد امتصاص CR، تحولت هذه القمة إلى طاقة ربط أعلى تبلغ 289.95 eV، مما يشير إلى التغيرات في بيئتها الكيميائية بسبب التفاعلات مع جزيئات CR.
في طيف O1s قبل امتصاص CR (الشكل 4c)، لوحظت قمتان مفككتان: واحدة عند 532.87 eV، تمثل الروابط، وأخرى عند 531.44 eV، تتوافق مع الروابط . بعد الامتزاز، انتقلت كل من القمتين و بشكل طفيف إلى قيم طاقة ربط منخفضة تبلغ 532.68 و531.21 eV، مما ينسب مشاركتها في عملية الامتزاز، وهو ما يتماشى مع التحولات الملحوظة في طيف C1s للروابط. بالإضافة إلى ذلك، عرض طيف P2p قبل امتصاص CR في الشكل 4d إشارة عند 133.9 eV، مما يشير إلى دمج الفوسفور داخل مصفوفة الكربون، بشكل أساسي في شكل فوسفات وفوسفات متعددة . ظلت قمة P2p غير متغيرة نسبيًا بعد الامتزاز، مما يشير إلى أن مجموعات الفوسفات قد لا تشارك مباشرة في الامتزاز ولكنها تساهم في الاستقرار الهيكلي لمادة SCAC. تتماشى طاقات الربط لـ C1s وO1s وP2p مع القيم المبلغ عنها في الأدبيات لـ AC المُصنّع من قرون Peltophorum pterocarpum وأوراق Ficus religiosa .
كشف التركيب العنصري لـ SCAC قبل الامتزاز عن الكربون، الأكسجين، و النيتروجين. بعد الامتزاز، انخفض محتوى الكربون قليلاً إلى ، من المحتمل بسبب جزيئات CR التي تخفي سطح SCAC وتخفف الإشارة من ذرات الكربون الأساسية. وبالمثل، أظهر محتوى الأكسجين أيضًا انخفاضًا طفيفًا إلى ، ربما بسبب تغطية السطح بواسطة CR، أو التفاعلات مع المجموعات المحتوية على الأكسجين، أو إزاحة بعض الأنواع الأكسجينية. تكشف نتائج XPS وEDS بالتالي عن تغييرات رئيسية في التركيب العنصري، بما في ذلك التغيرات في مستويات الكربون والأكسجين وظهور الكبريت بعد الامتزاز. تدعم تحليلات FTIR هذه النتائج، حيث تظهر تحولات في المجموعات الوظيفية مثل ,
الشكل 4. أطياف XPS لـ SCAC قبل وبعد الامتزاز، تظهر تحليلًا تفصيليًا لـ (أ) طيف المسح الكامل (ب) C1s، (ج) O1s و(د) P2p.
و التي تشارك بنشاط في عملية الامتزاز. معًا، تشير هذه الملاحظات إلى زيادة امتصاص CR المدفوعة بآليات مثل التفاعلات الكهروستاتيكية، الروابط الهيدروجينية، أو مزيج من الاثنين.

دراسات تجريبية للامتزاز

تأثير pH
كما هو موضح في الشكل 5a، لوحظ زيادة هامشية في كفاءة إزالة CR بين pH 5 و6، تليها انخفاض طفيف حول pH 7. من المثير للاهتمام، لوحظ ارتفاع طفيف في كفاءة الإزالة مع استمرار زيادة pH من 7 إلى 10. يُعزى الارتفاع الطفيف في كفاءة الإزالة الملحوظة بين pH 5 و6 إلى العلاقة بين SCAC وpKa لـ . عندما يكون pH أقل من ، يحمل SCAC شحنات إيجابية، بينما عند مستويات pH أعلى من ، يحصل على شحنات سلبية . من ناحية أخرى، يحتوي CR على pKa يبلغ 4.1، مما يؤثر على حالته الأيونية في المحلول. عند قيم pH أقل من ، يوجد بشكل أساسي في شكله المؤين، حيث تشكل مجموعات الأمين ( ) وحمض السلفونيك ( ) و على التوالي . ضمن pH من 5 إلى 6، يكون سطح SCAC، مع من 7.2، مشحونًا إيجابيًا. بالتوازي، يوجد CR، مع pKa الخاص به 4.1، بشكل أساسي في شكله غير المؤين. تسهل هذه الاختلافات في الشحنة التفاعلات الكهروستاتيكية بين الأنواع المشحونة، مما يؤدي إلى تحسين أداء الامتزاز. ومع ذلك، لوحظ انخفاض طفيف في كفاءة الامتزاز حول pH 7، من المحتمل بسبب قربه من SCAC. عند هذا pH، يكون الممتز محايدًا في الشحنة وبالتالي أقل احتمالًا لجذب جزيئات CR المشحونة سلبًا.
على الرغم من الشحنة السلبية المتزايدة على كل من سطح SCAC ( ) وجزيئات CR ( ) عند pH 7 إلى 10، تم تحقيق ارتفاع طفيف في كفاءة الإزالة. يشير هذا إلى أن التفاعلات غير الكهروستاتيكية، مثل الروابط الهيدروجينية بين المشحونة سلبًا من CR ومجموعات الهيدروكسيل على سطح SCAC، جنبًا إلى جنب مع قوى فان دير فالس، تصبح أكثر بروزًا . علاوة على ذلك، تعزز التفاعلات المحتملة بين الحلقة العطرية لـ CR والهياكل العطرية لـ SCAC، مما يعزز الامتزاز، مما يعاكس زيادة النفور الكهروستاتيكي. بالنظر إلى التغيرات الضئيلة في كفاءة الإزالة عبر نطاق pH المختبر من 5 إلى 10، تم اعتبار pH الأصلي لـ مثاليًا لتجارب الامتزاز اللاحقة.
الشكل 5. (أ) معلمات الامتزاز بما في ذلك (أ) تأثير pH، (ب) تأثير الجرعة، (ج) تأثير تركيز CR الابتدائي و(د) تأثير درجة الحرارة لامتزاز CR على SCAC.
يقلل هذا القرار من الحاجة إلى تعديلات pH واسعة، مما يعزز كل من العملية العملية وقابلية التوسع للتطبيقات في العالم الحقيقي. يشبه اختيار pH الأمثل النتائج من الأدبيات السابقة التي استخدمت AC من أكواز الذرة وقشور البطيخ .

تأثير جرعة SCAC

يوضح الشكل 5b العلاقة بين جرعة SCAC وكفاءة إزالة CR وسعة الامتزاز. على وجه التحديد، أدى ارتفاع الجرعة من 0.2 إلى إلى زيادة كبيرة في كفاءة الإزالة من 25.48 إلى . تؤكد هذه العلاقة الإيجابية على زيادة توفر مواقع الربط، مما يعزز بدوره التفاعل الأكبر وامتصاص جزيئات CR، مما يعزز إزالتها . على العكس من ذلك، تظهر سعة الامتزاز لـ SCAC انخفاضًا مستمرًا مع زيادة الجرعة. على وجه الخصوص، كانت سعة الامتزاز عند جرعة من وانخفضت إلى عند جرعة من . عند الجرعات الأعلى، يتجاوز عدد مواقع الامتزاز المتاحة عدد جزيئات CR المتاحة للربط. تعكس هذه الظاهرة العلاقة المعاكسة بين الجرعة وسعة الامتزاز كما هو موضح في المعادلة (2). بعد ذلك، تم اختيار جرعة مثالية من للمزيد من الدراسات. تتماشى هذه النتائج المعتمدة على الجرعة لإزالة CR مع الدراسات السابقة التي استخدمت AC المشتق من Sargassum fusiform وCymbopogon winterianus .

تأثير تركيز الصبغة الابتدائي والوقت

تم إجراء تأثير تركيز الصبغة الابتدائي على أداء الامتزاز لـ SCAC من خلال تغيير تركيز CR بين 20 و مع الحفاظ على SCAC (الشكل 5c). خلال الـ 30 دقيقة الأولى من الامتزاز، كان هناك زيادة سريعة في كفاءة الإزالة. هذه الزيادة الأولية ناتجة عن وفرة مواقع الربط على SCAC، التي تستوعب جزيئات CR بسهولة. مع استمرار العملية، يتم الوصول تدريجياً إلى حالة التوازن، والتي تتميز بوجود هضبة في منحنى كفاءة الإزالة بين 80 و 120 دقيقة. تشير هذه الحالة التوازنية إلى أن مواقع الربط على SCAC بدأت تشبع، مما يحد من الامتزاز الإضافي حيث يتم موازنة معدل الامتزاز بمعدل الإزالة. ملاحظة رئيسية أخرى هي العلاقة العكسية بين تركيز CR وكفاءة الإزالة. مع زيادة تركيز CR، انخفضت كفاءة الإزالة من 84.05 إلى أكثر من 180 دقيقة (الشكل 5ج). عند تركيزات أقل،
كانت نسبة الإزالة أعلى بسبب سهولة وصول جزيئات CR واحتلالها للمواقع النشطة الوفيرة. . على النقيض من ذلك، يصبح العدد المحدود من المواقع النشطة على SCAC عاملاً محددًا عند التركيزات العالية. على الرغم من وجود عدد كبير من جزيئات CR، إلا أن المواقع النشطة غير كافية لاستيعاب جميعها. وبالتالي، بعد امتصاص CR حتى تركيز معين، تصل المواقع النشطة على SCAC إلى حالة التشبع. بعد هذه النقطة من التشبع، يتم تحقيق التوازن، مما يؤدي إلى انخفاض في نسبة الإزالة. .

تأثير درجة الحرارة

تم تقييم تأثير درجة الحرارة على كفاءة إزالة الكروم (CR) على الفحم النشط المكلس (SCAC) بين 293 و 323 كلفن. كما هو موضح في الشكل 5d، تظهر أداء الإزالة اتجاهًا تصاعديًا واضحًا مع زيادة درجة الحرارة، حيث يرتفع من عند 293 ك عند 323 كلفن.
تزيد درجات الحرارة المرتفعة من الامتزاز من خلال زيادة الطاقة الحركية لجزيئات CR، مما يؤدي إلى حدوث تصادمات أكثر تكرارًا مع SCAC وتوفير الطاقة الحرارية اللازمة لتجاوز حاجز طاقة التنشيط للامتزاز. . كما كان من الواضح الطبيعة الامتصاصية للحرارة من خلال العلاقة الإيجابية بين درجة الحرارة وكفاءة الإزالة، وهو ما يتماشى مع النتائج من دراسات أخرى تتعلق بالفحم النشط المُصنّع من ألياف الكيناف. .
بينما يُعتبر الامتزاز عمومًا عملية أقل استهلاكًا للطاقة مقارنة بتقنيات الفصل الأخرى، فإن إجراءه عند درجة حرارة مرتفعة تبلغ 323 كلفن يزيد من الطلب على الطاقة، مما يجعله أقل كفاءة في استهلاك الطاقة. علاوة على ذلك، فإن تنفيذ الامتزاز عند درجات حرارة مرتفعة كهذه لمعالجة مياه الصرف الناتجة عن صباغة الأنسجة الصناعية، والتي تتضمن أحجامًا أكبر بكثير، يصبح غير عملي وقد يكون مكلفًا. بالإضافة إلى ذلك، هناك خطر من التبخر الحراري لمحلول CR عند درجات الحرارة العالية، مما يؤدي إلى تقدير غير دقيق لكمية CR الممتزة بواسطة الممتز. لذلك، تم اختيار درجة حرارة مثلى تبلغ 303 كلفن للتجارب اللاحقة على الامتزاز للحفاظ على التوافق بين الجدوى العملية، والفعالية من حيث التكلفة، والاستدامة البيئية.

ديناميكا الامتزاز

يوضح مخطط سعة الامتزاز مقابل الزمن امتصاصًا سريعًا أوليًا للكروم (CR) خلال الدقائق الثلاثين الأولى، ويعزى ذلك إلى التدرج العالي في التركيز بين محلول الكروم والمواقع النشطة الوفيرة على SCAC (الشكل 6a). من المحتمل أن يكون هذا الامتصاص السريع الأولي مدفوعًا بالامتزاز الفيزيائي، حيث ترتبط جزيئات الكروم بشكل ضعيف بسطح SCAC من خلال قوى فان der Waals. مع تقدم عملية الامتزاز، يتناقص المعدل، ليصل في النهاية إلى حالة التوازن عند 180 دقيقة. تشير هذه الهضبة إلى أن مواقع الربط على SCAC قد أصبحت مشبعة. .
لفهم آلية الامتزاز بشكل أعمق، تم ملاءمة مجموعة البيانات لثلاثة نماذج حركية معروفة: PFO و PSO و IPD كما تم مناقشته في الأقسام السابقة. نموذج PFO (الشكل 6a)، الذي يفترض أن معدل الامتزاز يتغير مع إمكانية الوصول إلى المواقع غير المشغولة، أظهر ملاءمة ضعيفة. (الجدول 1) إلى مجموعة البيانات التجريبية. علاوة على ذلك، فإن الانحراف الكبير بين السعة المحسوبة للاحتجاز ( ) من وسعة الامتزاز التجريبية ( ) من يشير إلى أن عملية الامتزاز تشمل تفاعلات أكثر تعقيدًا تتجاوز الامتزاز الفيزيائي البسيط. وهذا مدعوم أيضًا بقيمة كاي المربعة العالية ( قيمة 24.09، مما يؤكد عدم كفاية نموذج PFO لهذا النظام.
على النقيض من ذلك، قدم نموذج PSO، القائم على الامتصاص الكيميائي، ملاءمة أفضل بكثير. ) (الجدول 1). علاوة على ذلك، فإن سعة الامتزاز المحسوبة ( ) من يتماشى بشكل وثيق مع القيمة التجريبية ( ) من ، مما يدعم بشكل أكبر الامتصاص الكيميائي كآلية حاكمة . هذه النتيجة مدعومة بانخفاض قيمة 9.99، مما يبرز الفرق الطفيف بين القيم المحسوبة والتجريبية.
تم تطبيق نموذج IPD لتقييم الانتشار داخل مسام SCAC التي تساهم في عملية الامتزاز. ومع ذلك، فإن انخفاضه ( 0.7731 ) (الجدول 1) ومرتفع تشير قيمة 49.73 إلى أنه، على الرغم من أن الانتشار داخل الجسيمات يساهم في عملية الامتزاز، إلا أنه لا يعتبر الخطوة الرئيسية المحددة للسرعة. بالإضافة إلى ذلك، فإن عدم الخطية في مخطط الانتشار داخل الجسيمات، مع قيمة تقاطع C=15.19 ملغ/غ، التي تشير إلى سمك طبقة الحدود، يدعم بشكل أكبر الطبيعة متعددة المراحل لعملية الامتزاز. وهذا يعني أن نقل الكتلة الخارجي يلعب دورًا كبيرًا خلال المرحلة الأولية قبل أن يصبح الانتشار داخل الجسيمات الآلية السائدة. .

