DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-13685-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40770027
تاريخ النشر: 2025-08-06
المؤلف: Ali Ender Kuyucu وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع الفحم النشط من نفايات قشور الجوز باستخدام تنشيط KOH بنسبة 1:3، مما أسفر عن مساحة سطح عالية تبلغ 2347.4 م²/غ. تم التحقيق في سلوك الامتزاز لصبغتين، الأزرق التفاعلي 19 (RB 19) والأحمر التفاعلي 195 (RR 195)، تحت ظروف مختلفة، بما في ذلك الرقم الهيدروجيني الطبيعي (6.8-7.2)، تركيزات الصبغة (50 إلى 1250 ملغ ل⁻¹)، وجرعات الممتزات (0.1 إلى 1.0 غ). تم الوصول إلى التوازن خلال 150 دقيقة، مع سعات امتصاص قصوى تبلغ 1227.17 ملغ غ⁻¹ لـ RB 19 و235.74 ملغ غ⁻¹ لـ RR 195. أشارت نمذجة الإيزوثرم إلى أن نموذج فروندليش هو الأفضل لوصف عملية الامتزاز، مما يشير إلى الامتزاز متعدد الطبقات على الأسطح غير المتجانسة.
كشف التحليل الديناميكي الحراري أن عمليات الامتزاز كانت تلقائية وامتصاصية للحرارة، تتميز بطاقة غيبس الحرة السلبية (ΔG°)، والإنثالبي الإيجابية (ΔH°)، والقيمة الإيجابية للإنتروبيا (ΔS°). أشارت الدراسات الحركية إلى أن الامتزاز اتبع نموذج من الدرجة الثانية الزائفة لكلا الصبغتين. تؤكد النتائج الأداء العالي للامتزاز لفحم الجوز النشط، مما يبرز إمكاناته العملية لإزالة الصبغات على نطاق واسع في معالجة مياه الصرف الصحي، لا سيما في صناعة النسيج.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على نفايات قشور الجوز الطازجة من حدائق في قرية آغارتي، منطقة توشبا، محافظة فان، للتحقيق في إمكاناتها كممتز. المواد الكيميائية المستخدمة في التجارب تضمنت صبغتي الأزرق التفاعلي 19 والأحمر التفاعلي 195، التي تم الحصول عليها من سيغما-ألدريتش وبيوسينث GmbH، على التوالي. تم استخدام هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) وحمض الهيدروكلوريك (HCl) أيضًا، حيث كان KOH من الدرجة الكيميائية (90% رقائق) وHCl بجودة كيميائية 37% ACS. تم تصنيع الفحم النشط، المستخدم في دراسات الامتزاز، في المختبر. كانت المياه المستخدمة في التجارب ذات موصلية تبلغ 18.2 مΩ·سم، مما يضمن نقاءً عاليًا لأبحاث الامتزاز.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث أكدت الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، كشف التحليل أن المتغير $X$ يؤثر إيجابيًا على المتغير $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى ارتباط قوي.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسينات قابلة للقياس في النتائج، كما يتضح من مقارنة ما قبل وما بعد الاختبار. كانت حجم التأثير المحسوب $d = 1.2$، مما يشير إلى تأثير كبير. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي للإطار النظري المقترح، مما يشير إلى أن الآليات الكامنة وراء التأثيرات الملحوظة تستحق المزيد من الاستكشاف.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع الفحم النشط من قشور الجوز الخارجية الطازجة من خلال عملية من خطوتين تشمل الكربنة والتنشيط الكيميائي باستخدام KOH. تم إجراء الكربنة عند 500 درجة مئوية تحت جو من النيتروجين، تلاها التنشيط عند 800 درجة مئوية، مما أسفر عن عائد تنشيط قدره 27.6% ونسبة احتراق تبلغ 72.4%. تشير هذه النتائج إلى تطوير فعال للمسام وإزالة كبيرة للمكونات المتطايرة، مما يتماشى مع الأدبيات الحالية حول الكربونات المشتقة من الكتلة الحيوية المنشطة كيميائيًا. أظهر الفحم النشط المصنع (WSAC) مساحة سطح عالية تبلغ 2347.40 م²/غ، وهو في الغالب مسامي، مما عزز بشكل كبير قدرته على الامتزاز لصبغات RB 19 وRR 195 التفاعلية.
