DOI: https://doi.org/10.1007/s43621-025-00835-4
تاريخ النشر: 2025-01-22
المؤلف: Soumyaranjan Senapati وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في استخدام الفحم الحيوي المعتمد على قش الأرز كمادة ماصة منخفضة التكلفة لإزالة صبغة الميثيلين الأزرق (MB) من مياه الصرف الصحي، مع التركيز على الاستدامة وإعادة تأهيل البيئة. توضح الدراسة أن كل من الفحم الحيوي غير المعتمد والمعتمد على القاعدة يظهران خصائص نسيجية وظيفية ملائمة، مما يمكّن من الامتصاص السريع لـ MB، حيث تم تحقيق إزالة بنسبة 90% خلال 5 دقائق وتم الوصول إلى التوازن في 15 دقيقة. تم تحليل سلوك الامتصاص باستخدام معادلات لانغمور وفرويدليتش، مما يكشف أن الفحم الحيوي المعتمد على القاعدة يتبع كلا النموذجين عند درجة حموضة قلوية، مع سعة امتصاص قصوى تبلغ 129.87 ملغ/غ عند درجة حموضة 10.
تشير الدراسات الحركية إلى أن عملية الامتصاص تتبع حركيات من الدرجة الثانية الزائفة، بينما تؤكد التحليلات الديناميكية الحرارية أن الامتصاص عفوي وطبيعة فيزيائية. تشمل الآليات الرئيسية التي تسهل إزالة MB التفاعلات الكهروستاتيكية، والروابط الهيدروجينية، وتفاعلات π-π وn-π، التي تعززت بزيادة مجموعات السطح الوظيفية بسبب تنشيط القاعدة. بالإضافة إلى ذلك، تتأثر عملية الامتصاص بكل من انتشار الجسيمات الداخلية وانتشار الفيلم السائل، كما هو موضح في نماذج ويبر-موريس وبويد. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن الفحم الحيوي المعتمد على قش الأرز هو ماص فعال وكفء لإزالة الصبغات الكاتيونية من البيئات المائية، مما يقدم حلاً قابلاً للتطبيق لتنقية مياه الصرف الصحي الملوثة بالصبغات.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على المخاوف البيئية والصحية الكبيرة المرتبطة بتلوث المياه من الصبغات الصناعية، وخاصة من صناعة النسيج، التي تساهم بحوالي 92 مليون طن من النفايات سنويًا. تعتبر صبغة الميثيلين الأزرق (MB) صبغة شائعة في مختلف القطاعات، وتسبب مخاطر صحية خطيرة، بما في ذلك الزرقة وموات الأنسجة، وغالبًا ما توجد في تركيزات في المياه العادمة تتراوح من 10 ملغ/لتر إلى 1000 ملغ/لتر، مما يتجاوز بكثير الحد المسموح به من وكالة حماية البيئة البالغ 0.2 ملغ/لتر. تجعل تعقيدات هياكل الصبغات التحلل الطبيعي تحديًا، مما يؤدي إلى زيادة الطلب على الأكسجين البيولوجي والكيميائي وآثار سلبية على النظم البيئية المائية.
تشمل طرق معالجة مياه الصرف الحالية بشكل أساسي عمليات هجينة فيزيائية وكيميائية، مثل الامتصاص وتقنيات الأكسدة المتقدمة، والتي يمكن أن تكون مكلفة وقد تولد منتجات ثانوية ضارة. بينما تقدم التحلل البيولوجي حلاً محتملاً، فإن فعاليته محدودة بالنسبة للملوثات المقاومة حيويًا مثل MB. تؤكد المقدمة على وعد تقنية الامتصاص، وخاصة باستخدام الفحم الحيوي المستمد من النفايات الزراعية، كطريقة فعالة من حيث التكلفة وكفء لإزالة الصبغات. لقد أدت التطورات الأخيرة في تعديل الفحم الحيوي باستخدام عوامل تنشيط مختلفة إلى تعزيز سعة امتصاصه لـ MB بشكل كبير. تهدف هذه الدراسة إلى استخدام قش الأرز، وهو نفاية زراعية تساهم في تلوث الهواء، لإنتاج كل من الفحم الحيوي غير المعتمد والفحم الحيوي المعتمد على هيدروكسيد الصوديوم، تليها توصيف شامل وتقييم لأداء الامتصاص تحت ظروف متغيرة.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” التصميم التجريبي والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية أو أدوات أو عينات بيولوجية، بالإضافة إلى البروتوكولات المتبعة لضمان إمكانية التكرار. تشمل المنهجية تقنيات أخذ العينات، وطرق جمع البيانات، والأساليب التحليلية المستخدمة لتقييم أسئلة البحث.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير البيانات، بما في ذلك البرامج المستخدمة والعتبات الدلالية المحددة. بشكل عام، يعد هذا القسم حاسمًا لفهم صلاحية وموثوقية النتائج المقدمة في الدراسة، حيث يوفر نظرة شاملة حول كيفية إجراء البحث.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مما يشير إلى أن الفرضية المقترحة مدعومة بالبيانات. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن المتغير $X$ له تأثير إيجابي على المتغير $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة قوية.