نماذج إيزوثرم الامتزاز

كما هو موضح في الشكل 6ب، هناك ارتفاع حاد في تمت ملاحظته عند مستوى منخفض القيم، مما يدل على وجود تقارب عالٍ بين CR و SCAC. إن هذا الامتصاص السريع الأولي يعود إلى وفرة مواقع الامتصاص الشاغرة على SCAC. ومع ذلك، مع يزيد يبدأ في الاستقرار، مما يشير إلى تشبع تدريجي للمواقع المتاحة. لتوضيح الآلية بشكل أكبر وقياس التفاعل بين CR و SCAC، تم ملاءمة بيانات التوازن التجريبية لثلاثة نماذج معروفة لامتصاص الإيزوثرم: لانغموير، فريدنليخ، وتمكين كما تم مناقشته سابقًا.
أظهر نموذج لانغموير توافقًا ممتازًا مع مجموعة البيانات التجريبية، كما يتضح من الارتفاع قيمة 0.9944 (الجدول 1). تشير هذه العلاقة القوية إلى أن الامتزاز يتبع بشكل أساسي آلية طبقة أحادية، تتميز بتطور طبقة واحدة من جزيئات CR على سطح SCAC. يفترض نموذج لانغموير أن جميع مواقع الربط تمتلك طاقة موحدة وهي متاحة بشكل متساوٍ. ، الذي يتماشى مع الهضبة الملحوظة في في أعلى القيم (الشكل 6ب). علاوة على ذلك، قدم نموذج لانغموير قيمة أقل قيمة 3.07 تعزز الاستنتاج بأنها توفر ملاءمة أكثر دقة وموثوقية للسلوك الملاحظ في الامتزاز. ، تم قياسه ليكون يشير إلى وجود جاذبية قوية نسبيًا بين SCAC و CR، مما يدل على عملية امتصاص مواتية. بالإضافة إلى ذلك، فإن عامل الفصل ( )، المقدمة من، أين، هو التركيز الابتدائي لـ CR. تم حسابه كـ 0.108 ، والذي يقع ضمن ويؤكد على ملاءمة عملية الامتزاز أقصى سعة امتصاص ، المستمدة من نموذج لانغمور كانت ، التي تتجاوز تلك المبلغ عنها في عدة دراسات أخرى تستخدم AC لـ CR
الشكل 6. (أ) حركيات الامتزاز، (ب) إيزوثيرم الامتزاز و (ج) مخطط فانت هوف لامتزاز CR على SCAC.
الإزالة. على سبيل المثال، وثق لايتفتي وآخرون أن سعة الامتزاز للكروم على الفحم النشط المستخرج من صنوبر بيناستر كانت . وبالمثل، أفاد غايدي وآخرون بسعة امتصاص قصوى قدرها لـ AC المستمد من الميرتس الشائع . مصادر أخرى من الأدبيات أبلغت عن سعات امتصاص متباينة للكروم مثل ساق وورقة زهرة اللوتس المائية (14.367 و ألياف الكيناف رماد الفحم ( ) وحجر المشمش تؤكد الجدول 2 على مختلف المواد الماصة المبلغ عنها لإزالة صبغة CR. تكشف البيانات أن SCAC يتميز بمساحته السطحية العالية وحجم المسام الأعلى بشكل ملحوظ.
ديناميكا الامتزاز
نماذج المعلمات القيم
ترتيب زائف من الدرجة الأولى 0.164
٤١.٥٠
0.8900
٢٤.٠٩
ترتيب زائف من الدرجة الثانية (غ/ملغ.دقيقة) 0.0048
سعرة حرارية (ملغ/غ) 44.99
0.9544
9.99
انتشار داخل الجسيمات 2.78
0.7731
٤٩.٧٣
ج ( ) 15.19
إيزوثيرم الامتزاز
لانغموير ٥٩.٢٧
0.411
0.9944
3.07
ودود ٢٨.٣٤
1/ن 0.202
0.9908
٥.٠٣
تمكين 8.855
١٦.٩٥
0.9413
5.61
الجدول 1. حركيات الامتزاز ومعلمات الإيزوثرم لامتزاز CR على SCAC.
رقم التسلسل ماص ظروف إعداد التيار المتردد مساحة سطح BET ( ) حجم المسام (سم³/غ) مرجع
1. سيمبوبوجون وينتيريانوس AC – – 6.25 ٥٦
2. أوراق وسيقان زهرة اللوتس المائية 3.78 – 13.908 62
٣. بذور فاكهة التين الشوكي AC 42.79 ٢.٣٤ 21.83 73
٤ حجر المشمش AC ٨٨.٠٥ 0.264 ٣٢.٨٥ 64
6. قشور بذور الهيفيا البرازيلية AC 735 – 50.51 74
٧ سباثوديا كامبانولاتا AC 986.41 0.8797 ٥٩.٢٧ هذه الدراسة
الجدول 2. تحليل مختلف المواد الكربونية النشطة لإزالة صبغة CR.
وسعة الامتزاز القصوى، مما يدل على فعاليتها المتفوقة في امتصاص CR مقارنةً بعدة مواد كربونية نشطة تم الإبلاغ عنها مؤخرًا.
يرتبط نموذج فروندليش عادةً بامتصاص متعدد الطبقات على الأسطح غير المتجانسة. . هذا النموذج ينحرف عن سيناريو الامتزاز المثالي من خلال الأخذ في الاعتبار مواقع الربط المتنوعة ذات طاقات الامتزاز الحرة المتفاوتة. كما أظهر معادلة فريندليش توافقًا قويًا مع مجموعة البيانات، كما أثبتت ذلك قيمتها العالية قيمة 0.9908 (الجدول 1). ومع ذلك، فإن النسبة الأعلى نسبياً القيمة 5.03 المستمدة من نموذج فروندليش تشير إلى أن نموذج لانغموير يقدم تمثيلاً أكثر دقة للبيانات التجريبية. بالإضافة إلى ذلك، فإن أس exponent فروندليش الذي يبلغ 4.94 والذي هو أكبر من 1، يشير إلى أن الامتزاز مواتٍ. . هذا يدعم المزيد من الاستنتاج المستخلص من نموذج لانغموير، مؤكدًا الامتزاز المواتي. وبالمثل، قيمة 0.202، التي تعتبر منخفضة نسبيًا ولا تقترب من 1، تشير إلى درجة من التغاير في مواقع الامتزاز. .
نموذج تيمكين، الذي يستنتج تقليلاً خطياً في حرارة الامتزاز مع زيادة تغطية السطح الناتجة عن تفاعلات الممتز والممتز عليه، يقدم منظوراً إضافياً حول عملية الامتزاز. على الرغم من أن قيمة 0.9413 و 5.61 (الجدول 1) لا تشير إلى ارتباط قوي كما هو الحال في نماذج لانغموير وفرويدليش، لكنها لا تزال تدل على ملاءمة معقولة لمجموعة البيانات التجريبية. لذا، تشير تقييم البيانات باستخدام معادلات نماذج إيزوثيرم لانغموير وفرويدليش وتيمكين إلى عملية امتصاص معقدة.
يتضمن كل من التغطية أحادية الطبقة ومتعددة الطبقات. تسلط هذه التعقيد الضوء على الطبيعة المتعددة الأوجه لعملية الامتزاز، التي غالبًا ما تشمل مجموعة من الآليات وخصائص سطح SCAC المتنوعة.

دراسات الديناميكا الحرارية

مخطط فان’t هوف (الشكل 6c) يظهر تطابقًا دقيقًا بين و T مع من 0.9972. السالب المحسوب القيم، تحديداً ، و في ، و 323 كلفن، على التوالي، تشير إلى أن الامتزاز يصبح أكثر ملاءمة بشكل تدريجي مع ارتفاع درجة الحرارة. توضح هذه الاتجاه أن زيادة درجة الحرارة تعزز من تلقائية عملية الامتزاز، على الأرجح بسبب زيادة الطاقة الحركية لجزيئات CR وتفاعلات أكثر ملاءمة مع سطح SCAC. . الـ قيمة لـ يكشف أن عملية الامتزاز ماصة للحرارة، تتطلب مدخلات من الطاقة. هذه الطبيعة الماصة للحرارة تتماشى مع الزيادة الملحوظة في كمية CR الممتزة عند درجات حرارة أعلى (الشكل 5d). بالإضافة إلى ذلك، فإن القياسات التي تم أخذها القيمة تتجاوز الـ العَتَبة المرتبطة عادةً بالامتصاص الكيميائي، تشير إلى عملية مدفوعة بالامتصاص الكيميائي كما تدعمه نموذج PSO. هذا التغير الملحوظ في الإنثالبي يعكس توازنًا بين الطاقة الأولية المطلوبة لتجاوز تفاعلات المذيب والنبذ الكهروستاتيكي بين جزيئات CR. . علاوة على ذلك، قيمة لـ يشير إلى الاضطراب المحسن عند واجهات CR/SCAC. من المحتمل أن ينشأ هذا الزيادة في الإنتروبيا من عدة عوامل، بما في ذلك إزاحة جزيئات المذيب من سطح SCAC عند امتصاص CR. تتوافق المعلمات الديناميكية الحرارية لهذه الدراسة مع النتائج المنشورة سابقًا حول الكربون النشط المستخرج من Pterocarpus indicus. ولحاء شجرة الصنوبر البري .

إزالة الامتصاص وتجديد الممتز

تظهر تجارب الإزالة، الموضحة في الشكل 7a، التأثير الكبير لنوع المذيب على إزالة CR من SCAC المستهلك. كانت المذيبات، بترتيب كفاءة الإزالة المتناقصة، الميثانول إيثانول مع كفاءات الإزالة من ، و ، على التوالي. الأداء المتفوق للميثانول يعود إلى وزنه الجزيئي المنخفض وسلسلة الهيدروكربون الأقصر مقارنة بالإيثانول. من المحتمل أن تسهل هذه الخصائص اختراقًا أكثر فعالية في مسام SCAC، مما يعطل تفاعلات CR-SCAC. . بالإضافة إلى ذلك، من المحتمل أن تساعد قطبيته الأعلى في تعطيل التفاعلات غير التساهمية مثل الروابط الهيدروجينية أو قوة فان دير فالز. وعلى العكس، فإن الكفاءات المنخفضة للإزالة التي لوحظت لـ NaOH و HCl تشير إلى أن امتصاص CR-SCAC لا يمكن عكسه بسهولة بواسطة القواعد أو الأحماض القوية. قد يكون ذلك بسبب الاختراق المحدود للمسام من قبل الأنواع الأيونية الأكبر، التي قد تعيقها التأثيرات الحركية أو حواجز الانتشار، أو بسبب تكوين راسب غير قابل للذوبان يبقى في المسام عند التفاعل مع لذلك، تم اختيار الميثانول كالمذيب لإزالة الامتصاص لدراسات التجديد.
أظهرت دراسات التجديد باستخدام الميثانول، المعروضة في الشكل 7ب، انخفاضًا طفيفًا في كفاءة إزالة CR وسعة الامتصاص مع كل دورة، ومع ذلك احتفظ SCAC بجزء كبير من فعاليته الأولية. من الدورة الأولى إلى الدورة الثانية، أظهرت أداء الامتصاص انخفاضًا طفيفًا من ( ) إلى . ومع ذلك، ظلت شبه ثابتة من الدورة الثانية إلى الدورة السادسة، حيث وصلت إلى – انخفاض هامشي عام قدره فقط . يعود هذا الانخفاض إلى عدم اكتمال إزالة جزيئات CR، والتغيرات في مجموعات السطح الوظيفية لـ SCAC، وفقدان طفيف في الكتلة لـ SCAC خلال عملية التجديد . ومع ذلك، تظهر دراسات القابلية لإعادة الاستخدام أن SCAC يمكن تجديده بفعالية لإزالة CR على مدى عدة دورات، مما يبرز إمكانيته للتطبيقات المستدامة والاقتصادية في معالجة مياه الصرف الصناعي.
الشكل 7. (أ) كفاءة الامتزاز لـ SCAC لـ CR بعد استخدام عوامل إزالة مختلفة؛ (ب) كفاءة الامتزاز لـ SCAC بواسطة الميثانول على مدى ست دورات متتالية من الامتزاز والإزالة.

تقييم فعالية SCAC في إزالة CR من مصفوفات المياه المختلفة

توضح الشكل 8a كفاءات إزالة CR والسعات القصوى للاحتجاز عبر مصفوفات المياه المختلفة، مما يبرز الأداء المحسن لـ SCAC في البيئات الطبيعية مقارنةً بالتحكم في الماء المقطر (C). ومن الجدير بالذكر أن مصفوفات المياه الطبيعية أظهرت أداءً أعلى بكثير في الامتصاص بالترتيب التالي: شلالات عربية < مياه الصنبور < المياه الجوفية الصناعية < بحيرة مانيبال < نهر سوفرنا. وبالمثل، توضح الشكل 8b طيف الأشعة فوق البنفسجية المرئية الذي يظهر أداء SCAC في المياه الجوفية الصناعية، محققًا كفاءة إزالة قدرها الذي يقترب بشكل وثيق من أعلى كفاءة تم ملاحظتها في عينة نهر سوارنا. تؤكد هذه الكفاءة العالية على التطبيق العملي لـ SCAC في مصادر المياه المعقدة.
الكفاءة العالية بشكل ملحوظ في إزالة CR التي لوحظت في مجاري المياه الطبيعية المختلفة تعود إلى خصائصها الكيميائية المميزة. تحتوي المياه الطبيعية عادةً على مواد عضوية مذابة، مثل المواد الهيومية. التي يمكن أن تعمل كجسور ربط بين الأصباغ العضوية مثل CR وسطح SCAC. بالإضافة إلى ذلك، قد تؤثر وجود أيونات مختلفة في المياه الطبيعية على الكيمياء السطحية لـ SCAC، مما يفضل الامتزاز. نظرًا لأن الماء المقطر يفتقر إلى كل من الروابط العضوية الجسرية والتنوع الأيوني الموجود في المياه الطبيعية، فإنه يفشل في تحفيز خصائص السطح المماثلة، مما يساهم على الأرجح في الانخفاض الملحوظ في كفاءة الامتزاز.

