DOI: https://doi.org/10.3389/fenve.2024.1347981
تاريخ النشر: 2024-01-31
المؤلف: Annika Strebel وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تستكشف المراجعة خصائص الامتزاز لخمس أصباغ أزو—الأحمر الكونغولي (CR)، الأسود التفاعلي 5 (RB5)، البرتقالي الميثيلي (MO)، البرتقالي II (OII)، والأحمر الميثيلي (MR)—على مواد امتصاص بديلة متنوعة، بما في ذلك المواد الطبيعية ونفايات الزراعة، كبدائل للفحم النشط المكلف. تسلط الدراسة الضوء على الخصائص الهيكلية والكيميائية للأصباغ، مشيرة إلى أن CR وRB5 هما أصباغ ديازو، بينما MO وOII وMR هي أصباغ مونو أزو، مع مجموعات وظيفية مختلفة تؤثر على سلوك الامتزاز. تلخص المراجعة النتائج من الأدبيات حول المعلمات الرئيسية مثل تركيز الصبغة الأولي، جرعة الممتز، الرقم الهيدروجيني، ودرجة الحرارة، كاشفة أن الامتزاز يكون عادة أكثر فعالية في الظروف الحمضية وعند درجات حرارة مرتفعة. تتماشى عمليات الامتزاز بشكل أساسي مع نموذج لانغموير للامتزاز ونماذج الحركة من الدرجة الثانية الزائفة، مما يشير إلى تفاعلات ماصة للحرارة وعفوية.
في الختام، بينما تظهر المواد الممتزة البديلة إمكانات كبيرة لإزالة أصباغ الأزو، فإن التباين في سعات الامتزاز القصوى—1250 ملغ/غ لـ CR على NMA-LDO و1724 ملغ/غ لـ RB5 على راتنجات الأكريليك الحمضية—يؤكد على الحاجة لمزيد من البحث. تؤكد المراجعة على ضرورة وجود إجراءات تجريبية موحدة ودراسات أكثر شمولاً على مياه الصرف الصحي النسيجية الحقيقية لتقييم تأثير القوة الأيونية وتفاعلات الصبغات المتنافسة. بالإضافة إلى ذلك، تدعو إلى زيادة التركيز على استعادة مواد الامتصاص وجدواها الاقتصادية، إلى جانب اختبارات على نطاق تجريبي لتعزيز التطبيقات العملية في صناعة النسيج.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التأثير البيئي الكبير لأصباغ الأزو، وخاصة من صناعة النسيج، التي تساهم في حوالي 20% من تلوث المياه العالمي. مع إطلاق حوالي 50,000 طن من هذه الأصباغ سنويًا في مياه الصرف الصحي، فإن النفايات غير المعالجة تشكل مخاطر شديدة على النظم البيئية المائية وصحة الإنسان، خاصة في المناطق التي تعاني من نقص المياه مثل الهند وبنغلاديش. تشكل أصباغ الأزو، التي تمثل 60-70% من الأصباغ الاصطناعية التجارية، تحديًا في الإزالة بسبب هياكلها المعقدة ومقاومتها للتحلل البيولوجي، مما يتطلب طرق معالجة متقدمة تتجاوز العمليات البيولوجية التقليدية.
تؤكد الورقة على إمكانات الامتزاز كطريقة فعالة واقتصادية لإزالة أصباغ الأزو، مقارنة بتقنيات المعالجة الأخرى التي غالبًا ما تتطلب تكاليف عالية وتولد نفايات. تهدف إلى استكشاف مواد الامتصاص المختلفة، وخاصة تلك المتاحة محليًا وذات التكلفة الفعالة، بينما تعالج أيضًا تعقيدات عملية الامتزاز التي تؤثر عليها عوامل متعددة مثل خصائص الصبغة والظروف البيئية. تقارن المراجعة بشكل منهجي سلوك الامتزاز لخمس أصباغ أزو مستخدمة على نطاق واسع—الأحمر الكونغولي (CR)، الأسود التفاعلي 5 (RB5)، البرتقالي الميثيلي (MO)، البرتقالي II (OII)، والأحمر الميثيلي (MR)—وتقيم 50 دراسة لتحديد المواد الممتزة المثلى والظروف لإزالة فعالة للصبغة. تركز أسئلة البحث على تحديد المواد الممتزة البديلة للفحم النشط وتقديم توصيات بشأن المعلمات التي تؤثر على سعة وكفاءة الامتزاز.