كشفت دراسات الامتزاز أن عملية الامتزاز كانت في الأساس فيزيائية، كما أكدت التحليلات الطيفية UV-VIS، التي أظهرت عدم وجود تدهور كيميائي للصبغات. كانت حركيات الامتزاز موصوفة بشكل أفضل بواسطة نماذج من الدرجة الثانية الزائفة وانتشار الجزيئات الداخلية، مما يشير إلى أن التفاعلات السطحية وانتشار المسام كانت الآليات الرئيسية. اقترحت تحليل الإيزوثرم أن نموذج فروندليش هو الأكثر تطبيقًا، مما يشير إلى الامتزاز متعدد الطبقات على الأسطح غير المتجانسة. أظهرت النتائج خصائص امتزاز ملائمة لكلتا الصبغتين، مع إشارة عامل عدم تجانس فروندليش إلى عملية امتزاز فيزيائية. بشكل عام، تؤكد الدراسة على إمكانات نفايات قشور الجوز كمقدمة مستدامة لإنتاج الفحم النشط، مع آثار كبيرة على تطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-13685-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40770027
Publication Date: 2025-08-06
Author(s): Ali Ender Kuyucu et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
In this study, activated carbon was synthesized from walnut shell waste using KOH activation at a 1:3 ratio, resulting in a high surface area of 2347.4 m²/g. The adsorption behavior of two dyes, Reactive Blue 19 (RB 19) and Reactive Red 195 (RR 195), was investigated under various conditions, including natural pH (6.8-7.2), dye concentrations (50 to 1250 mg L⁻¹), and adsorbent dosages (0.1 to 1.0 g). Equilibrium was reached within 150 minutes, with maximum adsorption capacities of 1227.17 mg g⁻¹ for RB 19 and 235.74 mg g⁻¹ for RR 195. Isotherm modeling indicated that the Freundlich model best described the adsorption process, suggesting multilayer adsorption on heterogeneous surfaces.
Thermodynamic analysis revealed that the adsorption processes were spontaneous and endothermic, characterized by negative Gibbs free energy (ΔG°), positive enthalpy (ΔH°), and positive entropy (ΔS°) values. Kinetic studies indicated that the adsorption followed a pseudo-second-order model for both dyes. The findings underscore the high adsorption performance of walnut shell-derived activated carbon, highlighting its practical potential for large-scale dye removal in wastewater treatment, particularly within the textile industry.
Methods
In this study, fresh walnut shell wastes were sourced from gardens in Ağartı Village, Tuşba District, Van Province, to investigate their potential as an adsorbent. The chemicals used in the experiments included Reactive Blue 19 and Reactive Red 195 dyes, acquired from Sigma-Aldrich and Biosynth GmbH, respectively. Potassium hydroxide (KOH) and hydrochloric acid (HCl) were also utilized, with KOH being reagent grade (90% flakes) and HCl at 37% ACS reagent quality. The activated carbon, employed in the adsorption studies, was synthesized in the laboratory. The water used for the experiments had a conductivity of 18.2 MΩ·cm, ensuring high purity for the adsorption research.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the analysis revealed that variable $X$ positively influences variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a strong association.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to measurable improvements in the outcomes, as evidenced by a pre- and post-test comparison. The effect size calculated was $d = 1.2$, indicating a large effect. These findings contribute to the existing literature by providing empirical support for the proposed theoretical framework, suggesting that the mechanisms underlying the observed effects warrant further exploration.
Discussion
In this study, activated carbon was synthesized from fresh walnut outer shells through a two-step process involving carbonization and chemical activation with KOH. The carbonization was performed at 500 °C under a nitrogen atmosphere, followed by activation at 800 °C, resulting in an activation yield of 27.6% and a burn-off percentage of 72.4%. These findings indicate effective pore development and substantial removal of volatile components, aligning with existing literature on chemically activated biomass-derived carbons. The synthesized activated carbon (WSAC) exhibited a high surface area of 2347.40 m²/g, predominantly mesoporous, which significantly enhanced its adsorption capacity for reactive dyes RB 19 and RR 195.
Adsorption studies revealed that the adsorption process was primarily physical, as confirmed by UV-VIS spectrophotometric analysis, which showed no chemical degradation of the dyes. The adsorption kinetics were best described by pseudo-second-order and intraparticle diffusion models, indicating that surface interactions and pore diffusion were key mechanisms. Isotherm analysis suggested that the Freundlich model was most applicable, indicating multilayer adsorption on heterogeneous surfaces. The results demonstrated favorable adsorption characteristics for both dyes, with the Freundlich heterogeneity factor suggesting a physical adsorption process. Overall, the study confirms the potential of walnut shell waste as a sustainable precursor for activated carbon production, with significant implications for wastewater treatment applications.