DOI: https://doi.org/10.1007/s11356-024-31868-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38280170
تاريخ النشر: 2024-01-27
المؤلف: Athanasia K. Tolkou وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة استخدام النفايات الزراعية، وتحديداً قشور الفواكه من الموز والبرتقال والرمان، كمواد ماصة مستدامة لإزالة الأصباغ السالبة والموجبة من مياه الصرف. تم معالجة القشور باستخدام طريقة صديقة للبيئة وتمت مميزاتها من خلال تقنيات مثل تحليل BET، FTIR، SEM/EDS، وXRD. تشير النتائج إلى أن قشور الموز أظهرت أعلى قدرة على الامتصاص، حيث حققت أكثر من 90% إزالة للأصباغ السالبة (Reactive Red 120، Reactive Black 5، وRemazol Brilliant Blue R) بجرعة 6.0 جرام/لتر وpH 2.0، بينما تمت إزالة صبغة الميثيلين الزرقاء الموجبة بشكل فعال (98%) بجرعة 4.0 جرام/لتر وpH 9.0. كما أظهرت قشور البرتقال إزالة ملحوظة للأصباغ، وإن كانت بكفاءة أقل قليلاً، بينما كانت قشور الرمان أقل فعالية للأصباغ السالبة لكنها لا تزال أزالت 98% من الميثيلين الأزرق.
وُصفت حركيات الامتصاص بشكل أفضل من خلال نموذج من الدرجة الثانية الزائفة، وملاءمت بيانات التوازن لكل من نماذج الإيزوثرم Freundlich وLangmuir في سيناريوهات مختلفة. وُجد أن عملية الامتصاص كانت ماصة للحرارة، وأكدت الدراسة إمكانية إعادة استخدام هذه المواد الماصة الطبيعية عبر عدة دورات، مع انخفاض في الفعالية بنسبة تقارب 50% بعد عدة استخدامات. بالإضافة إلى ذلك، لوحظ تأثير تآزري حيث عزز وجود الأصباغ السالبة امتصاص الميثيلين الأزرق على قشور الموز والبرتقال. بشكل عام، تسلط هذه الأبحاث الضوء على إمكانيات قشور الفواكه كمواد فعالة ومستدامة لإزالة الأصباغ من مياه الصرف، مما يقترح طرقاً لاستكشاف المزيد في إزالة حلول الأصباغ المختلطة بشكل متزامن.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القضية الحرجة للوصول إلى المياه النظيفة، خاصة في البلدان النامية حيث يفتقر أكثر من مليار شخص إلى مياه الشرب الآمنة. تشكل مياه الصرف الصناعي، وخاصة من صناعة الصباغة، مخاطر بيئية كبيرة بسبب وجود الأصباغ الاصطناعية الخطرة، التي يمكن أن تكون مسرطنة وتستمر في البيئات المائية. تصنف الورقة الأصباغ إلى أنواع غير أيونية، موجبة، وسالبة، مع التركيز على الأصباغ السالبة مثل Reactive Red 120 (RR120) وReactive Black 5 (RB5)، التي تستخدم عادة في إنتاج المنسوجات. تناقش المقدمة أيضًا طرقًا مختلفة لإزالة الأصباغ من مياه الصرف، مع التأكيد على الامتصاص كطريقة فعالة من حيث التكلفة وكفاءة.
تهدف الدراسة إلى التحقيق في استخدام المواد الماصة الطبيعية المستمدة من النفايات الزراعية، وتحديداً قشور الموز والبرتقال والرمان، لإزالة أربعة أصباغ مختلفة (RR120، RB5، Remazol Brilliant Blue R (RBBR)، وMethylene Blue (MB)). على عكس الدراسات السابقة التي استخدمت مواد ماصة معدلة كيميائياً، تركز هذه الأبحاث على فعالية هذه القشور في حالتها الطبيعية، مع تقييم خصائصها الهيكلية والشكلية من خلال تقنيات مثل BET وFTIR وSEM/EDS. تستكشف الأبحاث أيضًا تأثير عوامل مختلفة على عملية الامتصاص، بما في ذلك pH الابتدائي، جرعة الماصة، تركيز الصبغة، ووقت الاتصال، مع إجراء دراسات حركية، إيزوثرم، حرارية، وتجديد لتقييم الفعالية العامة للمواد الماصة المقترحة.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد محلية المصدر وفعالة من حيث التكلفة، وتحديداً قشور الموز والبرتقال والرمان، كمواد ماصة محتملة لإزالة الأصباغ من المحاليل المائية. تم اختبار هذه القشور، التي تعتبر عادة نفايات، ضد أربعة أصباغ مختلفة: صبغتين سالبتين، Reactive Red 120 (RR120) وReactive Black 5 (RB5)، صبغة أنثراكوينون واحدة، Remazol Brilliant Blue R (RBBR)، وصبغة موجبة واحدة، Methylene Blue (MB). تم الحصول على الأصباغ من Sigma-Aldrich-Merck KGaA، مع نقاوة تتراوح من 50% إلى 95%، وتم توضيح هياكلها الكيميائية في الشكل 1 من الورقة.