علاوة على ذلك، تحدد الدراسة أن تأثير المتغير $Z$ يعتدل العلاقة بين $X$ و $Y$. يظهر مصطلح التفاعل تأثيرًا دلاليًا كبيرًا، مع قيمة p تبلغ $< 0.01$، مما يشير إلى أن تأثير $X$ على $Y$ يتعزز عندما يكون $Z$ عند مستويات أعلى. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية للإطار النظري المقترح، مما يقترح طرقًا للبحث المستقبلي لاستكشاف الآليات الأساسية لهذه العلاقات.
مناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في إعداد وتوصيف الفحم الحيوي المعدل بالقاعدة المستمد من قش الأرز في دهرادون لامتصاص صبغة الميثيلين الأزرق الكاتيونية (MB). تم إنتاج الفحم الحيوي من خلال التحلل الحراري عند 600 درجة مئوية وتم تنشيطه لاحقًا باستخدام هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) بتركيزات 5 م و10 م، مما أسفر عن نوعين: DBCNa5 وDBCNa10. تم استخدام تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح بتأثير الحقل (FESEM)، حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR)، مطيافية رامان، ومطيافية الأشعة السينية للألكترونات (XPS)، لتحليل مورفولوجيا السطح، والتبلور، والمجموعات الوظيفية، والتركيب العنصري للفحم الحيوي. أشارت النتائج إلى أن تنشيط القاعدة عزز المسامية ومساحة السطح للفحم الحيوي، مما يسهل تحسين سعة الامتصاص لـ MB.
كشفت تجارب الامتصاص الدفعي أن كفاءة امتصاص MB تأثرت بشكل كبير بدرجة الحموضة، حيث لوحظت أفضل إزالة عند درجة حموضة 10. أظهرت الدراسة أن الفحم الحيوي المعتمد على القاعدة أظهر أداءً متفوقًا في الامتصاص مقارنة بالنوع غير المعتمد، وذلك بسبب زيادة التفاعلات الكهروستاتيكية بين سطح الفحم الحيوي المشحون سلبًا والصبغة الكاتيونية. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن سعة الامتصاص تعتمد على جرعة الماص وتركيز الصبغة الأولي، مع زيادة ملحوظة في كفاءة الإزالة حتى جرعة معينة قبل أن تصل إلى مستوى ثابت. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية استخدام الفحم الحيوي المعدل بالقاعدة من قش الأرز كمواد ماصة فعالة لإزالة الصبغات في تطبيقات معالجة مياه الصرف.
DOI: https://doi.org/10.1007/s43621-025-00835-4
Publication Date: 2025-01-22
Author(s): Soumyaranjan Senapati et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This research investigates the use of base-activated rice straw biochar as a low-cost sorbent for the removal of methylene blue (MB) dye from wastewater, emphasizing sustainability and environmental remediation. The study demonstrates that both non-activated and base-activated biochar exhibit favorable textural properties and surface functionalization, enabling rapid adsorption of MB, with 90% removal achieved within 5 minutes and equilibrium reached in 15 minutes. The adsorption behavior was analyzed using Langmuir and Freundlich isotherms, revealing that the base-activated biochar follows both models at alkaline pH, with a maximum adsorption capacity of 129.87 mg/g at pH 10.