رؤى آلية الامتزاز

تم توضيح التمثيل التخطيطي الذي يظهر آليات التفاعل بين SCAC و CR في الشكل 9. تشير نتائج هذه الدراسة إلى أن امتصاص CR على SCAC يتم التحكم فيه بواسطة آلية متعددة الأوجه، حيث تلعب الكيميائيات دورًا رئيسيًا بينما تساهم الفيزيائيات أيضًا بشكل كبير في العملية العامة. في البداية، يوفر SSA والبنية المسامية وصولًا سهلاً لجزيئات CR، مما يعزز كفاءة الامتصاص العامة من خلال القوى الفيزيائية. . ومع ذلك، مع تقدم الامتزاز، يظهر نموذج PSO ملاءمة أفضل، مما يبرز الدور المتزايد للامتزاز الكيميائي. بالإضافة إلى ذلك، وجود مجموعات وظيفية على SCAC، مثل , والهياكل العطرية، التي تم تأكيدها من خلال تحليلات XPS و FTIR، تسهل أنواع تفاعل متنوعة، بما في ذلك، الروابط الهيدروجينية، وقوى فان دير فالز و التفاعلات (الامتصاص الفيزيائي)، إلى جانب الروابط الأيونية/الكهربائية القوية (الامتصاص الكيميائي). علاوة على ذلك، فإن الطبيعة الكارهة للماء للحلقات العطرية ومجموعات الأزود ( ) في جزيئات CR تساهم في الامتصاص من خلال تفاعلات مواتية مع المناطق غير القطبية من SCAC .
بالإضافة إلى ذلك، فإن التوافق الفائق لنموذج لانغموير يؤكد أن الامتصاص أحادي الطبقة يهيمن عليه الامتصاص الكيميائي، بينما يشير التوافق المعقول لنموذج فروندليش إلى تباين السطح وإمكانية الامتصاص متعدد الطبقات، وهو ما يميز الامتصاص الفيزيائي . بالإضافة إلى ذلك، تتضمن عملية الامتصاص مجموعة من عمليات الانتشار، بما في ذلك انتشار الكتلة، انتشار الفيلم الرقيق، انتشار طبقة الحدود، وانتشار الجزيئات الداخلية. تسهل هذه العمليات مجتمعة نقل جزيئات CR من المحلول الكتلي إلى المسام الداخلية لـ SCAC.
عند درجة حموضة منخفضة، تعزز السطح المشحون إيجابياً لـ SCAC الجذب الكهربائي القوي مع مجموعات السلفونات المشحونة سلبياً من CR، مما يعزز كفاءة الامتصاص. عند درجات أعلى من ، مع تحول الشحنة السطحية إلى أقل إيجابية أو حتى سلبية، يتم تعويض الانخفاض في الجاذبية الكهربائية القوية من خلال التفاعلات غير الكهربائية مثل قوى فان دير فالز، الروابط الهيدروجينية، و التفاعلات. معًا، تؤكد هذه النتائج أن المساحة السطحية، هيكل المسام، الشحنة المعتمدة على درجة الحموضة، والمجموعات الوظيفية تساهم بشكل متآزر في إزالة CR بكفاءة.
الشكل 8. (أ) أداء امتصاص CR باستخدام SCAC عبر مصفوفات مائية مختلفة بما في ذلك، التحكم (C)، شلالات عربية (AF)، مياه الصنبور (TW)، المياه الجوفية الصناعية (IW) بحيرة مانيبال (ML) ونهر سوفرنا (SR)؛ (ب) طيف UV-visible لأداء إزالة CR باستخدام SCAC في المياه الجوفية الصناعية (IW).
الشكل 9. تمثيل تخطيطي يوضح التفاعلات الرئيسية بين SCAC و CR خلال عملية الامتصاص.

الخاتمة

نجحت هذه الدراسة في تخليق الكربون المنشط من أزهار Spathodea campanulata وتقييم فعاليته في إزالة اللون الأحمر الكونغولي (CR). أظهرت صورة FESEM أن سطح SCAC الخشن وغير المنتظم في البداية تحول إلى نسيج أكثر نعومة بعد الامتصاص، مما يؤكد الارتباط الفعال لجزيئات CR. تم تحديد مجموعات وظيفية سطحية من خلال التحليل باستخدام XPS و FTIR التي سهلت الامتصاص عبر التفاعل الكهربائي، الروابط الهيدروجينية، و التفاعل. كشفت دراسات الامتصاص أن إزالة CR كانت الأكثر فعالية عند درجة حموضة 7 ودرجة حرارة 303 كلفن، مما يشير إلى أهمية التفاعلات الكهربائية وغير الكهربائية التي تدفع عملية الامتصاص. اتبعت حركيات الامتصاص نموذج من الدرجة الثانية الزائفة، مما يشير إلى أن الامتصاص الكيميائي هو الآلية السائدة، وهو ما تم دعمه أيضًا من خلال الذي تم تحديده في الدراسات الديناميكية الحرارية. قدم نموذج لانغموير أفضل توافق، مما يشير إلى تغطية أحادية الطبقة من CR على سطح SCAC المتجانس. أظهرت دراسات الإزالة أن الميثانول هو عامل إزالة فعال، مما يمكّن SCAC من الاحتفاظ بكفاءة امتصاص عالية على مدى عدة دورات، مما يبرز قابليته لإعادة الاستخدام. كما أن دراسات التطفل في بيئات مياه الصرف الصحي الطبيعية المحاكاة قد أكدت فعالية SCAC. وبالتالي، فإن SCAC الذي تم تخليقه من كتلة نباتية متاحة ومستدامة، يظهر وعدًا كبيرًا كحل منخفض التكلفة وصديق للبيئة لإزالة صبغة CR. إن سعة الامتصاص العالية وقابلية إعادة الاستخدام تجعله خيارًا قابلاً للتطبيق للتطبيقات العملية. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على زيادة إنتاج SCAC إلى مستويات صناعية، وتوسيع تطبيقه على الملوثات مثل المعادن الثقيلة والأدوية، وإجراء دراسات عمود مستمرة، وتقييم تأثيرات الأيونات المتنافسة على سعة الامتصاص، وتحليل التكاليف، وتحسين الاستدامة من خلال تقييمات دورة الحياة.

توفر البيانات

يعلن المؤلفون أن البيانات التي تدعم نتائج هذه الدراسة متاحة ضمن المقال.
تم الاستلام: 7 نوفمبر 2024؛ تم القبول: 7 يناير 2025
تم النشر عبر الإنترنت: 13 يناير 2025

References

  1. Moradi, O., Hosseinian Naeini, A., Kalaee, M. R. & Mirkhan, S. M. R. The effect of sustainable applications of chitin and Chitosan to remove Dyed pollutants using adsorption: A review. Nano 18 https://doi.org/10.1142/S1793292023300062 (2023).
  2. Kolawole, A. S. & Iyiola, A. O. Environmental pollution: threats, impact on biodiversity, and protection strategies, in: Sustain. Util. Conserv. Africa’s Biol. Resour. Environ., Springer, 377-409. (2023).
  3. Aluigi, A. et al. Eco-friendly electrospun membranes made of biodegradable polymers for wastewater treatment. Electrospinning Adv. Energy Environ. Appl. 219-241. https://doi.org/10.1201/b18838 (2015).
  4. Kishor, R. et al. Ecotoxicological and health concerns of persistent coloring pollutants of textile industry wastewater and treatment approaches for environmental safety. J. Environ. Chem. Eng. 9, 105012 (2021).
  5. Saravanan, A. et al. Effective water/wastewater treatment methodologies for toxic pollutants removal: Pprocesses and applications towards sustainable development. Chemosphere 280, 130595. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.130595 (2021).
  6. Zaki, N. et al. Advancements in the chemical treatment of potable water and industrial wastewater using the coagulationflocculation process. Sep. Sci. Technol. 58, 2619-2630. https://doi.org/10.1080/01496395.2023.2219381 (2023).
  7. Dutta, S. & Bhattacharjee, J. A comparative study between physicochemical and biological methods for effective removal of textile dye from wastewater, in: Dev. Wastewater Treat. Res. Process., Elsevier, 1-21. (2022).
  8. Konwar, M., Textile Industry and Its Environmental Impacts & Review, A. Indian J. Pure Appl. Biosci. 8 134-139. https://doi.org/1 0.18782/2582-2845.7848. (2020).
  9. Sharma, J., Sharma, S. & Soni, V. Classification and impact of synthetic textile dyes on aquatic Flora: A review, Reg. Stud. Mar. Sci. 45, 101802 (2021).
  10. Al-Tohamy, R. et al. A critical review on the treatment of dye-containing wastewater: Ecotoxicological and health concerns of textile dyes and possible remediation approaches for environmental safety. Ecotoxicol. Environ. Saf. 231, 113160. https://doi.org/1 0.1016/j.ecoenv.2021.113160 (2022).
  11. Aounallah, F. et al. Biodegradation pathway of congo red azo dye by geotrichum candidum and toxicity assessment of metabolites. Catal. Lett. 1-16. (2024).
  12. Chai, W. S. et al. A review on conventional and novel materials towards heavy metal adsorption in wastewater treatment application. J. Clean. Prod. 296, 126589 (2021).
  13. Sağlam, S., Türk, F. N. & Arslanoğlu, H. Use and applications of metal-organic frameworks (MOF) in dye adsorption. J. Environ. Chem. Eng. 110568. (2023).
  14. Zhang, L. et al. Coconut-based activated carbon fibers for efficient adsorption of various organic dyes. RSC Adv. 8, 42280-42291. https://doi.org/10.1039/C8RA08990F (2018).
  15. Khan, M. I. et al. Application of NaOH modified rice husk as a potential sorbent for removal of Congo red from an aqueous solution, Desalin. Water Treat. 273, 221-235. https://doi.org/10.5004/dwt.2022.28864 (2022).
  16. Sime, T., Fito, J., Nkambule, T. T. I., Temesgen, Y. & Sergawie, A. Adsorption of Congo Red from Textile Wastewater using activated Carbon developed from Corn Cobs: The studies of isotherms and kinetics. Chem. Afr. 6, 667-682. https://doi.org/10.1007/s4225 0-022-00583-2 (2023).
  17. Ravikumara, M. & Kingb, P. Application of response surface optimization on biosorption of Congo red dye onto Spathodea campanulata leaves, Desal. Water Treat. 182, 342-350 (2020).
  18. Dimbo, D. et al. Methylene blue adsorption from aqueous solution using activated carbon of spathodea campanulata. Results Eng. 21, 101910 (2024).
  19. Padhy, G. K. Spathodea campanulata P. Beauv.-A review of its ethnomedicinal, phytochemical, and pharmacological profile. J. Appl. Pharm. Sci. 11, 17-44 (2021).
  20. E.P. On A. and P. or S. used in A.F. (FEEDAP), scientific opinion on the safety and efficacy of orthophosphoric acid for all animal species. EFSA J. 11 3043. (2013).
  21. Pimentel, C. H., Castro-Agra, R., Freire, M. S., Gómez-Díaz, D. & González-Álvarez, J. Adsorption of anionic wood dyes on KOHactivated carbons from Pinus radiata sawdust. Biomass Convers. Biorefinery. https://doi.org/10.1007/s13399-024-05587-1 (2024).
  22. Saleem, J., Moghal, Z. K. B., Pradhan, S. & McKay, G. High-performance activated carbon from coconut shells for dye removal: Study of isotherm and thermodynamics. RSC Adv. 14, 33797-33808. https://doi.org/10.1039/D4RA06287F (2024).
  23. Gad, S. C. Phosphoric acid 4th edn (Elsevier Inc., 2023). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-824315-2.00813-7
  24. Patra, C., Shahnaz, T., Subbiah, S. & Narayanasamy, S. Comparative assessment of raw and acid-activated preparations of novel Pongamia pinnata shells for adsorption of hexavalent chromium from simulated wastewater. Environ. Sci. Pollut Res. 27, 1483614851. https://doi.org/10.1007/s11356-020-07979-y (2020).
  25. Ojedokun, A. T. & Bello, O. S. Kinetic modeling of liquid-phase adsorption of Congo red dye using guava leaf-based activated carbon. Appl. Water Sci. 7, 1965-1977 (2017).
  26. Wang, J. & Guo, X. Adsorption isotherm models: Classification, physical meaning, application and solving method. Chemosphere 258, 127279. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.127279 (2020).
  27. Lima, E. C., Gomes, A. A. & Tran, H. N. Comparison of the nonlinear and linear forms of the van’t Hoff equation for calculation of adsorption thermodynamic parameters ( and ). J. Mol. Liq. 311, 113315. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.113315 (2020).
  28. Patil, P., Jeppu, G., Vallabha, M. S. & Girish, C. R. Enhanced adsorption of phenolic compounds using biomass-derived high surface area activated carbon: Isotherms, kinetics and thermodynamics. Environ. Sci. Pollut Res. https://doi.org/10.1007/s11356-0 24-32971-1 (2024).
  29. Omorogie, M. O. et al. Microwave-synthesized and Fenton-functionalized Pinus sylvestris bark activated carbon/metal oxides for the effective uptake of tetracycline and Congo red dye. Biomass Convers. Biorefinery. 10, 959-975 (2020).
  30. Wei, H. et al. Advanced porous hierarchical activated carbon derived from agricultural wastes toward high performance supercapacitors. J. Alloys Compd. 820, 153111 (2020).
  31. Patra, C., Gupta, R., Bedadeep, D. & Narayanasamy, S. Surface treated acid-activated carbon for adsorption of anionic azo dyes from single and binary adsorptive systems: A detail insight. Environ. Pollut 266, 115102. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.115102 (2020).
  32. Nethaji, S., Sivasamy, A., Thennarasu, G. & Saravanan, S. Adsorption of Malachite Green dye onto activated carbon derived from Borassus aethiopum flower biomass. J. Hazard. Mater. 181, 271-280. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.05.008 (2010).
  33. Zahed, M., Jafari, D. & Esfandyari, M. Adsorption of formaldehyde from aqueous solution using activated carbon prepared from Hibiscus rosa-sinensis. Int. J. Environ. Anal. Chem. 102, 2979-3001. https://doi.org/10.1080/03067319.2020.1762872 (2022).
  34. Bazan-Wozniak, A., Nowicki, P., Wolski, R. & Pietrzak, R. Activated bio-carbons prepared from the Residue of Supercritical Extraction of Raw Plants and their application for removal of Nitrogen Dioxide and Hydrogen Sulfide from the gas phase, materials (Basel). 14 (2021). https://doi.org/10.3390/ma14123192
  35. Senthilkumaar, S., Kalaamani, P. & Subburaam, C. V. Liquid phase adsorption of Crystal violet onto activated carbons derived from male flowers of coconut tree. J. Hazard. Mater. 136, 800-808. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2006.01.045 (2006).
  36. Zięzio, M., Charmas, B., Jedynak, K., Hawryluk, M. & Kucio, K. Preparation and characterization of activated carbons obtained from the waste materials impregnated with phosphoric acid(V). Appl. Nanosci. 10, 4703-4716. https://doi.org/10.1007/s13204-02 0-01419-6 (2020).
  37. Xue, H. et al. Adsorption of methylene blue from aqueous solution on activated carbons and composite prepared from an agricultural waste biomass: A comparative study by experimental and advanced modeling analysis. Chem. Eng. J. 430, 132801. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132801 (2022).
  38. Jawad, A. H. et al. High surface area and mesoporous activated carbon from KOH -activated dragon fruit peels for methylene blue dye adsorption: Optimization and mechanism study. Chin. J. Chem. Eng. 32, 281-290. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2020.09.070 (2021).
  39. Om Prakash, M., Raghavendra, G., Ojha, S. & Panchal, M. Characterization of porous activated carbon prepared from arhar stalks by single step chemical activation method, Mater. Today Proc. 39, 1476-1481. (2021). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.05.370
  40. Somsesta, N., Sricharoenchaikul, V. & Aht-Ong, D. Adsorption removal of methylene blue onto activated carbon/cellulose biocomposite films: Equilibrium and kinetic studies. Mater. Chem. Phys. 240, 122221.https://doi.org/10.1016/j.matchemphys. 201 9.122221 (2020).
Scientific Reports |
(2025) 15:1831
41. Ouachtak, H. et al. Combined molecular dynamics simulations and experimental studies of the removal of cationic dyes on the eco-friendly adsorbent of activated carbon decorated montmorillonite Mt@ AC. RSC Adv. 13, 5027-5044 (2023).
42. Yadav, M. S., Singh, N. & Bobade, S. M. V x O y nanoparticles and activated charcoal based nanocomposite for supercapacitor electrode application. Ionics (Kiel). 26, 2581-2598 (2020).
43. Obayomi, K. S. et al. Adsorption of endocrine disruptive Congo red onto biosynthesized silver nanoparticles loaded on Hildegardia barteri activated carbon. J. Mol. Liq. 352, 118735 (2022).
44. Ghosh, N., Rhithuparna, D., Khatoon, R., Rokhum, S. L. & Halder, G. Sulphonic-acid functionalized novel Limonia acidissima carbonaceous catalyst for biodiesel synthesis from Millettia pinnata oil: Optimization, kinetics, thermodynamics and cost analysis. J. Clean. Prod. 394, 136362. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136362 (2023).
45. Ma, M., Ying, H., Cao, F., Wang, Q. & Ai, N. Adsorption of Congo red on mesoporous activated carbon prepared by CO2 physical activation. Chin. J. Chem. Eng. 28, 1069-1076. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2020.01.016 (2020).
46. Subba Reddy, Y. et al. Biomass-derived sustainable mesoporous activated carbon as an efficient and recyclable adsorbent for the adsorption of hazardous dyes. Hybrid. Adv. 6, 100218. https://doi.org/10.1016/j.hybadv.2024.100218 (2024).
47. He, S. et al. Adsorption enhancement of Congo red dye from wastewater based on edamame shell originated activated carbon by the cations: Experimental and theoretical studies. Diam. Relat. Mater. 136, 109930. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.109930 (2023).
48. Djaber, S., Reffas, A. & El-Shafey, E. S. I. Activated carbons produced by thermochemical means from date palm spathes impregnated with H3PO4 for Congo red removal. Biomass Convers. Biorefinery. https://doi.org/10.1007/s13399-024-06135-7 (2024).
49. Wang, X., Fan, X., Xie, H., Li, X. & Hao, C. Polyacrylic acid/carboxymethyl cellulose/activated carbon composite hydrogel for removal of heavy metal ion and cationic dye. Cellulose 29, 483-501. https://doi.org/10.1007/s10570-021-04286-8 (2022).
50. Samanth, A., Selvaraj, R., Murugesan, G., Varadavenkatesan, T. & Vinayagam, R. Efficient adsorptive removal of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) using biomass derived magnetic activated carbon nanocomposite in synthetic and simulated agricultural runoff water. Chemosphere 361, 142513. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.142513 (2024).
51. Lafi, R., Montasser, I. & Hafiane, A. Adsorption of Congo red dye from aqueous solutions by prepared activated carbon with oxygen-containing functional groups and its regeneration. Adsorpt. Sci. Technol. 37, 160-181 (2019).
52. Ahmad Aftab, R. et al. Removal of Congo red from water by adsorption onto activated carbon derived from waste black cardamom peels and machine learning modeling. Alexandria Eng. J. 71, 355-369. https://doi.org/10.1016/j.aej.2023.03.055 (2023).
53. Laureano-Anzaldo, C. M., Haro-Mares, N. B., Meza-Contreras, J. C., Robledo-Ortíz, J. R. & Manríquez-González, R. Chemical modification of cellulose with zwitterion moieties used in the uptake of red Congo dye from aqueous media. Cellulose 26, 92079227. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02717-1 (2019).
54. Ali, Y. A. E. H., N’diaye, A. D., Fahmi, D., Kankou, M. S. & Stitou, M. Adsorption of Congo red from aqueous solution using Typha Australis leaves as a low cost adsorbent. J. Environ. Treat. Tech. 9, 534-539 (2021).
55. Mandal, S., Calderon, J., Marpu, S. B., Omary, M. A. & Shi, S. Q. Mesoporous activated carbon as a green adsorbent for the removal of heavy metals and Congo Red: Characterization, adsorption kinetics, and isotherm studies. J. Contam. Hydrol. 243, 103869. https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2021.103869 (2021).
56. Saha, A., Basak, B. B. & Ponnuchamy, M. Performance of activated carbon derived from Cymbopogon winterianus distillation waste for scavenging of aqueous toxic anionic dye Congo Red: Comparison with commercial activated carbon. Sep. Sci. Technol. 55, 1970-1983 (2020).
57. Wekoye, J. N., Wanyonyi, W. C., Wangila, P. T. & Tonui, M. K. Kinetic and equilibrium studies of Congo red dye adsorption on cabbage waste powder. Environ. Chem. Ecotoxicol. 2, 24-31(2020).
58. Zubir, M. H. M. & Zaini, M. A. A. Twigs-derived activated carbons via composite activation for methylene blue and Congo red dyes removal. Sci. Rep. 10, 14050. https://doi.org/10.1038/s41598-020-71034-6 (2020).
59. Hao, Y. S., Othman, N. & Zaini, M. A. A. Waste newspaper as cellulose resource of activated carbon by sodium salts for methylene blue and Congo red removal. Int. J. Biol. Macromol. 277, 134353 (2024).
60. Litefti, K., Freire, M. S., Stitou, M. & González-Álvarez, J. Adsorption of an anionic dye (Congo Red) from aqueous solutions by pine bark. Sci. Rep. 9, 16530. https://doi.org/10.1038/s41598-019-53046-z (2019).
61. Ghaedi, M., Tavallali, H., Sharifi, M., Kokhdan, S. N. & Asghari, A. Preparation of low cost activated carbon from Myrtus communis and pomegranate and their efficient application for removal of Congo red from aqueous solution. Spectrochim Acta Part. Mol. Biomol. Spectrosc. 86, 107-114. https://doi.org/10.1016/j.saa.2011.10.012 (2012).
62. Extross, A., Waknis, A., Tagad, C., Gedam, V. V. & Pathak, P. D. Adsorption of Congo red using carbon from leaves and stem of water hyacinth: Equilibrium, kinetics, thermodynamic studies. Int. J. Environ. Sci. Technol. 20, 1607-1644. https://doi.org/10.1007 /s13762-022-03938-x (2023).
63. Harja, M., Buema, G. & Bucur, D. Recent advances in removal of Congo Red dye by adsorption using an industrial waste. Sci. Rep. 12, 6087. https://doi.org/10.1038/s41598-022-10093-3 (2022).
64. Abbas, M. & Trari, M. Kinetic, equilibrium and thermodynamic study on the removal of Congo Red from aqueous solutions by adsorption onto apricot stone. Process. Saf. Environ. Prot. 98, 424-436. https://doi.org/10.1016/j.psep.2015.09.015 (2015).
65. Gupta, V. K., Agarwal, S., Ahmad, R., Mirza, A. & Mittal, J. Sequestration of toxic Congo red dye from aqueous solution using ecofriendly guar gum/ activated carbon nanocomposite. Int. J. Biol. Macromol. 158, 1310-1318. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac .2020.05.025 (2020).
66. Ferreira, G. M. D. et al. L.H.M. Da Silva, Adsorption of red azo dyes on multi-walled carbon nanotubes and activated carbon: A thermodynamic study, colloids surfaces a physicochem. Eng. Asp 529, 531-540 (2017).
67. Ziane, S., Bessaha, F., Marouf-Khelifa, K. & Khelifa, A. Single and binary adsorption of reactive black 5 and Congo Red on modified dolomite: Performance and mechanism. J. Mol. Liq. 249, 1245-1253. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.11.130 (2018).
68. Amran, F. & Zaini, M. A. A. Sodium hydroxide-activated Casuarina empty fruit: Isotherm, kinetics and thermodynamics of methylene blue and Congo red adsorption. Environ. Technol. Innov. 23, 101727 (2021).
69. Gohoho, H. D., Noby, H., Hayashi, J. & El-Shazly, A. H. Various acids functionalized polyaniline-peanut shell activated carbon composites for dye removal. J. Mater. Cycles Waste Manag. 24, 1508-1523 (2022).
70. Mahler, C. F., Svierzoski, N. D. S. & Bernardino, C. A. R. Chemical Characteristics of Humic Substances in Nature, in: A. Makan (Ed.), IntechOpen, Rijeka, 2021: p. Ch. 8. https://doi.org/10.5772/intechopen. 97414
71. Haroon, H. et al. Activated carbon from a specific plant precursor biomass for hazardous cr (VI) adsorption and recovery studies in batch and column reactors: Isotherm and kinetic modeling. J. Water Process. Eng. 38, 101577 (2020).
72. Louis, M. R., Sorokhaibam, L. G., Bhandari, V. M. & Bundale, S. Multifunctional activated carbon with antimicrobial property derived from Delonix regia Biomaterial for treatment of wastewater. J. Environ. Chem. Eng. 6, 169-181. https://doi.org/10.1016/j.j ece.2017.11.056 (2018).
73. Lahreche, S. et al. Application of activated carbon adsorbents prepared from prickly pear fruit seeds and a conductive polymer matrix to remove Congo red from aqueous solutions. Fibers 10, 7 (2022).
74. Igwegbe, C. A., Ighalo, J. O., Onyechi, K. K. & Onukwuli, O. D. Adsorption of Congo Red and malachite green using H3PO4 and NaCl-modified activated carbon from rubber (Hevea brasiliensis) seed shells, sustain. Water Resour. Manag. 7, 63. https://doi.org/ 10.1007/s40899-021-00544-6 (2021).