لإعداد الظروف التجريبية، تم إنشاء محاليل مخزون من الأصباغ بتركيز 1000 ملغ/لتر عن طريق إذابة 1 جرام من كل صبغة في ماء مقطر. تم تعديل pH المحاليل حسب الحاجة باستخدام حمض الهيدروكلوريك (HCl) أو هيدروكسيد الصوديوم (NaOH). لاختبارات التجديد اللاحقة، تم استخدام محلول NaOH بتركيز 1.0 م. تم أخذ نقاوة الأصباغ في الاعتبار في جميع الحسابات، مما يضمن دقة النتائج.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى نتائج مهمة تساهم في فهم موضوع البحث. تشمل النتائج الرئيسية تحديد أنماط وعلاقات معينة ضمن البيانات، والتي تم تحليلها باستخدام طرق إحصائية مناسبة. تشير النتائج إلى أن المتغيرات قيد التحقيق تظهر ارتباطًا قويًا، كما يتضح من المعاملات المحسوبة والقيم p المقابلة.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج في السياق الأوسع للمجال. يؤكد المؤلفون على أهمية نتائجهم بالنسبة للنظريات الحالية ويقترحون طرقًا محتملة للبحث المستقبلي. بشكل عام، توفر النتائج إطارًا قويًا لفهم الآليات الأساسية المعنية وتقترح تطبيقات عملية بناءً على العلاقات الملاحظة.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة إعداد وتوصيف المواد الماصة الطبيعية المستمدة من قشور الفواكه (الموز والبرتقال والرمان)، جنبًا إلى جنب مع فعاليتها في إزالة الأصباغ من مياه الصرف. تم معالجة القشور باستخدام نهج أخضر، يتضمن الغسل، التجفيف، والطحن إلى شكل مسحوق مناسب لتجارب الامتصاص. تم استخدام تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، مطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، تحليل Brunauer-Emmett-Teller (BET)، وحيود الأشعة السينية (XRD)، لتحليل خصائص سطح المواد الماصة قبل وبعد امتصاص الأصباغ. أشارت النتائج إلى أن قشور الموز أظهرت أعلى مساحة سطح وحجم مسام، مما يتوافق مع قدرتها الفائقة على الامتصاص مقارنةً بقشور البرتقال والرمان.
كشفت تجارب الامتصاص أن كفاءة إزالة الأصباغ تأثرت بشكل كبير بعوامل مثل pH، تركيز الصبغة الابتدائي، جرعة الماصة، ووقت الاتصال. تم تحقيق أعلى معدلات إزالة للأصباغ المختلفة (RR120، RB5، RBBR، وMB) عند مستويات pH أقل، حيث أظهرت قشور الموز أعلى فعالية بشكل عام. استخدمت الدراسة كل من نماذج إيزوثرم Langmuir وFreundlich لتحليل بيانات الامتصاص، مؤكدةً قدرة الامتصاص أحادية الطبقة للمواد الماصة. أشارت الدراسات الحركية أيضًا إلى أن عملية الامتصاص اتبعت نماذج من الدرجة الأولى الزائفة ومن الدرجة الثانية الزائفة، مما يوفر رؤى حول الآليات الكامنة وراء إزالة الأصباغ. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية استخدام نفايات قشور الفواكه كمواد ماصة فعالة ومنخفضة التكلفة لمعالجة مياه الصرف.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11356-024-31868-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38280170
Publication Date: 2024-01-27
Author(s): Athanasia K. Tolkou et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study investigates the use of agricultural waste, specifically fruit peels from banana, orange, and pomegranate, as sustainable adsorbents for the removal of anionic and cationic dyes from wastewater. The peels were processed using an eco-friendly method and characterized through techniques such as BET analysis, FTIR, SEM/EDS, and XRD. The findings indicate that banana peels exhibited the highest adsorption capacity, achieving over 90% removal of anionic dyes (Reactive Red 120, Reactive Black 5, and Remazol Brilliant Blue R) at a dosage of 6.0 g/L and pH 2.0, while cationic Methylene Blue was effectively removed (98%) at a dosage of 4.0 g/L and pH 9.0. Orange peels also demonstrated significant dye removal, albeit with slightly lower efficiency, while pomegranate peels were less effective for anionic dyes but still removed 98% of Methylene Blue.
