DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-14133-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40813879
تاريخ النشر: 2025-08-14
المؤلف: Ghenwa Kataya وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة التحدي العالمي للوصول إلى المياه النظيفة، الذي تفاقم بسبب التلوث الناتج عن الأصباغ الصناعية غير القابلة للتحلل. تقدم حلاً منخفض التكلفة وصديقاً للبيئة من خلال إعداد الفحم الحيوي المشتق من نفايات المطبخ (KWDB) من قشور البرتقال، قشور البطاطس، قشور الموز، وبقايا القهوة عبر التحلل الحراري عند 400 درجة مئوية. أظهر تحليل الفحم الحيوي مساحة سطح تبلغ 4.76 م²/غ ووجود مجموعات وظيفية ملائمة لآليات الامتصاص المختلفة. أظهر فلتر مركب KWDB-الرمل كفاءات إزالة ملحوظة، حيث حقق حتى 99.5% للأصباغ الكاتيونية ميثيلين الأزرق (MB) و29% للأصباغ الأنيونية ميثيل البرتقالي (MO)، مع سعات امتصاص تبلغ 30.40 ملغ/غ لـ MB و25.15 ملغ/غ لـ MO، متجاوزاً العديد من أنواع الفحم الحيوي الأخرى.
تشير نتائج الدراسة إلى أن امتصاص MB يتبع نموذج طبقة واحدة، بينما يتم وصف امتصاص MO بشكل أفضل بواسطة نموذج متعدد الطبقات، مما يبرز تأثير طبيعة الأيونات للأصباغ على سلوك الامتصاص. تؤكد البحث على إمكانية استخدام فلاتر KWDB-الرمل كحلول عملية لمعالجة المياه اللامركزية، خاصة في البيئات ذات الموارد المحدودة. ستركز التحقيقات المستقبلية على تعزيز قدرات الامتصاص للفحم الحيوي، واختبار فعاليته مع مياه الصرف الصحي الحقيقية، واستكشاف إمكانيات تجديده وإعادة استخدامه، مما يساهم في استراتيجيات تنقية المياه المستدامة ومبادرات الاقتصاد الدائري.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصميم سلسلة من التجارب لتقييم تأثير ظروف تجريبية مختلفة على فعالية إزالة الأصباغ باستخدام KWDB (مفاعل الأصباغ المائية الحركية). بشكل خاص، ركز البحث على عاملين رئيسيين: مدة الاتصال بين الصبغة والمفاعل الحيوي، والتركيزات الأولية لأصباغ الميثيل البرتقالي (MO) وميثيلين الأزرق (MB). من خلال تغيير هذه المعلمات بشكل منهجي، كانت الدراسة تهدف إلى تحديد تأثيرها على الفعالية العامة لعملية إزالة الأصباغ. من المتوقع أن توفر النتائج من هذه التجارب رؤى حول تحسين ظروف التشغيل لتعزيز تحلل الأصباغ في تطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة عن نتائج مهمة تساهم في فهم سؤال البحث. تشير التحليلات إلى أن النموذج المقترح يظهر علاقة قوية بين المتغيرات المستقلة والتابعة، مع مستوى دلالة إحصائية p < 0.05. بشكل خاص، تشير البيانات إلى أن التدخل يؤدي إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، كما يتضح من زيادة في متوسط الدرجات من القياسات الأساسية. علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج في السياق الأوسع للمجال. تدعم النتائج ليس فقط الفرضية الأولية ولكن أيضًا توفر رؤى حول الآليات المحتملة التي تكمن وراء التأثيرات الملحوظة. تم الاعتراف بحدود الدراسة، وتم اقتراح اقتراحات للبحث المستقبلي لاستكشاف تفاصيل النتائج وقابليتها للتطبيق في السيناريوهات الواقعية.
مناقشة
تناقش البحث إعداد وتوصيف الفحم الحيوي المشتق من نفايات المطبخ (KWDB) الذي تم تصنيعه من مزيج من قشور البرتقال، قشور البطاطس، قشور الموز، وبقايا القهوة من خلال التحلل الحراري عند 400 درجة مئوية. أظهر الفحم الحيوي الناتج مساحة سطح تبلغ 4.76 م²/غ واحتوى على مجموعات وظيفية مختلفة تحتوي على الأكسجين، كما تم تأكيده من خلال تحليل FTIR. قامت الدراسة بتقييم فعالية الفحم الحيوي كمواد ماصة لإزالة صبغتين اصطناعيتين، ميثيل البرتقالي (MO) وميثيلين الأزرق (MB)، تحت ظروف متغيرة. أشارت النتائج إلى أن فلتر مركب KWDB-الرمل حقق كفاءة إزالة ملحوظة تصل إلى 99.5% لـ MB، بينما تأثرت إزالة MO بشكل كبير بمدة الاتصال، حيث وصلت إلى أقصى حد يبلغ 29% بعد 24 ساعة.