الشكر والتقدير

يشكر المؤلفون الدعم المالي الذي حصلوا عليه من برنامج منحة الدكتوراه T.M.A. Pai المقدم من أكاديمية مانيبال للتعليم العالي، مانيبال. كما يشكر المؤلفون قسم الهندسة الكيميائية، معهد مانيبال للتكنولوجيا على توفير مرافق البحث لإجراء التجارب.

مساهمات المؤلفين

أجرى S.S التجارب وكتب المخطوطة الرئيسية. قام G.M بتحليل البيانات وكتب النسخة المنقحة من المخطوطة. قام T.V. بتحليل البيانات وكتب النسخة المنقحة من المخطوطة. أشرف R.V. على المشروع وكتب النسخة المنقحة من المخطوطة. أشرف R.S. على المشروع وكتب النسخة المنقحة من المخطوطة.

التمويل

تم توفير تمويل الوصول المفتوح من قبل أكاديمية مانيبال للتعليم العالي، مانيبال

الإعلانات

المصالح المتنافسة

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

إرشادات النباتات

يؤكد المؤلفون أن استخدام النباتات/أجزاء النباتات في الدراسة الحالية يتوافق مع الإرشادات الدولية والوطنية و/أو المؤسسية.

أذونات جمع النباتات/أجزاء النباتات

تم التعرف على أزهار الشجرة وتصنيفها من قبل الآنسة غاياتري باي، قسم علم النبات، كلية MGM، أودوبي، الهند. الشجرة متاحة بشكل شائع وليست محمية، لذا لم تكن هناك حاجة للحصول على أذونات أو تراخيص لجمعها. بالإضافة إلى ذلك، لم يتم إيداع عينة مرجعية في المتحف النباتي، نظرًا للاعتراف بها على نطاق واسع.

مصدر النبات المستخدم في دراستك

جميع أسماء النباتات ومصدرها موجودة في قسم الطرق.

معلومات إضافية

يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى R.V. أو R.S.
معلومات إعادة الطبع والأذونات متاحة علىwww.nature.com/reprints.
ملاحظة الناشر تظل Springer Nature محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.
الوصول المفتوح هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي 4.0 الدولية، التي تسمح بالاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج في أي وسيلة أو تنسيق، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا كانت هناك تغييرات قد تم إجراؤها. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقال، ما لم يُذكر خلاف ذلك في سطر ائتمان للمادة. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقال واستخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، ستحتاج إلى الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارةhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© المؤلفون 2025
  1. قسم الهندسة الكيميائية، معهد مانيبال للتكنولوجيا، أكاديمية مانيبال للتعليم العالي، مانيبال، كارناتاكا 576104، الهند. قسم التكنولوجيا الحيوية، معهد M.S.Ramaiah للتكنولوجيا، بنغالور، كارناتاكا 560054، الهند. قسم التكنولوجيا الحيوية، معهد مانيبال للتكنولوجيا، أكاديمية مانيبال للتعليم العالي، مانيبال، كارناتاكا 576104، الهند. البريد الإلكتروني:ramesh.v@manipal.edu;raja.s@manipal.edu

Journal: Scientific Reports, Volume: 15, Issue: 1
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86032-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39805985
Publication Date: 2025-01-13

scientific reports

OPEN

Efficient adsorptive removal of Congo Red dye using activated carbon derived from Spathodea campanulata flowers

Sujesh Sudarsan , Gokulakrishnan Murugesan , Thivaharan Varadavenkatesan , Ramesh Vinayagam & Raja Selvaraj