The adsorption kinetics were best described by a pseudo-second-order model, and the equilibrium data fitted both the Freundlich and Langmuir isotherm models in different scenarios. The adsorption process was found to be endothermic, and the study confirmed the feasibility of reusing these natural adsorbents across multiple cycles, with a reduction in effectiveness of approximately 50% after several uses. Additionally, a synergistic effect was observed where the presence of anionic dyes enhanced the adsorption of Methylene Blue on banana and orange peels. Overall, this research highlights the potential of fruit peels as effective and sustainable materials for dye removal from wastewater, suggesting avenues for further exploration in the simultaneous removal of mixed dye solutions.
Introduction
The introduction highlights the critical issue of access to clean water, particularly in developing countries where over 1 billion people lack safe drinking water. Industrial wastewater, especially from the dyeing industry, poses significant environmental risks due to the presence of hazardous synthetic dyes, which can be carcinogenic and persist in aquatic environments. The paper categorizes dyes into non-ionic, cationic, and anionic types, with a focus on anionic azo dyes such as Reactive Red 120 (RR120) and Reactive Black 5 (RB5), which are commonly used in textile production. The introduction also discusses various methods for dye removal from wastewater, emphasizing adsorption as a cost-effective and efficient technique.
The study aims to investigate the use of natural adsorbents derived from agricultural waste, specifically banana, orange, and pomegranate peels, for the removal of four different dyes (RR120, RB5, Remazol Brilliant Blue R (RBBR), and Methylene Blue (MB)). Unlike previous studies that utilized chemically modified adsorbents, this research focuses on the effectiveness of these peels in their natural state, assessing their structural and morphological properties through techniques such as BET, FTIR, and SEM/EDS. The research also explores the influence of various factors on the adsorption process, including initial pH, adsorbent dosage, dye concentration, and contact time, while conducting kinetic, isotherm, thermodynamic, and regeneration studies to evaluate the overall efficacy of the proposed adsorbents.
Methods
In this study, various locally sourced and cost-effective materials, specifically banana, orange, and pomegranate peels, were utilized as potential adsorbents for the removal of dyes from aqueous solutions. These fruit peels, typically regarded as waste, were tested against four different dyes: two anionic dyes, Reactive Red 120 (RR120) and Reactive Black 5 (RB5), one anthraquinone dye, Remazol Brilliant Blue R (RBBR), and one cationic dye, Methylene Blue (MB). The dyes were obtained from Sigma-Aldrich-Merck KGaA, with purities ranging from 50% to 95%, and their chemical structures were illustrated in Figure 1 of the paper.
To prepare the experimental conditions, stock solutions of the dyes were created at a concentration of 1000 mg/L by dissolving 1 g of each dye in distilled water. The pH of the solutions was adjusted as necessary using hydrochloric acid (HCl) or sodium hydroxide (NaOH). For subsequent regeneration experiments, a 1.0 M NaOH solution was employed. The purity of the dyes was taken into account in all calculations, ensuring the accuracy of the results.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research topic. Key outcomes include the identification of specific patterns and relationships within the data, which were analyzed using appropriate statistical methods. The findings suggest that the variables under investigation exhibit a strong correlation, as evidenced by the calculated coefficients and corresponding p-values.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these results in the broader context of the field. The authors emphasize the relevance of their findings to existing theories and propose potential avenues for future research. Overall, the results provide a robust framework for understanding the underlying mechanisms at play and suggest practical applications based on the observed relationships.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of natural adsorbents derived from fruit peels (banana, orange, and pomegranate) are discussed, along with their effectiveness in dye removal from wastewater. The peels were processed using a green approach, involving washing, drying, and grinding into a powder form suitable for adsorption experiments. Characterization techniques, including scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis, and X-ray diffraction (XRD), were employed to analyze the surface properties of the adsorbents before and after dye adsorption. The results indicated that banana peels exhibited the highest surface area and pore volume, which correlated with their superior adsorption capacity compared to orange and pomegranate peels.
The adsorption experiments revealed that the efficiency of dye removal was significantly influenced by factors such as pH, initial dye concentration, adsorbent dosage, and contact time. The maximum removal rates for various dyes (RR120, RB5, RBBR, and MB) were achieved at lower pH levels, with banana peels demonstrating the highest overall effectiveness. The study utilized both Langmuir and Freundlich isotherm models to analyze adsorption data, confirming the monolayer adsorption capacity of the adsorbents. Kinetic studies further indicated that the adsorption process followed pseudo-first-order and pseudo-second-order models, providing insights into the mechanisms underlying dye removal. Overall, the findings underscore the potential of utilizing fruit peel waste as low-cost, effective adsorbents for wastewater treatment.