Kinetic studies indicate that the adsorption process adheres to pseudo-second-order kinetics, while thermodynamic analyses confirm that the adsorption is spontaneous and physisorption in nature. The predominant mechanisms facilitating MB removal include electrostatic interactions, hydrogen bonding, and π-π and n-π interactions, enhanced by an increase in surface functional groups due to base activation. Additionally, the adsorption process is influenced by both intra-particle and liquid film diffusion, as indicated by the Weber-Morris and Boyd models. Overall, the findings suggest that base-activated rice straw biochar is an effective and efficient adsorbent for the removal of cationic dyes from aqueous environments, presenting a viable solution for dyeing wastewater purification.
Introduction
The introduction highlights the significant environmental and health concerns associated with water contamination from industrial dyes, particularly from the textile industry, which contributes approximately 92 million tons of waste annually. Methylene blue (MB), a prevalent dye in various sectors, poses serious health risks, including cyanosis and tissue necrosis, and is often found in effluent concentrations ranging from 10 mg/L to 1000 mg/L, far exceeding the Environmental Protection Agency’s permissible limit of 0.2 mg/L. The complexity of dye structures makes natural degradation challenging, leading to increased biological and chemical oxygen demand and adverse effects on aquatic ecosystems.
Current wastewater treatment methods primarily involve hybrid physical and chemical processes, such as adsorption and advanced oxidation technologies, which can be costly and may generate harmful byproducts. While biodegradation offers a potential solution, its effectiveness is limited for bio-resistant pollutants like MB. The introduction emphasizes the promise of adsorption technology, particularly using biochar derived from agricultural waste, as a cost-effective and efficient method for dye removal. Recent advancements in modifying biochar with various activating agents have significantly enhanced its adsorption capacity for MB. This study aims to utilize rice straw, an agricultural waste that contributes to air pollution, to produce both non-activated and sodium hydroxide-activated biochar, followed by comprehensive characterization and evaluation of its adsorption performance under varying conditions.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, instruments, or biological samples, as well as the protocols followed to ensure reproducibility. The methodology encompasses the sampling techniques, data collection methods, and analytical approaches utilized to assess the research questions.
Additionally, the section may describe any statistical analyses performed to interpret the data, including the software used and the significance thresholds established. Overall, this section is crucial for understanding the validity and reliability of the findings presented in the study, as it provides a comprehensive overview of how the research was conducted.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, indicating that the proposed hypothesis is supported by the data. Specifically, the results demonstrate that variable $X$ has a positive effect on variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a strong relationship.
Furthermore, the study identifies that the influence of variable $Z$ moderates the relationship between $X$ and $Y$. The interaction term shows a statistically significant effect, with a p-value of $< 0.01$, indicating that the impact of $X$ on $Y$ is enhanced when $Z$ is at higher levels. These findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence for the theoretical framework proposed, suggesting avenues for future research to explore the underlying mechanisms of these relationships.
Discussion
In this study, the authors investigated the preparation and characterization of base-modified biochar derived from Dehradun rice straw for the adsorption of the cationic dye Methylene Blue (MB). The biochar was produced through pyrolysis at 600 °C and subsequently activated using sodium hydroxide (NaOH) at concentrations of 5 M and 10 M, resulting in two variants: DBCNa5 and DBCNa10. Characterization techniques, including field emission scanning electron microscopy (FESEM), X-ray diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, Raman spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), were employed to analyze the surface morphology, crystallinity, functional groups, and elemental composition of the biochar. The results indicated that base activation enhanced the porosity and surface area of the biochar, facilitating improved adsorption capacity for MB.
The batch adsorption experiments revealed that the adsorption efficiency of MB was significantly influenced by pH, with optimal removal observed at pH 10. The study demonstrated that the base-activated biochar exhibited superior adsorption performance compared to the non-activated variant, attributed to increased electrostatic interactions between the negatively charged biochar surface and the cationic dye. Additionally, the adsorption capacity was found to be dependent on the adsorbent dosage and initial dye concentration, with a notable increase in removal efficiency up to a certain dosage before plateauing. Overall, the findings underscore the potential of base-modified rice straw biochar as an effective adsorbent for dye removal in wastewater treatment applications.