This report investigates the preparation, characterization, and application of activated carbon derived from Spathodea campanulata flowers (SCAC) to remove Congo Red (CR) dye from aqueous streams. SCAC was synthesized using orthophosphoric acid activation which yielded a mesoporous material with a specific surface area of ( ), significantly exceeding values reported for flower-derived activated carbons in the available literature. Field emission scanning electron microscopy (FESEM) image revealed an irregular, rough surface morphology pre-adsorption, which became smoother post-adsorption, indicating successful CR attachment. Elemental analysis through energy-dispersive x-ray spectroscopy (EDS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed an increase in carbon content and the appearance of sulfur, verifying CR uptake. Adsorption kinetics obeyed the pseudo-second-order equation, signifying chemisorption, while the equilibrium dataset fitted better to the Langmuir model, with of 0.9944 , suggesting a monolayer adsorption mechanism with a maximum adsorption capacity of . Thermodynamic analysis revealed spontaneous and endothermic adsorption process. Desorption studies showed methanol as the most effective desorbing agent, with SCAC retaining considerable adsorption capacity across six cycles, highlighting its reusability. In tests with real water matrices, SCAC demonstrated significantly higher removal efficiency in natural waters than control, suggesting enhanced adsorption in complex matrices. These findings underscore the practical applicability of SCAC in real-world wastewater treatment, offering a promising solution for large-scale industrial applications.
Keywords Adsorption, Activated carbon, Spathodea campanulata, Congo red dye, Regeneration, Spiking studies
Environmental pollution, encompassing air, soil, and water, represents a significant challenge in the modern era . Rapid industrialization, urbanization, and population growth have led to the increased release of pollutants into the environment, impacting human health, wildlife, and natural ecosystems . Among these, water pollution from industries stands out as a critical issue, which contaminates water bodies, rendering them unsafe for consumption and harming aquatic life . Industrial wastewater often contains a complex mixture of pollutants, including heavy metals, pharmaceuticals, pesticides, and various dyes .
To mitigate the detrimental impacts of these contaminants, different treatment methods have been explored, encompassing physical, chemical, and biological approaches. While physical treatments like sedimentation and filtration offer cost-effective removal of particulate pollutants, their efficacy for dissolved contaminants is limited, often necessitating further treatment steps . Conversely, chemical methods, including coagulation, flocculation, and oxidation, demonstrate higher efficiency in pollutant removal . However, these methods are expensive, energy-intensive, and may generate sludge. Biological methods often encounter challenges such as slow degradation rates, limited effectiveness against diverse pollutant structures, and sensitivity to environmental parameters, hindering their scalability for industrial applications . The difficulty in treating industrial effluent
is exacerbated by the presence of synthetic dyes, which are extensively used in the textile industry due to their vibrant colors and chemical stability.
The textile industry, a major global water consumer, relies on various dye types, including reactive, direct, acid, and dispersed dyes . Congo Red (CR), a synthetic diazo dye characterized by its vibrant red color, has a long history in textile industry. CR dye possesses sulfonic acid groups ( ) that ionize in solution, giving it a net negative charge . The discharge of CR into water bodies poses severe environmental and health risks. These dyes disrupt aquatic ecosystems by altering water properties, promoting eutrophication, and inhibiting plant photosynthesis, ultimately harming aquatic life . Additionally, CR raises significant health concerns including the development of cancerous cells, especially in the bladder . As a result, the development of efficient and sustainable treatment methods for the removal of CR and similar dyes from wastewater has become a critical area of research.
Recently, adsorption, a surface phenomenon, has garnered significant attention for its effectiveness in removing a wide range of pollutants, including CR from wastewater. This method is a preferred choice due to its simple process, inexpensive nature, minimum sludge production, selective removal capabilities, and high efficiency . Various adsorbents, such as clay minerals, agricultural by-products, zeolites, biochar, and MOFs, have been studied for CR removal, but their practical use is often limited by high costs and low stability in water .
Activated carbon (AC) has garnered substantial attention in the adsorption process due to its numerous distinct advantages. Its high surface area, resulting from its porous structure, provides abundant binding sites for adsorbate molecules such as CR, making it highly efficient for a wide range of environmental and industrial applications. Furthermore, the inherent regenerative capacity of AC, achievable through various treatment methods, significantly enhances its economic and environmental sustainability. Additionally, these materials are considered environmentally benign, with minimal ecological impact and potential for sustainable production from various carbonaceous sources, including coconut shells , rice husk , and corn cobs among the recent examples.
Despite its advantages, AC derived from these precursors presents significant limitations. In particular, AC synthesized from coconut shells achieved a high surface area of through pyrolysis at under a nitrogen atmosphere . However, its maximum adsorption capacity for CR remained comparatively low at . Furthermore, the high energy demands associated with such elevated pyrolysis temperatures pose challenges to the cost-effectiveness of large-scale AC production, limiting its practical feasibility. Similarly, while rice husk offers a cost-effective and abundant feedstock, the resulting AC demonstrated a considerably lower adsorption capacity of , hindering its real-world applicability . Besides, AC produced from corn cobs achieved a moderate surface area of , yet its maximum adsorption capacity was only . These findings highlight the persistent challenge of achieving a balance between high surface area and superior adsorption performance in AC produced from conventional biomass sources.
Given these limitations, exploring alternative biomass sources with unique properties, such as Spathodea campanulata flowers, could offer a promising avenue for preparing AC with improved CR adsorption capabilities. S. campanulata, well-known as the African tulip tree, is an ornamental tree and widely cultivated in subtropical regions, including India. Recent studies have explored the use of S. campanulata biomass for AC preparation to remove various dyes from aqueous solutions. For instance, AC prepared using the S. campanulata leaves exhibited a low adsorption potential of for CR dye . Another study explored the use of AC derived from . campanulata stems to remove methylene blue . Although various parts of . campanulata have been extensively studied for AC synthesis, its flowers remain an untapped resource, offering a significant opportunity that this study seeks to explore. The abundance and rapid growth of S. campanulata in subtropical regions make it a readily available and sustainable biomass source. Utilizing its flowers, often treated as waste, contributes to waste valorisation and fosters a circular economy by reducing environmental burdens while promoting ecofriendly processes. These flowers are uniquely rich in phytochemicals such as flavonoids, tannins, lignin, and other bioactive compounds, creating abundant active sites for efficient CR adsorption .
The study also addresses the limitations of existing ACs derived from various biomass sources, which often face challenges such as high production costs, complex synthesis procedures, low surface area and inadequate adsorption capacity. By utilizing S. campanulata flowers as a precursor and orthophosphoric acid as the activating agent, our method effectively overcomes these limitations. Specifically, the use of S. campanulata flowers, reduces production costs by providing an inexpensive and abundant raw material. Additionally, simplifies the synthesis process as it is less corrosive and safer to handle compared to alternatives like , , or KOH . These alternatives necessitate higher activation temperatures in the range of and inert atmospheres, increasing energy consumption and safety risks . In contrast, our method, employing a 1:1 biomass-to- ratio, operates efficiently at a lower temperature ( for 2 h ) without the need for an inert atmosphere. This approach reduces energy costs and enhances safety while achieving a high surface area and improved adsorption capacity. Furthermore, the use of contributes to the sustainability of the process due to its lower toxicity and reduced environmental hazards . Also, a subsequent neutralization step with an appropriate base ensures the safe handling and disposal of the spent activating agent, further minimizing environmental impact.
Hence, the present investigation focuses on the preparation and application of AC derived from the sustainable and readily available biomass source, S. campanulata flowers, for the removal of CR dye. Kinetics and isotherm studies were employed to gain mechanistic insights into the adsorption process, elucidating the interactions between CR dye molecules and the AC surface. In addition, the study thoroughly examines the desorption and regeneration potential of SCAC, demonstrating its ability to maintain efficiency over multiple reuse cycles and highlighting its economic and environmental viability. To evaluate its practical applicability, SCAC was also tested in real-world water matrices, confirming its effectiveness in treating contaminated water under realistic
conditions. These findings establish S. campanulata flowers as a valuable precursor for AC synthesis, offering efficient and sustainable solutions for wastewater treatment challenges.

Materials and methodology Materials

Spathodea campanulata flowers were gathered within the university campus in Manipal, India. CR dye , MW: ) was procured from Himedia (India). Orthophosphoric acid ( , ) and sodium bicarbonate ( ) were obtained from Sigma-Aldrich (USA) and Merck (Germany) respectively. HCl and NaOH were acquired from Fisher Scientific (USA). All experiments were conducted using distilled water.

Adsorbent preparation

AC was synthesized from S. campanulata flowers, following a modified method previously described by Patra et al. . The flowers of the tree were taxonomically identified and authenticated by Ms. Gayathri Pai, Department of Botany, MGM College, Udupi, India. In brief, S. campanulata flowers were collected, cleaned with distilled water, and then dried (hot air oven: ). Subsequently, the dried flowers were powdered. For chemical activation, the powder was blended with at and left undisturbed for 6 h . Subsequently, the contents were placed for ageing (hot air oven: ). The contents were combusted in a muffle furnace ( 400 . The carbonized material was washed thoroughly with solution till neutral pH , dried (hot air oven: ), and the prepared AC, was labeled as SCAC (Fig. 1).

Structural and functional analysis of SCAC

Several techniques were employed to characterize the synthesized SCAC. The surface morphological features and elemental compositions were analyzed by Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM, Zeiss Sigma 300, Carl Zeiss, Germany) integrated with Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS, Oxford Instruments, UK). The specific surface area (SSA) and pore volume were measured using Brunauer-Emmett-Teller (BET, Smart instrument, India) analysis. Additionally, the crystalline nature was investigated using X-ray Diffraction (XRD, D8 Advance, Bruker, Germany). The surface nature and bonding types were examined using X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS, ThermoFisher, UK). Finally, the functional moieties were investigated by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR, Shimadzu 8400 S, Japan). The point-of-zero charge ( ) was estimated by pH drift methodology.

Adsorption experiments

Adsorption experimentations were performed to assess the efficacy of SCAC to remove CR. To begin, the pH influence was investigated by introducing SCAC into 100 mL of CR dye, with pH values between 5 and 10 (CR dye changes color and structure due to protonation at ). Following the pH study, the influence of SCAC dosage on CR adsorption was analyzed. Varying SCAC dosages between 0.2 and ,
Fig. 1. Schematic representation of the synthesis process for SCAC derived from S. campanulata flowers.
were mixed with CR dye while maintaining the optimized pH . Subsequently, the influence of initial CR concentrations and contact duration were investigated at CR concentrations between 20 and , using the optimal pH and dosage. In addition to these parameters, the effect of temperature was also evaluated. The temperature was changed between 293 and 323 K under the optimal pH, dosage, and CR concentration to assess its effect on CR removal. Throughout all experiments, the mixtures were constantly shaken ( ) in a temperature-controlled shaker (Remi CIS-24 Plus). At predetermined intervals, samples were collected and centrifuged (Eppendorf Centrifuge 5425, Germany). The residual CR concentration was measured by UVvisible spectrometer (Shimadzu UV-1900i) at 497 nm . Triplicate experiments were done, and mean values were reported. The removal efficiency ( ) and adsorption capacity ( ) were calculated by Eqs. (1) and (2).
wherein , and are the CR concentrations at initial, time ‘ ‘, and equilibrium ( ). represents the volume of the solution (L), and denotes the mass of SCAC (g).

Adsorption modeling

Adsorption kinetics

The adsorption kinetics were performed to examine the rate-controlling step. The kinetic dataset was analyzed using well-known models: pseudo-first-order (PFO), pseudo-second-order (PSO), and intraparticle diffusion (IPD) model , as represented by Eqs. (3)-(5).
wherein, and represent adsorption capacity at time ‘ t ‘ and equilibrium correspondingly. , and designate respective PFO, PSO and IPD rate constant values. C is the IPD intercept.

Adsorption Isotherm

To analyze the adsorption mechanism and evaluate the adsorption efficacy of SCAC, the experimental dataset was fitted to isotherm models: Langmuir, Freundlich, and Temkin as given by Eqs. (6)-(8).
where, : maximum adsorption capacity ( ), : Langmuir constant ( ), : Freundlich constant ), 1/n: Freundlich exponent, : heat of adsorption constant (J/mol) and : equilibrium binding constant ( ).

Adsorption thermodynamics

To examine the feasibility, spontaneity, and adsorption nature, the thermodynamic factors like change in standard enthalpy ( ), standard entropy ( ), and standard Gibbs free energy ( ) were calculated by using the Van’t Hoff model as given by Eq. (9).
Where, : Equilibrium constant ( ), : Ideal gas constant and T : Absolute temperature ( K ) and –

Desorption and regeneration potential of SCAC

Desorption experimentations were done to examine the regeneration potential of spent SCAC, aiming to enhance the economic feasibility. Four desorbing agents such as methanol, ethanol, , and were assessed for their efficiency in desorbing CR. Spent SCAC, obtained from adsorption experiments with CR dye and SCAC, was treated with 50 mL of each desorbing agent. After desorption, the SCAC was harvested, dried ( ) and stored for reuse. To assess the effectiveness of each desorbing agent, a second adsorption cycle was performed with the regenerated SCAC. The desorbing agent demonstrating the highest CR removal was selected for further reusability studies, wherein six consecutive adsorption-desorption series were performed. Following every cycle, the adsorption performance of the regenerated SCAC was determined.

Evaluating the efficacy of SCAC for removing CR from water matrices

Water samples from five distinct matrices namely, Arabi Falls, Tap water, Manipal Lake, and Suvarna River were collected via grab sampling and subsequently spiked with CR dye to assess the adsorbent’s efficiency under real-world conditions . Industrial groundwater, sourced from a well within a textile industrial zone, was also considered in this study. This groundwater is likely to contain a variety of dissolved ions and other substances characteristic of industrial wastewater discharge or runoff, making it distinct from other natural water sources like rivers or lakes. Its inclusion in the study provides a realistic test case for SCAC in a complex, potentially contaminated, water matrix relevant to industrial settings. For each matrix, batch experiments were performed in triplicate to ensure accuracy and reproducibility. A fixed SCAC dosage of was added to 100 mL of each sample, spiked with CR. The pH was standardized to 7.0 across all samples. The performance of SCAC was evaluated as discussed in the previous sections.

Results and discussions

Characterization studies of SCAC

Morphology and elemental features of SCAC

FESEM images provided a detailed visual analysis of the morphological changes in SCAC before and after adsorption. The pre-adsorption image (Fig. 2a) revealed a highly irregular and rough surface morphology, characterized by a porous and flaky structure typical of lignocellulosic materials. Large, uneven cracks, voids, and granular debris were prevalent, all contributing to the high surface roughness and enhancing the available surface area for adsorption as documented in the literature . Furthermore, the presence of well-developed pores confirmed the effectiveness of orthophosphoric acid activation in creating a hierarchical porous network, ideal for dye diffusion . The SCAC surface underwent significant morphological transformations upon adsorption (Fig. 2b). The initially rough and irregular texture became smoother, indicating the successful adhesion of CR molecules. This transformation was further supported by the reduced visibility of cracks, voids, and pore openings.
EDS was performed to analyze the elemental nature of SCAC (Fig. 2c). Before adsorption, the SCAC exhibited predominant peaks for C and O, which ascertained the formation of AC. Additionally, phosphorus introduced during orthophosphoric acid activation, was initially present in trace amounts. The emergence of sulfur at after adsorption provides direct evidence of successful CR uptake as reported in the literature , since sulfur atoms are present in the molecular structure of CR.

Brunauer-Emmett-Teller analysis

The SSA and pore volume of SCAC in this study were measured as and , respectively. This value stands out as high, especially when compared to recent literature reports on ACs derived from various floral sources. For instance, Borassus aethiopum flowers achieve a modest surface area of , Hibiscus rosa-sinensis yields , while marigold flowers attain a higher but still much lower value of . Even the male flowers of the coconut tree, which exhibit one of the more substantial surface areas among similar studies, reach only . The high surface area observed in SCAC is attributed to the chemical activation process using , which promotes the development of a porous structure by breaking down biomass components and facilitating pore formation . The contrast emphasizes SCAC’s potential in applications requiring high surface area and porosity, placing it well above the conventional floral-derived ACs in terms of performance. Additionally, the pore diameter of SCAC measured at 3.56 nm reveals the mesoporous nature of the adsorbent, which enhances its ability to adsorb CR molecules by providing greater pore accessibility.

XRD analysis

The broad XRD peak (Fig. 3a) observed between values of corresponds to the amorphous phase commonly found in . The XRD analysis revealed one prominent peak at a value of corresponding to the (002) plane, which indicates the graphite crystallites within the AC structure. The XRD peaks observed in this study align with findings by Prakash et al.., who identified a peak at a value of , confirming the presence of graphite in porous AC derived from arhar stalks . Similarly, Somsesta et al. reported an XRD peak at a value of for AC prepared from sisal fiber .
Interestingly, the diffractograms for the (002) plane showed no significant changes in peak position before and after adsorption, suggesting that the overall crystallinity of the SCAC structure remained unaffected throughout the adsorption process. However, a slight increase in the sharpness and intensity of the peaks was observed after adsorption, suggesting that the adsorption of CR may induce subtle rearrangement or modifications on the SCAC, leading to a more ordered structure and consequently sharper peaks. Another possible reason for the increase in sharpness and intensity is the intercalation of CR molecules between the graphitic layers of SCAC .
Fig. 2. FESEM image of SCAC (a) before and (b) after adsorption; (c) EDS spectra of SCAC before and after adsorption.