كشف نمذجة إيزوثيرم الامتصاص أن امتصاص MB اتبع نموذج لانغموير، مما يشير إلى امتصاص طبقة واحدة على مواقع متجانسة، بسعة قصوى تبلغ 30.40 ملغ/غ. في المقابل، تم وصف امتصاص MO بشكل أفضل بواسطة نموذج فريندليش، مما يدل على امتصاص متعدد الطبقات على أسطح غير متجانسة، بسعة قصوى تبلغ 25.15 ملغ/غ. تبرز هذه النتائج إمكانية استخدام KWDB كمواد ماصة منخفضة التكلفة وصديقة للبيئة لأنظمة معالجة المياه اللامركزية، خاصة في البيئات ذات الموارد المحدودة. ستركز الأبحاث المستقبلية على تعزيز إمكانات الامتصاص للفحم الحيوي المعالج كيميائيًا واختبار أدائه مع مياه الصرف الصحي الحقيقية، مما يساهم في استراتيجيات إدارة النفايات المستدامة وحماية البيئة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-14133-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40813879
Publication Date: 2025-08-14
Author(s): Ghenwa Kataya et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study addresses the global challenge of accessing clean water, exacerbated by pollution from non-biodegradable artificial dyes. It presents a low-cost and eco-friendly solution through the preparation of kitchen waste-derived biochar (KWDB) from orange peels, potato peels, banana peels, and coffee residue via pyrolysis at 400 °C. Characterization of the biochar revealed a surface area of 4.76 m²/g and the presence of functional groups conducive to various adsorption mechanisms. The KWDB-sand composite filter demonstrated remarkable removal efficiencies, achieving up to 99.5% for the cationic dye Methylene Blue (MB) and 29% for the anionic dye Methyl Orange (MO), with adsorption capacities of 30.40 mg/g for MB and 25.15 mg/g for MO, surpassing many other biochars.
The study’s findings indicate that MB adsorption follows a monolayer model, while MO adsorption is better described by a multilayer model, highlighting the influence of dye ionic nature on adsorption behavior. The research emphasizes the potential of KWDB-sand filters as practical solutions for decentralized water treatment, particularly in resource-limited settings. Future investigations will focus on enhancing the biochar’s adsorption capabilities, testing its efficacy with real wastewater, and exploring its regeneration and reuse potential, thereby contributing to sustainable water purification strategies and circular economy initiatives.
Methods
In this study, a series of experiments were designed to evaluate the impact of various experimental conditions on the efficacy of dye removal using the KWDB (Kinetic Water Dye Bioreactor). Specifically, the research focused on two primary factors: the duration of contact between the dye and the bioreactor, and the initial concentrations of methylene orange (MO) and methylene blue (MB) dyes. By systematically varying these parameters, the study aimed to determine their influence on the overall effectiveness of the dye removal process. The findings from these experiments are expected to provide insights into optimizing operational conditions for enhanced dye degradation in wastewater treatment applications.
Results
The results of the study reveal significant findings that contribute to the understanding of the research question. The analysis indicates that the proposed model demonstrates a strong correlation between the independent and dependent variables, with a statistical significance level of p < 0.05. Specifically, the data suggest that the intervention leads to a measurable improvement in outcomes, as evidenced by an increase in the mean score from baseline measurements. Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings within the broader context of the field. The results not only support the initial hypothesis but also provide insights into potential mechanisms underlying the observed effects. Limitations of the study are acknowledged, and suggestions for future research are proposed to further explore the nuances of the findings and their applicability in real-world scenarios.
Discussion
The research discusses the preparation and characterization of kitchen waste-derived biochar (KWDB) synthesized from a mixture of orange peels, potato peels, banana peels, and coffee residue through pyrolysis at 400 °C. The resulting biochar exhibited a surface area of 4.76 m²/g and contained various oxygen-containing functional groups, as confirmed by FTIR analysis. The study evaluated the biochar’s efficacy as an adsorbent for the removal of two synthetic dyes, Methyl Orange (MO) and Methylene Blue (MB), under varying conditions. The results indicated that the KWDB-sand composite filter achieved a remarkable removal efficiency of up to 99.5% for MB, while the removal of MO was significantly influenced by contact time, reaching a maximum of 29% after 24 hours.
Adsorption isotherm modeling revealed that MB adsorption followed the Langmuir model, suggesting monolayer adsorption on homogeneous sites, with a maximum capacity of 30.40 mg/g. In contrast, MO adsorption was better described by the Freundlich model, indicating multilayer adsorption on heterogeneous surfaces, with a maximum capacity of 25.15 mg/g. These findings highlight the potential of KWDB as a low-cost and eco-friendly adsorbent for decentralized water treatment systems, particularly in resource-limited settings. Future research will focus on enhancing the adsorption potential of chemically activated biochar and testing its performance with real wastewater, contributing to sustainable waste management and environmental protection strategies.