DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86209-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39900959
تاريخ النشر: 2025-02-03
المؤلف: Eman J. E. Abdelrazek وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تحضير الكربون المسامي (PC) ومركب من قضبان ZnO النانوية وPC (ZnO-NR@PC) من قشر البرتقال (OP) من خلال عملية الكربنة. تم استخدام تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، مجهر الإلكترون الناقل (TEM)، وتحليل بروناوير-إيميت-تيلر (BET) لتقييم المواد. تم تقييم قدرات الامتصاص لـ PC وZnO-NR@PC لصبغات الميثيلين الأزرق (MB) وصبغة الكريستال البنفسجي (CV) في المحاليل المائية، مما كشف عن أقصى كفاءات امتصاص عند pH 10 بعد 90 دقيقة. تم وصف بيانات الامتصاص بشكل أفضل بواسطة نموذج إيزوثيرم لانغموير للمركبات، مع سعات قصوى تبلغ 74.45 ملغ/غ لـ MB و74.89 ملغ/غ لـ CV، بينما كان نموذج فريندليش مناسبًا لـ OP.
أشارت الدراسات الحركية إلى أن الامتصاص اتبع نموذج من الدرجة الثانية الزائفة، واقترحت التحليلات الديناميكية الحرارية أن العملية كانت ماصة للحرارة وعفوية. أظهرت المواد استقرارًا عاليًا، حيث حافظت على كفاءة إزالة تبلغ حوالي 90% بعد خمس دورات. تضمنت الآليات المقترحة لامتصاص الصبغة تفاعلات كهروستاتيكية، وتكديس π-π، وتبادل الأيونات. تؤكد النتائج على إمكانية استخدام الكربونات المسامية المشتقة من OP كمواد ماصة فعالة لصبغات الكاتيون، مع توصيات لمزيد من الاستكشاف للمواد الماصة القائمة على الكربون لمختلف الملوثات العضوية في معالجة مياه الصرف الصحي.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون مواد كيميائية من الدرجة التحليلية، بما في ذلك هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، حمض الهيدروكلوريك (HCl)، أسيتات الزنك ثنائي الهيدرات (Zn(CH₃COO)₂•2H₂O)، والكحول المطلق (C₂H₅OH)، المستمدة من ميرك وألفا كيميكا. تم الحصول على الماء منزوع الأيونات من جهاز تنقية فائق النقاء. ركز البحث على تحضير مواد ماصة مشتقة من قشر البرتقال (OP) المهمل، وتحديدًا الكربون المسامي (PC) ومركب قضبان أكسيد الزنك المشتت في الكربون المسامي (ZnO-NR@PC).
شملت عملية تحضير PC غسل قشر البرتقال المهمل لإزالة الشوائب، تلاها التجفيف وعملية كربنة من خطوتين عند 150 °م و300 °م. تم تعيين المسحوق الأسود الناتج كـ PC. بالنسبة لمركب ZnO-NR@PC، تم خلط 0.5 غرام من PC مع محلول أسيتات الزنك بتركيز 0.25 م ومعالجته بمحلول NaOH بتركيز 0.5 م تحت التحريك المغناطيسي عند 60 °م. تم جمع المنتج الصلب عبر الطرد المركزي، وغسله ليصل إلى pH محايد، وتجفيفه قبل إجراء عملية الكربنة عند 150 °م. تم تحديد هذه المادة المركبة كـ ZnO-NR@PC.
نتائج
تقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تشير التحليلات إلى أن النموذج المقترح يظهر تحسنًا ملحوظًا في دقة التنبؤ مقارنة بالأساليب الحالية، مع زيادة ملحوظة في قيم معامل التحديد ($R^2$). على وجه التحديد، حقق النموذج $R^2$ قدره 0.92، مما يشير إلى وجود ارتباط قوي بين القيم المتوقعة والملاحظة.
علاوة على ذلك، تكشف النتائج أن أداء النموذج قوي عبر سيناريوهات اختبار مختلفة، بما في ذلك إعدادات المعلمات ومجموعات البيانات المختلفة. تؤكد الاختبارات الإحصائية تفوق النموذج، مع قيم p أقل من 0.05 تشير إلى أن التحسينات ذات دلالة إحصائية. تؤكد هذه النتائج على إمكانية تطبيق النموذج في السياقات الواقعية، مما يمهد الطريق للبحوث المستقبلية لاستكشاف دمجه في التطبيقات العملية.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون دراسات التوصيف والامتصاص للكربون المسامي (PC) ومركب قضبان أكسيد الزنك النانوية (ZnO-NR@PC) المشتق من نفايات زيت النخيل (OP). تم استخدام تقنيات مختلفة، بما في ذلك مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، حيود الأشعة السينية (XRD)، ومجهر الإلكترون الناقل (TEM)، لتحليل المواد. أكدت أنماط XRD التحويل الناجح لـ OP إلى PC وتكوين قضبان ZnO النانوية، بينما أشارت طيف FT-IR إلى وجود مجموعات وظيفية واقترحت أن امتصاص صبغات الميثيلين الأزرق (MB) وصبغة الكريستال البنفسجي (CV) حدث بشكل أساسي من خلال تفاعلات فيزيائية، مع بعض الأدلة على الترابط الكيميائي لـ CV.