FTIR analysis

FTIR spectra revealed key changes before and after adsorption, providing insights into the adsorption mechanism (Fig. 3b). Before adsorption, the FTIR spectrum exhibited a peak at suggesting carbonyl groups, possibly from aldehydes, ketones, or carboxylic acids . Additionally, the peak at is indicative of stretching vibration, typically associated with aromatic rings, supporting the presence of aromatic structures within SCAC. The signal relates to both C-H bending vibration and C-O stretching vibrations . Furthermore, the signal at is credited to stretching from alcohols, ethers, and stretching introduced by orthophosphoric acid, confirming the activation of SCAC with acid-derived functional moieties. The band at , characteristic of stretching suggests the presence of alcohols, ethers, or esters . Finally, the peak at is because of the out-of-plane bending, commonly associated with aromatic rings or alkenes .
After CR adsorption, several key changes occurred in the FTIR spectrum (Fig. 3b). For instance, the slight shifts in the stretching peak at points to interactions between CR and the carbonyl groups on the carbon surface . The shift of the stretching signal at suggests interactions between CR and the aromatic rings of SCAC, possibly through interactions. Furthermore, a subtle shift in the bending peak at may result from the influence of the adsorbed CR on the SCAC surface.
Fig. 3. (a) XRD patterns of SCAC before and after adsorption; (b) FTIR spectra of SCAC before and after adsorption.
Also, the shift in the peak at , originally at , suggests interactions between CR and the functional groups responsible for this vibration in SCAC, possibly involving or bonds . The consistent presence of a signal indicates that the stretching vibration is not significantly affected by the adsorption process. In addition to these shifts, it is also important to note that the peak intensity reduced post-adsorption. This reduction is primarily due to surface coverage by CR molecules, which masks the vibrational modes of surface groups present in SCAC. Moreover, interactions like hydrogen bonds and interaction among CR and the SCAC alter the electron distribution and restrict the vibrational freedom of the surface groups, further contributing to the decrease in peak intensity.

XPS studies

XPS survey of SCAC shown in Fig. 4a revealed prominent peaks for carbon (C1s), oxygen (O1s), nitrogen (N1s), and phosphorus (P2p) (Fig. 4a inset), confirming their presence on the surface of SCAC. After adsorption, the peak corresponding to sulfur (S2p) (Fig. 4a inset), appeared, implying the successful binding of CR onto SCAC. The high intense sharp C1s peak indicates the high carbon content of SCAC, while the O1s peak represents the presence of oxygen-containing functional groups formed or modified during thermal activation. The P2p peak (Fig. 4d) signifies phosphatic phosphorus, likely incorporated from the orthophosphoric acid used in the synthesis process .
Specifically, the high-resolution XPS spectrum of C1s before adsorption features a broad peak that has been deconvoluted into three distinct components (Fig. 4b). The signal at 284.68 eV relates to bonds, representing pure or unfunctionalized carbon . After the adsorption of CR , a minor shift of the signal to 284.53 eV was observed, possibly due to the interactions with CR molecules . Meanwhile, the 286.26 eV signal is ascribed to bonds shifted to 285.78 eV pointing to the involvement of these groups in adsorption. Furthermore, the peak at 288.81 eV is associated with bonds, representing the existence of carboxylic groups formed during AC preparation . After the adsorption of CR, this peak shifted to a higher binding energy of 289.95 eV , suggesting the alterations in their chemical environment due to interactions with CR molecules.
In the O1s spectrum before CR adsorption (Fig. 4c), two deconvoluted peaks were observed: one at 532.87 eV , representing linkages, and another at 531.44 eV , corresponding to bonds . After adsorption, both the and peaks moved slightly to low binding energy values of 532.68 and 531.21 eV attributing their involvement in the adsorption process, which aligns with the shifts observed in the C1s spectra for the bonds. Additionally, the P2p spectrum before CR adsorption in Fig. 4d portrayed a signal at 133.9 eV , indicating the integration of phosphorus within the carbon matrix, primarily in the form of phosphates and polyphosphates . The P2p peak remained relatively unchanged after adsorption, suggesting that phosphate groups might not be directly participating in the adsorption but contribute to the structural stability of the SCAC material. The binding energies of C1s, O1s, and P2p align with values reported in the literature for AC synthesized from Peltophorum pterocarpum pods and Ficus religiosa leaves .
The elemental composition of SCAC before adsorption revealed carbon, oxygen, and nitrogen. After adsorption, the carbon content slightly decreased to , likely due to CR molecules masking the SCAC surface and attenuating the signal from underlying carbon atoms. Similarly, oxygen content also showed a minor reduction to , possibly due to surface coverage by CR, interactions with oxygen-containing groups, or displacement of some oxygen species. The XPS and EDS findings thus reveal key changes in elemental composition, including variations in carbon and oxygen levels and the appearance of sulfur after adsorption. FTIR analysis further supports these results, showing shifts in functional moieties such as ,
Fig. 4. XPS spectra of SCAC before and after adsorption, showing detailed analysis of (a) full survey spectrum (b) C1s, (c) O1s and (d) P2p spectra.
and , that actively participate in the adsorption process. Together, these observations indicate enhanced CR uptake driven by mechanisms such as electrostatic interactions, hydrogen bonding, or a combination of both.

Adsorption experimentation studies

pH effect
As shown in Fig. 5a, a marginal increase in CR removal efficiency was noted between pH 5 and 6, followed by a minor reduction around pH 7 . Interestingly, a marginal rise in removal efficiency was observed as the pH continued to increase from 7 to 10 . The slight increase in removal efficiency observed between pH 5 and 6 is attributed to the relationship between the of SCAC and the pKa of . When the pH is below the , SCAC carries positive charges, while at pH levels above the , it attains negative charges . On the other hand, CR has a pKa of 4.1, which influences its ionization state in solution. At pH values below its primarily exists in its protonated form, where the amine ( ) and sulfonic acid ( ) groups form and respectively . Within the pH of 5 to 6 , the SCAC surface, with a of 7.2 , is positively charged. In parallel, CR , with its pKa of 4.1, exists predominantly in its deprotonated form. This difference in charge facilitates electrostatic interactions among the charged species, heading to enhanced adsorption performance. However, a slight drop in adsorption efficiency was seen around pH 7, likely due to its proximity to the of the SCAC. At this pH, the adsorbent is neutral in charge and thus less likely to attract the negatively charged CR molecules.
Despite the growing negative charge on both the SCAC surface ( ) and CR molecules ( ) at pH 7 to 10, a marginal rise in removal efficiency was achieved. This suggests that non-electrostatic interactions, such as hydrogen bonding among the negatively charged of CR and the hydroxyl groups of the SCAC surface along with van der Waals forces, become more prominent . Moreover, potential interactions among the aromatic ring of CR and the aromatic structures of SCAC, further enhance adsorption, counteracting the increasing electrostatic repulsion. Considering the meagre variations in removal efficiency across the tested pH range from 5 to 10, the native pH of was deemed optimal for subsequent adsorption experiments.
Fig. 5. (a) Adsorption parameters including (a) influence of pH , (b) effect of dosage, (c) influence of initial CR concentration and (d) effect of temperature for the adsorption of CR onto SCAC.
This decision minimizes the need for extensive pH adjustments, enhancing both the practicality and scalability of the process for real-world applications. The selection of optimum pH resembles findings from previous literature using AC from corn cobs and watermelon rinds .

Influence of SCAC dose

Figure 5b illustrates the correlation between SCAC dose, CR removal efficiency, and adsorption capacity. Specifically, the rise in the dosage from 0.2 to caused a dramatic increase in removal efficiency from 25.48 to . This positive correlation is corroborated by the increased availability of binding spots, which, in turn, promotes greater interaction and intake of CR molecules, ultimately enhancing their removal . Conversely, the adsorption capacity of SCAC exhibits a consistent decline with increasing dose. In particular, the adsorption capacity was at a dose of and decreased to at a dosage of . At higher doses, the abundance of available adsorption sites surpasses the number of CR molecules available for binding. This effect reflects the opposite correlation between dosage and adsorption capacity as given in Eq. (2). Subsequently, an optimum dosage of was chosen for further studies. These dosage-dependent findings for CR removal align with previous studies using AC derived from Sargassum fusiform and Cymbopogon winterianus .

Effects of initial dye concentration and time

The impact of initial dye concentration on the adsorption performance of SCAC was performed by changing the CR concentration between 20 and while maintaining SCAC (Fig. 5c). During the initial 30 min of adsorption, there was a rapid increase in removal efficiency. This initial surge is because of the abundant accessibility of binding sites on SCAC, which readily accommodates CR molecules. As the process continues, equilibrium is gradually reached, marked by a plateau in the removal efficiency curve between 80 and 120 min . This equilibrium state specifies that, the binding sites on SCAC are becoming saturated, limiting further adsorption as the rate of adsorption is counterbalanced by the rate of desorption. Another key observation is the inverse relationship between CR concentration and removal efficiency. With an increase in CR concentration, the removal efficiency dropped from 84.05 to over 180 min (Fig. 5c). At lower concentrations, the
percentage removal was higher due to the ease with which the CR molecules could access and occupy the abundant active sites . In contrast, the limited number of active sites on SCAC becomes a limiting factor at higher concentrations. Despite the presence of a large number of CR molecules, the active sites are insufficient to accommodate all of them. Consequently, after adsorbing CR up to a certain concentration, the active sites of the SCAC attain saturation. Beyond this saturation point, equilibrium is established, resulting in a decrease in the removal percentage .

Influence of temperature

The effect of temperature on the removal efficiency of CR onto SCAC was assessed between 293 and 323 K. As illustrated in Fig. 5d, the removal performance exhibits a clear upward trend with increasing temperature, rising from at 293 K to at 323 K .
Elevated temperatures enhance adsorption by increasing the kinetic energy of CR molecules, leading to more frequent collisions with the SCAC and providing the thermal energy needed to surpass the activation energy barrier for adsorption . Also, the endothermal nature was evident from the positive correlation between temperature and removal efficiency which aligns with findings from other studies involving AC synthesized from kenaf fiber .
While adsorption is generally considered a less energy-intensive process compared to other separation techniques, conducting it at an elevated temperature of 323 K increases the energy demand, making it less energy-efficient. Furthermore, implementing adsorption at such high temperatures for industrial textile dye wastewater treatment, which involves significantly larger volumes, becomes impractical and potentially costprohibitive. Besides, there’s a risk of thermal evaporation of CR solution at high temperatures, leading to an inaccurate estimation of the amount of CR adsorbed by the adsorbent. Therefore, an optimum temperature of 303 K was selected for subsequent adsorption experiments to maintain a synergy between practical feasibility, cost-effectiveness, and environmental sustainability.

Adsorption kinetics

The adsorption capacity versus time plot reveals a rapid initial uptake of CR within the first 30 min , attributed to the high concentration gradient among the CR solution and the abundant active sites on SCAC (Fig. 6a). This initial rapid uptake is likely driven by physisorption, where CR molecules weakly bind to the SCAC surface through van der Waals forces. As adsorption progresses, the rate decreases, ultimately reaching equilibrium at 180 min . This plateau indicates that the binding sites on SCAC have become saturated .
To gain a deeper understanding of the adsorption mechanism, the dataset was fitted to three well-established kinetic models: PFO, PSO, and IPD as discussed in the earlier sections. The PFO model (Fig. 6a), which assumes that the adsorption rate varies with the accessibility of unoccupied sites, showed a poor fit (Table 1) to the experimental dataset. Furthermore, the significant deviation between the calculated adsorption capacity ( ) of and the experimental adsorption capacity ( ) of implies that the adsorption process includes more complex interactions beyond simple physisorption. This is further supported by the high Chi-square ( ) value of 24.09 , confirming the inadequacy of the PFO model for this system.
In contrast, the PSO model, based on chemisorption, offered a much better fit ( ) (Table 1). Moreover, the calculated adsorption capacity ( ) of closely aligns with the experimental value ( ) of , further supporting chemisorption as the governing mechanism . This conclusion is reinforced by the low value of 9.99 , highlighting the minimal difference between calculated and experimental values.
The IPD model was applied to evaluate the diffusion within SCAC pores that contribute to the adsorption process. However, its lower ( 0.7731 ) (Table 1) and high value of 49.73 indicate that, although intraparticle diffusion contributes to the adsorption process, it does not serve as the primary rate-limiting step. Besides, the non-linearity in the IPD plot, with an intercept value of C=15.19 mg/g, indicating the thickness of the boundary layer, further supports the multi-stage nature of the adsorption process. This implies that external mass transfer plays a significant role during the initial phase before intraparticle diffusion becomes the dominant mechanism .

Adsorption isotherm models

As shown in Fig. 6b, a steep rise in was observed at low values, indicating a high affinity of CR for SCAC. This initial rapid intake is owing to the abundance of vacant adsorption sites on SCAC. However, as increases, begins to plateau, suggesting a gradual saturation of the available sites. To further elucidate the mechanism and quantify the interaction between CR and SCAC, the experimental equilibrium data, were fitted to three widely used adsorption isotherm models: Langmuir, Freundlich, and Temkin as discussed earlier.
Langmuir model demonstrated excellent fit to the experimental dataset, evidenced by the high value of 0.9944 (Table 1). This strong correlation suggests that the adsorption predominantly follows a monolayer mechanism, characterized by the development of a single layer of CR molecules on the SCAC surface. The Langmuir model assumes that all binding sites possess uniform energy and are equally accessible , which aligns with the observed plateau in at higher values (Fig. 6b). Furthermore, the Langmuir model yielded a lower value of 3.07 reinforcing the inference that, it provides a more accurate and reliable fit for the observed adsorption behavior. The , measured to be suggests a relatively strong attraction between SCAC and CR, indicating a favorable adsorption process. Besides, the separation factor ( ), given by, where, is the initial concentration of CR. It was calculated as 0.108 , which falls within and confirms the favourability of the adsorption process . The maximum adsorption capacity , obtained from the Langmuir model was , which surpasses those reported in several other studies using AC for CR
Fig. 6. (a) Adsorption kinetics, (b) adsorption isotherm and (c) Van’t Hoff plot for the adsorption of CR onto SCAC.
removal. For instance, Litefti et al. documented that the adsorption capacity of CR on AC derived from Pinus pinaster was . Similarly, Ghaedi et al. reported a maximum adsorption capacity of for AC derived from Myrtus communis . Other AC sources reported in the literature demonstrated varying adsorption capacities for CR such as water hyacinth stem and leaf ( 14.367 and , kenaf fiber ( , fly ash ( ) and apricot stone ( . Table 2 emphasizes various reported ACs for the removal of CR dye. The data reveals that SCAC stands out with its high surface area, significantly higher pore volume,
Adsorption kinetics
Models Parameters Values
Pseudo First order Order 0.164
41.50
0.8900
24.09
Pseudo Second order Order (g/mg.min) 0.0048
, cal (mg/g) 44.99
0.9544
9.99
Intraparticle diffusion 2.78
0.7731
49.73
C ( ) 15.19
Adsorption isotherm
Langmuir 59.27
0.411
0.9944
3.07
Freundlich 28.34
1/n 0.202
0.9908
5.03
Temkin 8.855
16.95
0.9413
5.61
Table 1. Adsorption kinetics and isotherm parameters for CR adsorption onto SCAC.
S. No Adsorbent AC preparation conditions BET surface Area ( ) Pore volume (cc/g) Ref.
1. Cymbopogon winterianus AC – – 6.25 56
2. Water hyacinth leaf and stem AC’s 3.78 – 13.908 62
3. Prickly Pear Fruit Seeds AC 42.79 2.34 21.83 73
4. Apricot stone AC 88.05 0.264 32.85 64
6. Hevea brasiliensis seed shells AC 735 – 50.51 74
7. Spathodea campanulata AC 986.41 0.8797 59.27 This study
Table 2. Analysis of various ACs for CR dye removal.
and maximum adsorption capacity, demonstrating its superior efficacy for CR adsorption compared to several recently reported ACs.
Freundlich model is commonly linked with multilayer adsorption on heterogeneous surfaces . This model deviates from the ideal adsorption scenario by accounting for diverse binding sites with varying adsorption-free energies. Freundlich isotherm also showed a strong correspondence with the dataset, as proven by its high value of 0.9908 (Table 1). However, the relatively higher value of 5.03 obtained from the Freundlich model suggests that the Langmuir model delivers a more accurate representation of the experimental data. Additionally, the Freundlich exponent of 4.94 being greater than 1 , suggests that the adsorption is favorable . This further supports the conclusion drawn from the Langmuir model, confirming the favorable adsorption. Likewise, a value of 0.202 , being relatively low and not approaching 1 , suggests a degree of heterogeneity in the adsorption sites .
The Temkin model, which infers a linear reduction in the heat of adsorption with increasing surface coverage caused by adsorbent-adsorbate interactions, offers an additional perspective on the adsorption process. Although its value of 0.9413 and of 5.61 (Table 1) does not indicate a strong correlation as the Langmuir and Freundlich models, it still signifies a reasonable fit to the experimental dataset . Thus, evaluation of the data using Langmuir, Freundlich, and Temkin isotherm model equations suggests a complex adsorption process
involving both monolayer and multilayer coverage. This complexity highlights the multifaceted nature of adsorption, often involving a combination of mechanisms and diverse SCAC surface characteristics.

