DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86032-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39805985
تاريخ النشر: 2025-01-13
المؤلف: Sujesh Sudarsan وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تستكشف هذه التقرير تخليق وتوصيف وتطبيق الكربون المنشط المستخرج من زهور *Spathodea campanulata* (SCAC) لإزالة صبغة الكونغو الأحمر (CR) من المحاليل المائية. تم إنتاج SCAC باستخدام تنشيط حمض الفوسفوريك، مما أدى إلى مادة مسامية بسطح محدد قدره 986.41 م²/غ، وهو أعلى بكثير من القيم المبلغ عنها سابقًا للكربونات المنشطة المستخرجة من الزهور. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (FESEM)، والتحليل الطيفي بالأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS)، والتحليل الطيفي للأشعة السينية (XPS)، على الامتصاص الناجح لـ CR، مع تغييرات في شكل السطح والتركيب العنصري تشير إلى امتصاص فعال للصبغة. تبعت حركيات الامتصاص نموذجًا زائفًا من الدرجة الثانية، مما يشير إلى الامتصاص الكيميائي، بينما تناسب بيانات التوازن نموذج لانغموير (R² = 0.9944)، مما يدل على سعة امتصاص قصوى قدرها 59.27 ملغ/غ. أشار التحليل الديناميكي الحراري إلى أن عملية الامتصاص تلقائية وامتصاص حراري.
تخلص الدراسة إلى أن SCAC يظهر إمكانيات كبيرة لتطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي العملية، خاصة في مصفوفات المياه الحقيقية حيث أظهر كفاءة إزالة محسنة مقارنة بالظروف الضابطة. تم عزو آليات الامتصاص الفعالة إلى التفاعلات الكهروستاتيكية، والروابط الهيدروجينية، وتفاعلات π-π، مع تحديد الظروف المثلى عند pH 7 و303 كلفن. أبرزت دراسات الإزالة الميثانول كأكثر العوامل فعالية، مما يسمح لـ SCAC بالحفاظ على سعة امتصاص عالية عبر دورات متعددة، مما يبرز قابليته لإعادة الاستخدام. تشير النتائج إلى أن SCAC، كمواد ماصة مستدامة ومنخفضة التكلفة، يمكن أن يتم توسيعها لتطبيقات صناعية، مع توصية بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف فعاليتها ضد ملوثات أخرى وتحسين عمليات الإنتاج.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون زهور *Spathodea campanulata* التي تم جمعها من حرم الجامعة في مانيبال، الهند، كجزء من موادهم التجريبية. كانت الصبغة المستخدمة في التجارب، صبغة CR (الصيغة الكيميائية: C$_{32}$H$_{22}$N$_{6}$Na$_{2}$O$_{6}$S$_{2}$، الوزن الجزيئي: 696.66 غ/مول)، مستخرجة من Himedia (الهند). بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على الكواشف مثل حمض الفوسفوريك (H$_{3}$PO$_{4}$، 85%) وبيكربونات الصوديوم (NaHCO$_{3}$) من Sigma-Aldrich (الولايات المتحدة) وMerck (ألمانيا)، على التوالي. تم الحصول على حمض الهيدروكلوريك (HCl) وهيدروكسيد الصوديوم (NaOH) من Fisher Scientific (الولايات المتحدة). تم إجراء جميع التجارب باستخدام ماء مقطر لضمان الاتساق والنقاء في المنهجية.
النتائج
تكشف نتائج الدراسة حول توصيف SCAC (كربون رماد قصب السكر) عن تغييرات مورفولوجية وعنصرية كبيرة قبل وبعد امتصاص صبغة الكونغو الأحمر (CR). أظهرت صور FESEM أن SCAC قبل الامتصاص كان لديه شكل سطحي غير منتظم وخشن للغاية، يتميز بهيكل مسامي ورقيق نموذجي للمواد اللجنوسليلوزية. ساهمت هذه المورفولوجيا، التي تتميز بشقوق كبيرة، وفراغات، وحطام حبيبي، في مساحة سطح عالية ملائمة للامتصاص. أدى التنشيط بحمض الفوسفوريك إلى إنشاء شبكة مسامية هرمية، مما يعزز قدرات انتشار الصبغة.
أشارت التحليلات بعد الامتصاص إلى تحولات مورفولوجية ملحوظة، حيث أصبح سطح SCAC أكثر سلاسة وتقلص رؤية الشقوق والفراغات، مما يشير إلى التصاق ناجح لجزيئات CR. أكدت التحليلات العنصرية عبر EDS وجود الكربون (C) والأكسجين (O) كعناصر سائدة في SCAC قبل الامتصاص، مع ظهور الفوسفور (P) من عملية التنشيط بكميات ضئيلة. ومن الجدير بالذكر أن اكتشاف الكبريت (S) بنسبة 0.33% بعد الامتصاص قدم دليلًا مباشرًا على امتصاص CR، حيث أن الكبريت هو مكون من التركيب الجزيئي لـ CR. تؤكد هذه النتائج فعالية SCAC كمواد ماصة لإزالة الصبغة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق الكربون المنشط (AC) من زهور *S. campanulata* باستخدام طريقة معدلة تتضمن التنشيط الكيميائي بحمض الفوسفوريك. أظهر المادة الناتجة، المسمى SCAC، مساحة سطح محددة عالية قدرها 986.41 م²/غ وهيكل مسامي، مما يعزز بشكل كبير قدراته على الامتصاص. أكدت تقنيات التوصيف مثل FESEM، BET، XRD، FTIR، وXPS سلامة الهيكل والخصائص الوظيفية لـ SCAC، مما يكشف عن إمكانيته لإزالة الصبغة بشكل فعال.