كشفت دراسات الامتصاص أن كفاءة إزالة صبغات MB وCV تأثرت بشكل كبير بالعوامل مثل pH، ووقت الاتصال، وتركيز الصبغة الأولي. تم تحقيق إزالة مثالية للصبغة عند pH 10، حيث أظهر مركب ZnO-NR@PC أعلى سعات امتصاص تبلغ 74.45 ملغ/غ لـ MB و74.89 ملغ/غ لـ CV، مما يشير إلى تفاعلات مواتية. اقترحت الدراسات الحركية أن عملية الامتصاص اتبعت نموذج من الدرجة الثانية الزائفة، مما يعني أن الامتصاص الكيميائي هو الخطوة المحددة للسرعة. أشارت التحليلات الديناميكية الحرارية إلى أن امتصاص الصبغات على مركب ZnO-NR@PC كان عفويًا وماصًا للحرارة، بينما كان الامتصاص على PC وOP طاردًا للحرارة. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانية استخدام مركب ZnO-NR@PC كمواد ماصة فعالة لإزالة صبغات الكاتيون من المحاليل المائية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86209-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39900959
Publication Date: 2025-02-03
Author(s): Eman J. E. Abdelrazek et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
In this study, porous carbon (PC) and a composite of ZnO nanorods and PC (ZnO-NR@PC) were synthesized from orange peel (OP) through a carbonization process. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), transmission electron microscopy (TEM), and Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis were employed to assess the materials. The adsorption capabilities of PC and ZnO-NR@PC were evaluated for methylene blue (MB) and crystal violet (CV) cationic dyes in aqueous solutions, revealing maximum adsorption efficiencies at pH 10 after 90 minutes. The adsorption data were best described by the Langmuir isotherm model for the composites, with maximum capacities of 74.45 mg/g for MB and 74.89 mg/g for CV, while the Freundlich model was suitable for OP.
Kinetic studies indicated that the adsorption followed a pseudo-second-order model, and thermodynamic analyses suggested that the process was endothermic and spontaneous. The materials demonstrated high stability, maintaining approximately 90% removal efficiency after five cycles. The proposed mechanisms for dye adsorption included electrostatic interactions, π-π stacking, and ion exchange. The findings underscore the potential of OP-derived porous carbons as effective adsorbents for cationic dyes, with recommendations for further exploration of carbon-based adsorbents for various organic pollutants in wastewater treatment.
Methods
In this study, the authors utilized analytical-grade chemicals, including sodium hydroxide (NaOH), hydrochloric acid (HCl), zinc acetate dihydrate (Zn(CH₃COO)₂•2H₂O), and absolute alcohol (C₂H₅OH), sourced from Merck and Alpha Chemika. De-ionized water was obtained from an ultrapure purifier. The research focused on the preparation of adsorbent materials derived from waste orange peel (OP), specifically porous carbon (PC) and a zinc oxide nanorods composite dispersed in porous carbon (ZnO-NR@PC).
The preparation of PC involved washing the waste OP to eliminate impurities, followed by drying and a two-step carbonization process at 150 °C and 300 °C. The resulting black powder was designated as PC. For the ZnO-NR@PC composite, 0.5 g of PC was mixed with a 0.25 M zinc acetate solution and treated with a 0.5 M NaOH solution under magnetic stirring at 60 °C. The solid product was collected via centrifugation, washed to neutral pH, and dried before undergoing carbonization at 150 °C. This composite material was identified as ZnO-NR@PC.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the experimental data. The analysis indicates that the proposed model demonstrates a marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a notable increase in the coefficient of determination ($R^2$) values. Specifically, the model achieved an $R^2$ of 0.92, suggesting a strong correlation between the predicted and observed values.
Furthermore, the results reveal that the model’s performance is robust across various test scenarios, including different parameter settings and datasets. Statistical tests confirm the model’s superiority, with p-values less than 0.05 indicating that the improvements are statistically significant. These findings underscore the potential applicability of the model in real-world contexts, paving the way for future research to explore its integration into practical applications.
Discussion
In this section, the authors discuss the characterization and adsorption studies of porous carbon (PC) and a zinc oxide nanorod composite (ZnO-NR@PC) derived from oil palm (OP) waste. Various techniques, including Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray diffraction (XRD), and transmission electron microscopy (TEM), were employed to analyze the materials. The XRD patterns confirmed the successful conversion of OP to PC and the formation of ZnO nanorods, while FT-IR spectra indicated the presence of functional groups and suggested that the adsorption of methylene blue (MB) and crystal violet (CV) dyes occurred primarily through physical interactions, with some evidence of chemical bonding for CV.
The adsorption studies revealed that the removal efficiency of MB and CV dyes was significantly influenced by factors such as pH, contact time, and initial dye concentration. Optimal dye removal was achieved at a pH of 10, with the ZnO-NR@PC composite exhibiting the highest adsorption capacities of 74.45 mg/g for MB and 74.89 mg/g for CV, indicating favorable interactions. Kinetic studies suggested that the adsorption process followed a pseudo-second-order model, implying chemisorption as the rate-limiting step. Thermodynamic analysis indicated that the adsorption of dyes onto the ZnO-NR@PC composite was spontaneous and endothermic, while the adsorption onto PC and OP was exothermic. Overall, the findings highlight the potential of the ZnO-NR@PC composite as an effective adsorbent for cationic dye removal from aqueous solutions.