Thermodynamics studies

The Van’t Hoff plot (Fig. 6c) shows an accurate fit between and T with an of 0.9972 . The calculated negative values, specifically , and at , and 323 K , respectively, indicate that the adsorption becomes progressively more favorable with rising temperature. This trend demonstrates that an increase in temperature enhances the spontaneity of the adsorption process, likely due to the increased kinetic energy of CR molecules and more favorable interactions with the SCAC surface . The value of reveals that the adsorption process is endothermic, requiring an input of energy. This endothermic nature is consistent with the observed rise in the amount of CR adsorbed at higher temperatures (Fig. 5d). In addition, the measured value exceeds the threshold commonly associated with chemisorption, suggests a chemisorption-driven process as supported by the PSO model. This observed enthalpy change reflects a balance between the initial energy required to overcome solvent interactions and electrostatic repulsion between CR molecules . Furthermore, the value of signifies the improved disorder at the CR/SCAC interfaces. This increase in entropy likely arises from several factors, including the displacement of solvent molecules from the SCAC surface upon CR adsorption . The thermodynamic parameters of this study align with previously published findings on AC derived from Pterocarpus indicus and Pinus sylvestris tree bark .

Desorption and adsorbent regeneration

The desorption experiments, depicted in Fig. 7a, demonstrate the significant impact of solvent type on CR removal from the spent SCAC. The solvents, in order of decreasing desorption efficiency, were methanol ethanol with removal efficiencies of , and , respectively. The superior performance of methanol is due to its lower molecular weight and shorter hydrocarbon chain compared to ethanol. These properties likely facilitate more effective penetration into the pores of the SCAC, disrupting CR-SCAC interactions . Additionally, its higher polarity presumably aids in the disruption of non-covalent interactions like hydrogen bonds or van der Waals force. Conversely, the lower desorption efficiencies observed for NaOH and HCl suggest that the CR-SCAC adsorption is not easily reversed by strong bases or acids. This could be due to the limited pore penetration of larger ionic species, potentially hindered by steric effects or diffusion barriers, or to the formation of insoluble precipitates that retain in the pores upon reaction with . Therefore, methanol was selected as the desorbing solvent for regeneration studies.
The regeneration studies with methanol, presented in Fig. 7b revealed a slight decrease in both CR removal efficiency and adsorption capacity with each cycle, yet the SCAC retained a substantial portion of its initial effectiveness. From the first to the second cycle, adsorption performance showed a slight decrease from ( ) to . However, it remained almost consistent from the second to the sixth cycle, reaching – an overall marginal reduction of only . This decline is due to the incomplete desorption of CR molecules, alterations in SCAC surface functional groups, and slight mass loss of SCAC during the regeneration process . Nevertheless, reusability studies demonstrate that SCAC can be effectively regenerated for the removal of CR over multiple cycles, underscoring its potential for sustainable and economical applications in industrial wastewater treatment.
Fig. 7. (a) Adsorption efficiency of SCAC for CR after using different desorbing agents; (b) Adsorption efficiency of SCAC by methanol over six consecutive adsorption-desorption cycles.

Evaluating the efficacy of SCAC for removing CR from various water matrices

Figure 8a depicts the CR removal efficiencies and maximum adsorption capacities across different water matrices, highlighting the enhanced performance of SCAC in natural environments compared to the distilled water control (C). Notably, the natural water matrices demonstrated significantly higher adsorption performance in the following order: Arabi falls < Tap water < Industrial ground water < Manipal lake < Suvarna river. Similarly, Fig. 8b illustrates the UV-visible spectra showing the performance of SCAC in industrial groundwater, achieving a removal efficiency of , which closely approaches the highest observed efficiency of in the Suvarna river sample. This high efficiency underscores the practical applicability of SCAC in complex water sources.
The significantly higher CR removal efficiency observed in various natural water streams is owing to their distinct chemical characteristics. Natural waters typically contain dissolved organic matter, such as humic substances , which can act as bridging ligands between organic dyes like CR and the SCAC surface. Additionally, the presence of various ions in natural water may further influence the surface chemistry of SCAC, favoring adsorption . Since distilled water lacks both organic bridging ligands and ionic diversity present in natural waters, it fails to induce similar surface characteristics, likely contributing to the observed reduction in adsorption efficiency.

Insights of adsorption mechanism

The schematic representation showing the interaction mechanisms between SCAC and CR, is depicted in Fig. 9. The findings of this study suggest that CR adsorption onto SCAC is governed by a multifaceted mechanism, with chemisorption playing a dominant role while physisorption also contributes significantly to the overall process. Initially, the SSA and mesoporous structure provide easy access for CR molecules, enhancing overall adsorption efficiency through physical forces . However, as adsorption progresses, the PSO model demonstrates a superior fit, highlighting the increasing role of chemisorption. Additionally, the presence of functional groups on SCAC, such as , and aromatic structures, confirmed by XPS and FTIR analyses, facilitate diverse interaction types, including, hydrogen bonding, van der Waals forces and interactions (physisorption), alongside strong ionic/electrostatic (chemisorption). Furthermore, the hydrophobic nature of the aromatic rings and azo groups ( ) in CR molecules contributes to the adsorption through favorable interactions with the non-polar regions of SCAC .
In addition, the superior fit of the Langmuir isotherm confirms monolayer adsorption dominated by chemisorption, while the reasonable fit of the Freundlich isotherm suggests surface heterogeneity and the potential for multilayer adsorption, which is characteristic of physisorption . Additionally, the adsorption process involves a combination of diffusion processes, including bulk diffusion, thin-film diffusion, boundary layer diffusion, and intraparticle diffusion. These processes collectively facilitate the transport of CR molecules from the bulk solution to the internal pores of the SCAC.
At low pH, the positively charged SCAC surface enhances strong electrostatic attraction with the negatively charged sulfonate groups of CR, enhancing adsorption efficiency. At higher , as the surface charge becomes less positive or even negative, the reduction in strong electrostatic attractions is compensated by nonelectrostatic interactions such as van der Waals forces, hydrogen bonding, and interactions. Together, these findings underscore that the surface area, pore structure, pH -dependent charge, and functional groups synergistically contribute to efficient CR removal.
Fig. 8. (a) CR adsorption performance using SCAC across different water matrices including, Control (C), Arabi falls (AF), Tap water (TW), Industrial groundwater (IW) Manipal lake (ML) and Suvarna river (SR); (b) UV-visible spectra of CR removal performance using SCAC in Industrial groundwater (IW).
Fig. 9. Schematic representation showing the key interactions between SCAC and CR during the adsorption process.

Conclusion

This study successfully synthesized activated carbon from Spathodea campanulata flowers and evaluated its effectiveness for Congo red (CR) removal. FESEM image showed that the initially rough and irregular surface morphology of SCAC transformed to a smoother texture after adsorption, confirming the effective attachment of CR molecules. Further characterization through XPS and FTIR analyses identified surface functional moieties that facilitated adsorption via electrostatic interaction, hydrogen bonding, and interaction. Adsorption studies revealed that CR removal was most effective at pH 7 and a temperature of 303 K , indicating the significance of electrostatic and non-electrostatic interactions driving the adsorption process. The adsorption kinetics followed a pseudo-second-order model, indicating chemisorption as the dominant mechanism, further supported by the determined in thermodynamic studies. The Langmuir model provided the best fit, indicating monolayer coverage of CR on a homogenous SCAC surface. Desorption studies demonstrated methanol as an effective desorbing agent, enabling SCAC to retain high adsorption efficiency over multiple cycles, highlighting its reusability. Spiking studies in simulated natural wastewater environments further validated the efficacy of SCAC. Hence, SCAC synthesized from a readily available and sustainable plant biomass, shows great promise as a low-cost and eco-friendly solution to remove CR dye. Its high adsorption capacity and reusability make it a viable option for practical applications. Future research should focus on scaling up SCAC production to industrial levels, expanding its application to contaminants like heavy metals and pharmaceuticals, conducting continuous column studies, evaluating the effects of competing ions on adsorption capacity, cost analysis, and optimizing sustainability through life cycle assessments.

Data availability

The authors declare that the data supporting the findings of this study are available within the article.
Received: 7 November 2024; Accepted: 7 January 2025
Published online: 13 January 2025