طرق
في هذه الدراسة، قام المؤلفون بإجراء مراجعة شاملة للأدبيات وتوصيف دراسات الامتزاز التي تشمل خمس أصباغ أزو: الأحمر الكونغولي (CR)، الأزرق التفاعلي 5 (RB5)، البرتقالي الميثيلي (MO)، البرتقالي II (OII)، والأحمر الميثيلي (MR). ركز التوصيف على المعلمات الرئيسية مثل الصيغة الجزيئية، الهيكل، الوزن، الذوبانية في الماء، pK_a، log K_{OW}، وطول الموجة القصوى لامتصاص الضوء ($\lambda_{max}$). شملت المراجعة مقالات تمت مراجعتها من قبل الأقران نشرت بين عامي 2002 و2022، مأخوذة من منصات مثل Google Scholar وMDPI وElsevier، مع اختيار متعمد لمواد ممتزة متنوعة وبحوث دولية، خاصة من دول ذات صناعات نسيجية كبيرة. تم تحليل ما مجموعه 11 مقالة تحتوي على 14 دراسة لـ CR، و11 ورقة تحتوي على 16 دراسة لـ RB5، و13 مقالة تحتوي على 15 دراسة لـ MO، و10 أوراق تحتوي على 11 دراسة لـ OII، و10 أوراق تحتوي على 10 دراسات لـ MR.
كما درست الدراسة مواد الامتزاز المختلفة، بما في ذلك المواد القائمة على الكربون (مثل الرماد المتطاير، الفحم الحيوي)، والكتلة الحيوية الطبيعية والمعدلة، ومبادلات الأيونات، والمواد المغناطيسية، وإطارات المعادن العضوية. تم الإشارة إلى التعديلات على هذه المواد لتعزيز خصائص الامتزاز، باستخدام كل من المعالجات الفيزيائية (مثل التسخين) والعمليات الكيميائية (مثل المعالجة المسبقة بالحمض أو القلوي). قام المؤلفون بتجميع نظرة عامة على المعلمات التجريبية، والظروف المثلى، ونماذج الامتزاز والحركية، والمعلمات الديناميكية الحرارية لأصباغ الأزو، والتي تم تفصيلها في الجداول التكميلية S1-S5. سمح هذا النهج المنهجي بتحديد آليات الامتزاز والتفاعلات، بالإضافة إلى تقييم نقاط القوة والضعف في الدراسات التي تمت مراجعتها.
مناقشة
في مناقشة أصباغ الأزو، تسلط الورقة الضوء على تصنيفها بناءً على التفكك في المحاليل المائية إلى أنواع أنيونية وكاتيونية وغير أيونية. تتميز أصباغ الأزو باستقرارها ومقاومتها للتحلل البيولوجي، حيث يظهر بعضها خصائص مسرطنة ومطفرة، مما يشكل مخاطر على كل من النظم البيئية المائية وصحة الإنسان. تؤثر الميزات الهيكلية، مثل رابطة الأزو الكروموفورية ووجود مجموعات وظيفية متنوعة، بشكل كبير على سلوك الامتزاز في عمليات معالجة مياه الصرف الصحي. توضح الورقة خصائص خمسة أصباغ أزو محددة—CR، RB5، MO، OII، وMR—مؤكدة على هياكلها الجزيئية، وذوبانها، وإمكانات الامتزاز، والتي تعتبر حاسمة لتقييم إزالتها من مياه الصرف الصحي النسيجية.
تستكشف القسم أيضًا تأثيرات تركيز الصبغة الأولي وجرعة الممتز على كفاءة الامتزاز لأصباغ الأزو. عادةً ما يؤدي زيادة تركيز الصبغة الأولي إلى تعزيز سعة الامتزاز بسبب تدرج التركيز الأقوى، على الرغم من أن بعض الدراسات أفادت بانخفاض في نسبة إزالة الصبغة عند التركيزات الأعلى، على الأرجح بسبب تشبع المواقع النشطة على الممتز. بالمقابل، بينما يؤدي زيادة جرعة الممتز عادةً إلى تحسين كفاءة إزالة الصبغة، يمكن أن يؤدي أيضًا إلى انخفاض سعة الامتزاز بسبب الامتزاز السطحي السريع وتجمع الجسيمات المحتمل. تؤكد الورقة على أهمية تحسين كل من تركيز الصبغة الأولي وجرعة الممتز لتعظيم فعالية عملية الامتزاز، مع الإشارة أيضًا إلى أن وقت الاتصال والرقم الهيدروجيني هما عاملان حاسمان يؤثران على ديناميات الامتزاز.
DOI: https://doi.org/10.3389/fenve.2024.1347981
Publication Date: 2024-01-31
Author(s): Annika Strebel et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
The review investigates the adsorption characteristics of five azo dyes—Congo Red (CR), Reactive Black 5 (RB5), Methyl Orange (MO), Orange II (OII), and Methyl Red (MR)—on various alternative adsorbents, including natural materials and agricultural waste, as substitutes for costly activated carbon. The study highlights the structural and chemical properties of the dyes, noting that CR and RB5 are diazo dyes, while MO, OII, and MR are mono-azo dyes, with varying functional groups influencing their adsorption behavior. The review synthesizes findings from literature on key parameters such as initial dye concentration, adsorbent dosage, pH, and temperature, revealing that adsorption is generally more effective in acidic conditions and at elevated temperatures. The adsorption processes predominantly align with the Langmuir isotherm and pseudo-second-order kinetic models, indicating endothermic and spontaneous reactions.