أظهرت تجارب الامتصاص أن SCAC يزيل بشكل فعال صبغة الكونغو الأحمر (CR) من المحاليل المائية، مع ملاحظة كفاءة إزالة مثلى عند pH 7.0 وجرعة 0.5 غ/ل. كانت حركيات الامتصاص موصوفة بشكل أفضل بواسطة نموذج زائف من الدرجة الثانية، مما يشير إلى آلية امتصاص كيميائي، بينما تناسبت إيزوثرمات الامتصاص بشكل جيد مع نموذج لانغموير، مما يشير إلى امتصاص أحادي الطبقة على سطح مع عدد محدود من المواقع المتطابقة. أشار التحليل الديناميكي الحراري إلى أن عملية الامتصاص تلقائية وامتصاص حراري. علاوة على ذلك، أظهر SCAC إمكانيات تجديد واعدة، حيث حافظ على فعاليته عبر دورات متعددة من الامتصاص والإزالة، مما يجعله خيارًا قابلاً للتطبيق لمعالجة المياه الملوثة بالصبغة في سياقات بيئية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86032-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39805985
Publication Date: 2025-01-13
Author(s): Sujesh Sudarsan et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This report explores the synthesis, characterization, and application of activated carbon derived from Spathodea campanulata flowers (SCAC) for the removal of Congo Red (CR) dye from aqueous solutions. The SCAC was produced using orthophosphoric acid activation, resulting in a mesoporous material with a specific surface area of 986.41 m²/g, which is notably higher than previously reported values for flower-derived activated carbons. Characterization techniques, including field emission scanning electron microscopy (FESEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), confirmed the successful adsorption of CR, with changes in surface morphology and elemental composition indicating effective dye uptake. The adsorption kinetics followed a pseudo-second-order model, suggesting chemisorption, while the equilibrium data fit the Langmuir model (R² = 0.9944), indicating a maximum adsorption capacity of 59.27 mg/g. Thermodynamic analysis indicated that the adsorption process is spontaneous and endothermic.
The study concludes that SCAC demonstrates significant potential for practical wastewater treatment applications, particularly in real water matrices where it exhibited enhanced removal efficiency compared to control conditions. The effective adsorption mechanisms were attributed to electrostatic interactions, hydrogen bonding, and π-π interactions, with optimal conditions identified at pH 7 and 303 K. Desorption studies highlighted methanol as the most effective agent, allowing SCAC to maintain high adsorption capacity over multiple cycles, thus emphasizing its reusability. The findings suggest that SCAC, as a sustainable and low-cost adsorbent, could be scaled for industrial applications, with future research recommended to explore its efficacy against other contaminants and optimize production processes.
Methods
In this study, the researchers utilized Spathodea campanulata flowers collected from the university campus in Manipal, India, as part of their experimental materials. The dye used in the experiments, CR dye (chemical formula: C$_{32}$H$_{22}$N$_{6}$Na$_{2}$O$_{6}$S$_{2}$, molecular weight: 696.66 g/mol), was sourced from Himedia (India). Additionally, reagents such as orthophosphoric acid (H$_{3}$PO$_{4}$, 85%) and sodium bicarbonate (NaHCO$_{3}$) were obtained from Sigma-Aldrich (USA) and Merck (Germany), respectively. Hydrochloric acid (HCl) and sodium hydroxide (NaOH) were procured from Fisher Scientific (USA). All experiments were conducted using distilled water to ensure consistency and purity in the methodology.
Results
The results of the study on the characterization of SCAC (sugarcane ash carbon) reveal significant morphological and elemental changes before and after the adsorption of Congo Red (CR) dye. FESEM imaging demonstrated that the pre-adsorption SCAC exhibited a highly irregular and rough surface morphology, characterized by a porous and flaky structure typical of lignocellulosic materials. This morphology, featuring large cracks, voids, and granular debris, contributed to a high surface area conducive to adsorption. The activation with orthophosphoric acid effectively created a hierarchical porous network, enhancing dye diffusion capabilities.
Post-adsorption analysis indicated notable morphological transformations, with the SCAC surface becoming smoother and the visibility of cracks and voids diminishing, suggesting successful adhesion of CR molecules. Elemental analysis via EDS confirmed the presence of carbon (C) and oxygen (O) as predominant elements in SCAC before adsorption, with phosphorus (P) from the activation process appearing in trace amounts. Notably, the detection of sulfur (S) at 0.33% after adsorption provided direct evidence of CR uptake, as sulfur is a constituent of the CR molecular structure. These findings underscore the effectiveness of SCAC as an adsorbent for dye removal.
Discussion
In this study, activated carbon (AC) was synthesized from the flowers of *S. campanulata* using a modified method involving chemical activation with phosphoric acid. The resulting material, labeled SCAC, exhibited a high specific surface area of 986.41 m²/g and a mesoporous structure, which significantly enhances its adsorption capabilities. Characterization techniques such as FESEM, BET, XRD, FTIR, and XPS confirmed the structural integrity and functional properties of SCAC, revealing its potential for effective dye removal.
Adsorption experiments demonstrated that SCAC effectively removes Congo Red (CR) dye from aqueous solutions, with optimal removal efficiency observed at a pH of 7.0 and a dosage of 0.5 g/L. The adsorption kinetics were best described by the pseudo-second-order model, indicating a chemisorption mechanism, while the adsorption isotherms fitted well with the Langmuir model, suggesting monolayer adsorption on a surface with a finite number of identical sites. The thermodynamic analysis indicated that the adsorption process is spontaneous and endothermic. Furthermore, SCAC showed promising regeneration potential, maintaining efficacy across multiple adsorption-desorption cycles, making it a viable option for treating dye-contaminated water in various environmental contexts.