References

  1. Moradi, O., Hosseinian Naeini, A., Kalaee, M. R. & Mirkhan, S. M. R. The effect of sustainable applications of chitin and Chitosan to remove Dyed pollutants using adsorption: A review. Nano 18 https://doi.org/10.1142/S1793292023300062 (2023).
  2. Kolawole, A. S. & Iyiola, A. O. Environmental pollution: threats, impact on biodiversity, and protection strategies, in: Sustain. Util. Conserv. Africa’s Biol. Resour. Environ., Springer, 377-409. (2023).
  3. Aluigi, A. et al. Eco-friendly electrospun membranes made of biodegradable polymers for wastewater treatment. Electrospinning Adv. Energy Environ. Appl. 219-241. https://doi.org/10.1201/b18838 (2015).
  4. Kishor, R. et al. Ecotoxicological and health concerns of persistent coloring pollutants of textile industry wastewater and treatment approaches for environmental safety. J. Environ. Chem. Eng. 9, 105012 (2021).
  5. Saravanan, A. et al. Effective water/wastewater treatment methodologies for toxic pollutants removal: Pprocesses and applications towards sustainable development. Chemosphere 280, 130595. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.130595 (2021).
  6. Zaki, N. et al. Advancements in the chemical treatment of potable water and industrial wastewater using the coagulationflocculation process. Sep. Sci. Technol. 58, 2619-2630. https://doi.org/10.1080/01496395.2023.2219381 (2023).
  7. Dutta, S. & Bhattacharjee, J. A comparative study between physicochemical and biological methods for effective removal of textile dye from wastewater, in: Dev. Wastewater Treat. Res. Process., Elsevier, 1-21. (2022).
  8. Konwar, M., Textile Industry and Its Environmental Impacts & Review, A. Indian J. Pure Appl. Biosci. 8 134-139. https://doi.org/1 0.18782/2582-2845.7848. (2020).
  9. Sharma, J., Sharma, S. & Soni, V. Classification and impact of synthetic textile dyes on aquatic Flora: A review, Reg. Stud. Mar. Sci. 45, 101802 (2021).
  10. Al-Tohamy, R. et al. A critical review on the treatment of dye-containing wastewater: Ecotoxicological and health concerns of textile dyes and possible remediation approaches for environmental safety. Ecotoxicol. Environ. Saf. 231, 113160. https://doi.org/1 0.1016/j.ecoenv.2021.113160 (2022).
  11. Aounallah, F. et al. Biodegradation pathway of congo red azo dye by geotrichum candidum and toxicity assessment of metabolites. Catal. Lett. 1-16. (2024).
  12. Chai, W. S. et al. A review on conventional and novel materials towards heavy metal adsorption in wastewater treatment application. J. Clean. Prod. 296, 126589 (2021).
  13. Sağlam, S., Türk, F. N. & Arslanoğlu, H. Use and applications of metal-organic frameworks (MOF) in dye adsorption. J. Environ. Chem. Eng. 110568. (2023).
  14. Zhang, L. et al. Coconut-based activated carbon fibers for efficient adsorption of various organic dyes. RSC Adv. 8, 42280-42291. https://doi.org/10.1039/C8RA08990F (2018).
  15. Khan, M. I. et al. Application of NaOH modified rice husk as a potential sorbent for removal of Congo red from an aqueous solution, Desalin. Water Treat. 273, 221-235. https://doi.org/10.5004/dwt.2022.28864 (2022).
  16. Sime, T., Fito, J., Nkambule, T. T. I., Temesgen, Y. & Sergawie, A. Adsorption of Congo Red from Textile Wastewater using activated Carbon developed from Corn Cobs: The studies of isotherms and kinetics. Chem. Afr. 6, 667-682. https://doi.org/10.1007/s4225 0-022-00583-2 (2023).
  17. Ravikumara, M. & Kingb, P. Application of response surface optimization on biosorption of Congo red dye onto Spathodea campanulata leaves, Desal. Water Treat. 182, 342-350 (2020).
  18. Dimbo, D. et al. Methylene blue adsorption from aqueous solution using activated carbon of spathodea campanulata. Results Eng. 21, 101910 (2024).
  19. Padhy, G. K. Spathodea campanulata P. Beauv.-A review of its ethnomedicinal, phytochemical, and pharmacological profile. J. Appl. Pharm. Sci. 11, 17-44 (2021).
  20. E.P. On A. and P. or S. used in A.F. (FEEDAP), scientific opinion on the safety and efficacy of orthophosphoric acid for all animal species. EFSA J. 11 3043. (2013).
  21. Pimentel, C. H., Castro-Agra, R., Freire, M. S., Gómez-Díaz, D. & González-Álvarez, J. Adsorption of anionic wood dyes on KOHactivated carbons from Pinus radiata sawdust. Biomass Convers. Biorefinery. https://doi.org/10.1007/s13399-024-05587-1 (2024).
  22. Saleem, J., Moghal, Z. K. B., Pradhan, S. & McKay, G. High-performance activated carbon from coconut shells for dye removal: Study of isotherm and thermodynamics. RSC Adv. 14, 33797-33808. https://doi.org/10.1039/D4RA06287F (2024).
  23. Gad, S. C. Phosphoric acid 4th edn (Elsevier Inc., 2023). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-824315-2.00813-7
  24. Patra, C., Shahnaz, T., Subbiah, S. & Narayanasamy, S. Comparative assessment of raw and acid-activated preparations of novel Pongamia pinnata shells for adsorption of hexavalent chromium from simulated wastewater. Environ. Sci. Pollut Res. 27, 1483614851. https://doi.org/10.1007/s11356-020-07979-y (2020).
  25. Ojedokun, A. T. & Bello, O. S. Kinetic modeling of liquid-phase adsorption of Congo red dye using guava leaf-based activated carbon. Appl. Water Sci. 7, 1965-1977 (2017).
  26. Wang, J. & Guo, X. Adsorption isotherm models: Classification, physical meaning, application and solving method. Chemosphere 258, 127279. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.127279 (2020).
  27. Lima, E. C., Gomes, A. A. & Tran, H. N. Comparison of the nonlinear and linear forms of the van’t Hoff equation for calculation of adsorption thermodynamic parameters ( and ). J. Mol. Liq. 311, 113315. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.113315 (2020).
  28. Patil, P., Jeppu, G., Vallabha, M. S. & Girish, C. R. Enhanced adsorption of phenolic compounds using biomass-derived high surface area activated carbon: Isotherms, kinetics and thermodynamics. Environ. Sci. Pollut Res. https://doi.org/10.1007/s11356-0 24-32971-1 (2024).
  29. Omorogie, M. O. et al. Microwave-synthesized and Fenton-functionalized Pinus sylvestris bark activated carbon/metal oxides for the effective uptake of tetracycline and Congo red dye. Biomass Convers. Biorefinery. 10, 959-975 (2020).
  30. Wei, H. et al. Advanced porous hierarchical activated carbon derived from agricultural wastes toward high performance supercapacitors. J. Alloys Compd. 820, 153111 (2020).
  31. Patra, C., Gupta, R., Bedadeep, D. & Narayanasamy, S. Surface treated acid-activated carbon for adsorption of anionic azo dyes from single and binary adsorptive systems: A detail insight. Environ. Pollut 266, 115102. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.115102 (2020).
  32. Nethaji, S., Sivasamy, A., Thennarasu, G. & Saravanan, S. Adsorption of Malachite Green dye onto activated carbon derived from Borassus aethiopum flower biomass. J. Hazard. Mater. 181, 271-280. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.05.008 (2010).
  33. Zahed, M., Jafari, D. & Esfandyari, M. Adsorption of formaldehyde from aqueous solution using activated carbon prepared from Hibiscus rosa-sinensis. Int. J. Environ. Anal. Chem. 102, 2979-3001. https://doi.org/10.1080/03067319.2020.1762872 (2022).
  34. Bazan-Wozniak, A., Nowicki, P., Wolski, R. & Pietrzak, R. Activated bio-carbons prepared from the Residue of Supercritical Extraction of Raw Plants and their application for removal of Nitrogen Dioxide and Hydrogen Sulfide from the gas phase, materials (Basel). 14 (2021). https://doi.org/10.3390/ma14123192
  35. Senthilkumaar, S., Kalaamani, P. & Subburaam, C. V. Liquid phase adsorption of Crystal violet onto activated carbons derived from male flowers of coconut tree. J. Hazard. Mater. 136, 800-808. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2006.01.045 (2006).
  36. Zięzio, M., Charmas, B., Jedynak, K., Hawryluk, M. & Kucio, K. Preparation and characterization of activated carbons obtained from the waste materials impregnated with phosphoric acid(V). Appl. Nanosci. 10, 4703-4716. https://doi.org/10.1007/s13204-02 0-01419-6 (2020).
  37. Xue, H. et al. Adsorption of methylene blue from aqueous solution on activated carbons and composite prepared from an agricultural waste biomass: A comparative study by experimental and advanced modeling analysis. Chem. Eng. J. 430, 132801. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132801 (2022).
  38. Jawad, A. H. et al. High surface area and mesoporous activated carbon from KOH -activated dragon fruit peels for methylene blue dye adsorption: Optimization and mechanism study. Chin. J. Chem. Eng. 32, 281-290. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2020.09.070 (2021).
  39. Om Prakash, M., Raghavendra, G., Ojha, S. & Panchal, M. Characterization of porous activated carbon prepared from arhar stalks by single step chemical activation method, Mater. Today Proc. 39, 1476-1481. (2021). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.05.370
  40. Somsesta, N., Sricharoenchaikul, V. & Aht-Ong, D. Adsorption removal of methylene blue onto activated carbon/cellulose biocomposite films: Equilibrium and kinetic studies. Mater. Chem. Phys. 240, 122221.https://doi.org/10.1016/j.matchemphys. 201 9.122221 (2020).
Scientific Reports |
(2025) 15:1831
41. Ouachtak, H. et al. Combined molecular dynamics simulations and experimental studies of the removal of cationic dyes on the eco-friendly adsorbent of activated carbon decorated montmorillonite Mt@ AC. RSC Adv. 13, 5027-5044 (2023).
42. Yadav, M. S., Singh, N. & Bobade, S. M. V x O y nanoparticles and activated charcoal based nanocomposite for supercapacitor electrode application. Ionics (Kiel). 26, 2581-2598 (2020).
43. Obayomi, K. S. et al. Adsorption of endocrine disruptive Congo red onto biosynthesized silver nanoparticles loaded on Hildegardia barteri activated carbon. J. Mol. Liq. 352, 118735 (2022).
44. Ghosh, N., Rhithuparna, D., Khatoon, R., Rokhum, S. L. & Halder, G. Sulphonic-acid functionalized novel Limonia acidissima carbonaceous catalyst for biodiesel synthesis from Millettia pinnata oil: Optimization, kinetics, thermodynamics and cost analysis. J. Clean. Prod. 394, 136362. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136362 (2023).
45. Ma, M., Ying, H., Cao, F., Wang, Q. & Ai, N. Adsorption of Congo red on mesoporous activated carbon prepared by CO2 physical activation. Chin. J. Chem. Eng. 28, 1069-1076. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2020.01.016 (2020).
46. Subba Reddy, Y. et al. Biomass-derived sustainable mesoporous activated carbon as an efficient and recyclable adsorbent for the adsorption of hazardous dyes. Hybrid. Adv. 6, 100218. https://doi.org/10.1016/j.hybadv.2024.100218 (2024).
47. He, S. et al. Adsorption enhancement of Congo red dye from wastewater based on edamame shell originated activated carbon by the cations: Experimental and theoretical studies. Diam. Relat. Mater. 136, 109930. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.109930 (2023).
48. Djaber, S., Reffas, A. & El-Shafey, E. S. I. Activated carbons produced by thermochemical means from date palm spathes impregnated with H3PO4 for Congo red removal. Biomass Convers. Biorefinery. https://doi.org/10.1007/s13399-024-06135-7 (2024).
49. Wang, X., Fan, X., Xie, H., Li, X. & Hao, C. Polyacrylic acid/carboxymethyl cellulose/activated carbon composite hydrogel for removal of heavy metal ion and cationic dye. Cellulose 29, 483-501. https://doi.org/10.1007/s10570-021-04286-8 (2022).
50. Samanth, A., Selvaraj, R., Murugesan, G., Varadavenkatesan, T. & Vinayagam, R. Efficient adsorptive removal of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) using biomass derived magnetic activated carbon nanocomposite in synthetic and simulated agricultural runoff water. Chemosphere 361, 142513. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.142513 (2024).
51. Lafi, R., Montasser, I. & Hafiane, A. Adsorption of Congo red dye from aqueous solutions by prepared activated carbon with oxygen-containing functional groups and its regeneration. Adsorpt. Sci. Technol. 37, 160-181 (2019).
52. Ahmad Aftab, R. et al. Removal of Congo red from water by adsorption onto activated carbon derived from waste black cardamom peels and machine learning modeling. Alexandria Eng. J. 71, 355-369. https://doi.org/10.1016/j.aej.2023.03.055 (2023).
53. Laureano-Anzaldo, C. M., Haro-Mares, N. B., Meza-Contreras, J. C., Robledo-Ortíz, J. R. & Manríquez-González, R. Chemical modification of cellulose with zwitterion moieties used in the uptake of red Congo dye from aqueous media. Cellulose 26, 92079227. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02717-1 (2019).
54. Ali, Y. A. E. H., N’diaye, A. D., Fahmi, D., Kankou, M. S. & Stitou, M. Adsorption of Congo red from aqueous solution using Typha Australis leaves as a low cost adsorbent. J. Environ. Treat. Tech. 9, 534-539 (2021).
55. Mandal, S., Calderon, J., Marpu, S. B., Omary, M. A. & Shi, S. Q. Mesoporous activated carbon as a green adsorbent for the removal of heavy metals and Congo Red: Characterization, adsorption kinetics, and isotherm studies. J. Contam. Hydrol. 243, 103869. https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2021.103869 (2021).
56. Saha, A., Basak, B. B. & Ponnuchamy, M. Performance of activated carbon derived from Cymbopogon winterianus distillation waste for scavenging of aqueous toxic anionic dye Congo Red: Comparison with commercial activated carbon. Sep. Sci. Technol. 55, 1970-1983 (2020).
57. Wekoye, J. N., Wanyonyi, W. C., Wangila, P. T. & Tonui, M. K. Kinetic and equilibrium studies of Congo red dye adsorption on cabbage waste powder. Environ. Chem. Ecotoxicol. 2, 24-31(2020).
58. Zubir, M. H. M. & Zaini, M. A. A. Twigs-derived activated carbons via composite activation for methylene blue and Congo red dyes removal. Sci. Rep. 10, 14050. https://doi.org/10.1038/s41598-020-71034-6 (2020).
59. Hao, Y. S., Othman, N. & Zaini, M. A. A. Waste newspaper as cellulose resource of activated carbon by sodium salts for methylene blue and Congo red removal. Int. J. Biol. Macromol. 277, 134353 (2024).
60. Litefti, K., Freire, M. S., Stitou, M. & González-Álvarez, J. Adsorption of an anionic dye (Congo Red) from aqueous solutions by pine bark. Sci. Rep. 9, 16530. https://doi.org/10.1038/s41598-019-53046-z (2019).
61. Ghaedi, M., Tavallali, H., Sharifi, M., Kokhdan, S. N. & Asghari, A. Preparation of low cost activated carbon from Myrtus communis and pomegranate and their efficient application for removal of Congo red from aqueous solution. Spectrochim Acta Part. Mol. Biomol. Spectrosc. 86, 107-114. https://doi.org/10.1016/j.saa.2011.10.012 (2012).
62. Extross, A., Waknis, A., Tagad, C., Gedam, V. V. & Pathak, P. D. Adsorption of Congo red using carbon from leaves and stem of water hyacinth: Equilibrium, kinetics, thermodynamic studies. Int. J. Environ. Sci. Technol. 20, 1607-1644. https://doi.org/10.1007 /s13762-022-03938-x (2023).
63. Harja, M., Buema, G. & Bucur, D. Recent advances in removal of Congo Red dye by adsorption using an industrial waste. Sci. Rep. 12, 6087. https://doi.org/10.1038/s41598-022-10093-3 (2022).
64. Abbas, M. & Trari, M. Kinetic, equilibrium and thermodynamic study on the removal of Congo Red from aqueous solutions by adsorption onto apricot stone. Process. Saf. Environ. Prot. 98, 424-436. https://doi.org/10.1016/j.psep.2015.09.015 (2015).
65. Gupta, V. K., Agarwal, S., Ahmad, R., Mirza, A. & Mittal, J. Sequestration of toxic Congo red dye from aqueous solution using ecofriendly guar gum/ activated carbon nanocomposite. Int. J. Biol. Macromol. 158, 1310-1318. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac .2020.05.025 (2020).
66. Ferreira, G. M. D. et al. L.H.M. Da Silva, Adsorption of red azo dyes on multi-walled carbon nanotubes and activated carbon: A thermodynamic study, colloids surfaces a physicochem. Eng. Asp 529, 531-540 (2017).
67. Ziane, S., Bessaha, F., Marouf-Khelifa, K. & Khelifa, A. Single and binary adsorption of reactive black 5 and Congo Red on modified dolomite: Performance and mechanism. J. Mol. Liq. 249, 1245-1253. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.11.130 (2018).
68. Amran, F. & Zaini, M. A. A. Sodium hydroxide-activated Casuarina empty fruit: Isotherm, kinetics and thermodynamics of methylene blue and Congo red adsorption. Environ. Technol. Innov. 23, 101727 (2021).
69. Gohoho, H. D., Noby, H., Hayashi, J. & El-Shazly, A. H. Various acids functionalized polyaniline-peanut shell activated carbon composites for dye removal. J. Mater. Cycles Waste Manag. 24, 1508-1523 (2022).
70. Mahler, C. F., Svierzoski, N. D. S. & Bernardino, C. A. R. Chemical Characteristics of Humic Substances in Nature, in: A. Makan (Ed.), IntechOpen, Rijeka, 2021: p. Ch. 8. https://doi.org/10.5772/intechopen. 97414
71. Haroon, H. et al. Activated carbon from a specific plant precursor biomass for hazardous cr (VI) adsorption and recovery studies in batch and column reactors: Isotherm and kinetic modeling. J. Water Process. Eng. 38, 101577 (2020).
72. Louis, M. R., Sorokhaibam, L. G., Bhandari, V. M. & Bundale, S. Multifunctional activated carbon with antimicrobial property derived from Delonix regia Biomaterial for treatment of wastewater. J. Environ. Chem. Eng. 6, 169-181. https://doi.org/10.1016/j.j ece.2017.11.056 (2018).
73. Lahreche, S. et al. Application of activated carbon adsorbents prepared from prickly pear fruit seeds and a conductive polymer matrix to remove Congo red from aqueous solutions. Fibers 10, 7 (2022).
74. Igwegbe, C. A., Ighalo, J. O., Onyechi, K. K. & Onukwuli, O. D. Adsorption of Congo Red and malachite green using H3PO4 and NaCl-modified activated carbon from rubber (Hevea brasiliensis) seed shells, sustain. Water Resour. Manag. 7, 63. https://doi.org/ 10.1007/s40899-021-00544-6 (2021).

Acknowledgements

The authors are thankful for the financial support obtained from Dr. T.M.A. Pai Ph.D. scholarship programme provided by Manipal Academy of Higher Education, Manipal. Also, the authors thank the Department of Chemical Engineering, Manipal Institute of Technology for providing research facilities to carry out experiments.

Author contributions

S.S performed the experiments and wrote the main manuscript. G.M analyzed the data and wrote the revised version of the manuscript. T.V. analyzed the data and wrote the revised version of the manuscript. R.V. supervised the project and wrote the revised version of the manuscript. R.S. supervised the project and wrote the revised version of the manuscript.

Funding

Open access funding provided by Manipal Academy of Higher Education, Manipal

Declarations

Competing interests

The authors declare no competing interests.

Plant guidelines

The authors confirm that the use of plant/plant parts in the present study complies with international, national and/or institutional guidelines.

Permissions to collect the plants/plant parts

The flowers of the tree were taxonomically identified and authenticated by Ms. Gayathri Pai, Department of Botany, MGM College, Udupi, India. The tree is commonly available and not protected, so no permissions or licenses were required for its collection. Additionally, a voucher specimen has not been deposited in herbarium, considering its established and widespread recognition.

Source of the plant used in your study

All plant names and the source of them are in the Methods section.

Additional information

Correspondence and requests for materials should be addressed to R.V. or R.S.
Reprints and permissions information is available at www.nature.com/reprints.
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© The Author(s) 2025
  1. Department of Chemical Engineering, Manipal Institute of Technology, Manipal Academy of Higher Education, Manipal, Karnataka 576104, India. Department of Biotechnology, M.S.Ramaiah Institute ofTechnology, Bengaluru, Karnataka 560054, India. Department of Biotechnology, Manipal Institute of Technology, Manipal Academy of Higher Education, Manipal, Karnataka 576104, India. email: ramesh.v@manipal.edu; raja.s@manipal.edu