In conclusion, while alternative adsorbents demonstrate significant potential for azo dye removal, the variability in maximum adsorption capacities—1250 mg/g for CR on NMA-LDO and 1724 mg/g for RB5 on acid acrylic resins—underscores the need for further research. The review emphasizes the necessity for standardized experimental procedures and more comprehensive studies on real textile wastewater to assess the impact of ionic strength and competing dye interactions. Additionally, it calls for increased focus on the recovery of adsorbent materials and their economic viability, alongside pilot-scale tests to enhance practical applications in the textile industry.
Introduction
The introduction highlights the significant environmental impact of azo dyes, particularly from the textile industry, which contributes to approximately 20% of global water pollution. With around 50,000 tons of these dyes released annually into wastewater, untreated effluents pose severe risks to aquatic ecosystems and human health, especially in water-stressed regions like India and Bangladesh. Azo dyes, which constitute 60-70% of commercial synthetic dyes, are challenging to remove due to their complex structures and resistance to biodegradation, necessitating advanced treatment methods beyond conventional biological processes.
The paper emphasizes the potential of adsorption as an effective and economical method for azo dye removal, contrasting it with other treatment technologies that often incur high costs and generate waste. It aims to explore various adsorbents, particularly those that are locally available and cost-effective, while also addressing the complexities of the adsorption process influenced by multiple factors such as dye characteristics and environmental conditions. The review systematically compares the adsorption behavior of five widely used azo dyes—Congo Red (CR), Reactive Black 5 (RB5), Methyl Orange (MO), Orange II (OII), and Methyl Red (MR)—and evaluates 50 studies to identify optimal adsorbents and conditions for effective dye removal. The research questions focus on identifying alternative adsorbents to activated carbon and providing recommendations on parameters affecting adsorption capacity and efficiency.
Methods
In this study, the authors conducted a comprehensive literature review and characterization of adsorption studies involving five azo dyes: Congo Red (CR), Reactive Blue 5 (RB5), Methyl Orange (MO), Orange II (OII), and Methyl Red (MR). The characterization focused on key parameters such as molecular formula, structure, weight, water solubility, pK_a, log K_{OW}, and maximum absorbance wavelength ($\lambda_{max}$). The review encompassed peer-reviewed articles published between 2002 and 2022, sourced from platforms like Google Scholar, MDPI, and Elsevier, with a deliberate selection of diverse adsorbents and international research, particularly from countries with significant textile industries. A total of 11 articles with 14 studies for CR, 11 papers with 16 studies for RB5, 13 articles with 15 studies for MO, 10 papers with 11 studies for OII, and 10 papers with 10 studies for MR were analyzed.
The study also examined various adsorption materials, including carbon-based materials (e.g., fly ash, biochar), natural and modified biomass, ion exchangers, magnetic substances, and metal-organic frameworks. Modifications to these materials were noted to enhance adsorption properties, employing both physical treatments (like heating) and chemical processes (such as acid or alkali pre-treatment). The authors compiled an overview of experimental parameters, optimal conditions, isotherm and kinetic models, and thermodynamic parameters for the azo dyes, which are detailed in Supplementary Tables S1-S5. This systematic approach allowed for the identification of adsorption mechanisms and interactions, as well as an assessment of the strengths and weaknesses of the reviewed studies.
Discussion
In the discussion of azo dyes, the paper highlights their classification based on dissociation in aqueous solutions into anionic, cationic, and nonionic types. Azo dyes are characterized by their stability and resistance to biodegradation, with some exhibiting carcinogenic and mutagenic properties, posing risks to both aquatic ecosystems and human health. The structural features, such as the chromophoric azo bond and the presence of various functional groups, significantly influence their adsorption behavior in wastewater treatment processes. The paper details the characteristics of five specific azo dyes—CR, RB5, MO, OII, and MR—emphasizing their molecular structures, solubility, and adsorption potential, which are critical for assessing their removal from textile wastewater.
The section further explores the effects of initial dye concentration and adsorbent dosage on the adsorption efficiency of azo dyes. An increase in initial dye concentration generally enhances adsorption capacity due to a stronger concentration gradient, although some studies reported a decrease in dye removal percentage at higher concentrations, likely due to saturation of active sites on the adsorbent. Conversely, while increasing adsorbent dosage typically improves dye removal efficiency, it can also lead to decreased adsorption capacity due to rapid superficial adsorption and potential particle aggregation. The paper underscores the importance of optimizing both initial dye concentration and adsorbent dosage to maximize the effectiveness of the adsorption process, while also noting that contact time and pH are critical factors influencing adsorption dynamics.