DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-92973-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40148409
تاريخ النشر: 2025-03-27
المؤلف: Amany G. M. Shoaib وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة فعالية مادة ماصة جديدة، وهي الفحم الحيوي المستخرج من الطحالب الخضراء (Ulva lactuca) والأمونيا (NDULB)، لإزالة صبغة الميثيلين الأزرق (MB) من المحاليل المائية. تم تصنيع NDULB من خلال التنشيط بحمض الكبريتيك 85% والمعالجة الهيدروحرارية مع هيدروكسيد الأمونيوم. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك تحليل مساحة السطح BET والمجهر الإلكتروني الماسح، على المساحة السطحية العالية والتمعدن لـ NDULB، مما يسهل امتصاص الصبغة. قامت الدراسة بتقييم منهجي لتأثيرات معلمات مختلفة – تركيز MB الابتدائي، ودرجة حموضة المحلول، ووقت الاتصال، وجرعة NDULB – على عملية الامتصاص. تم وصف بيانات الامتصاص بشكل أفضل بواسطة نموذج إيزوثيرم فروندليش، مما يشير إلى امتصاص متعدد الطبقات على سطح غير متجانس، مع سعة امتصاص قصوى تبلغ 966.31 ملغ ج⁻¹ عند جرعة NDULB تبلغ 1.25 ج ل⁻¹.
أشارت التحليلات الحركية إلى أن نموذج الترتيب الثاني الزائف هو الأنسب للبيانات التجريبية، مما يشير إلى أن الكيمياء السطحية هي الآلية الرئيسية للامتصاص. تسلط النتائج الضوء على إمكانيات NDULB كبديل مستدام وفعال لإزالة صبغة MB في معالجة مياه الصرف الصحي، مع آثار كبيرة على التطبيقات على نطاق واسع. تؤكد الدراسة على أهمية تحسين المعلمات التشغيلية لأنظمة معالجة مياه الصرف الصحي المعتمدة على الامتصاص وتقترح أن تركز الأبحاث المستقبلية على الاستقرار على المدى الطويل وإعادة استخدام NDULB في التطبيقات العملية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية، بما في ذلك هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، وحمض الكبريتيك (H₂SO₄)، وحمض الهيدروكلوريك (HCl)، وبيكربونات الصوديوم (NaHCO₃)، ومحلول الأمونيا (NH₄OH)، كل منها يتميز بأوزانه الجزيئية الخاصة. على وجه التحديد، يحتوي NaOH على وزن جزيئي قدره 39.997 غرام/مول، وH₂SO₄ هو 98.079 غرام/مول، وHCl هو 36.46 غرام/مول، وNaHCO₃ هو 84 غرام/مول، وNH₄OH هو 35.04 غرام/مول.
بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على صبغة الميثيلين الأزرق (C.I. 52,015)، التي لها طول موجي أقصى للامتصاص يبلغ 665 نانومتر وصيغة جزيئية C₁₆H₁₈N₃Cl·xH₂O، من شركة هوني ويل ريدل-دي هان AG في سيليز-هانوفر، ألمانيا، ولها وزن جزيئي قدره 319.86 غرام/مول. كانت هذه المواد جزءًا لا يتجزأ من الإجراءات التجريبية التي أجريت في البحث.
النتائج
تشير النتائج إلى أن المادة الماصة NDULB تظهر سعة امتصاص قصوى (Q_m) متفوقة لصبغة الميثيلين الأزرق (MB) مقارنة بالمواد المبلغ عنها سابقًا، كما هو ملخص في الجدول 7. على وجه التحديد، عند تركيز 1.25 ج ل\(^{-1}\) من NDULB، وصلت قيمة Q_m إلى 966.31 ملغ ج\(^{-1}\) عند درجة حرارة الغرفة. تؤكد هذه النتيجة فعالية NDULB، المستخرج من GAUL، كمادة ماصة فعالة لإزالة صبغة الميثيلين الأزرق من مياه الصرف الصحي، مما يبرز إمكانياتها في جهود الترميم البيئي.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة إعداد وتوصيف الفحم الحيوي المدعوم بالنيتروجين من Ulva lactuca (NDULB) وفعاليته في إزالة صبغة الميثيلين الأزرق (MB) من المحاليل المائية. تم تصنيع الفحم الحيوي من الطحالب الخضراء (GAUL) من خلال سلسلة من المعالجات الكيميائية، بما في ذلك معالجة حمض الكبريتيك والتفاعل الهيدروحراري مع الأمونيا. تم استخدام تقنيات التوصيف مثل FTIR وXRD وSEM وTGA لتحليل الخصائص الهيكلية والكيميائية لـ NDULB، مما يكشف عن تغييرات كبيرة في المجموعات الوظيفية وخصائص السطح مقارنة بـ GAUL غير المعالج.
أشارت دراسات الامتصاص إلى أن NDULB يزيل صبغة MB بشكل فعال، حيث تأثرت سعة الامتصاص بعوامل مثل تركيز الصبغة الابتدائي، ووقت الاتصال، ودرجة الحموضة. وُجد أن درجة الحموضة المثلى لإزالة MB هي 12، حيث تم تعظيم التفاعلات الكهروستاتيكية بين سطح NDULB المشحون سلبًا وصبغة MB الكاتيونية. اقترحت الدراسات الحركية أن عملية الامتصاص تتبع حركية الترتيب الثاني الزائف، مع تحقيق التشبع في أطر زمنية متفاوتة اعتمادًا على جرعة NDULB. تؤكد النتائج على إمكانيات NDULB كمادة ماصة فعالة لإزالة الصبغة في تطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي، مما يبرز أهمية تحسين المعلمات التشغيلية لتحسين الأداء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-92973-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40148409
Publication Date: 2025-03-27
Author(s): Amany G. M. Shoaib et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study explores the efficacy of a novel adsorbent, green algae (Ulva lactuca)-derived biochar-ammonia (NDULB), for the removal of methylene blue (MB) dye from aqueous solutions. NDULB was synthesized through activation with 85% sulfuric acid and hydrothermal treatment with ammonium hydroxide. Characterization techniques, including BET surface area analysis and scanning electron microscopy, confirmed NDULB’s high surface area and porosity, which are conducive to dye adsorption. The study systematically evaluated the effects of various parameters—initial MB concentration, solution pH, contact time, and NDULB dosage—on the adsorption process. The adsorption data were best described by the Freundlich isotherm model, indicating multilayer adsorption on a heterogeneous surface, with a maximum adsorption capacity of 966.31 mg g⁻¹ at an NDULB dosage of 1.25 g L⁻¹.
Kinetic analysis indicated that the pseudo-second-order model was the most suitable for the experimental data, suggesting that chemisorption is the primary mechanism of adsorption. The findings highlight NDULB’s potential as a sustainable and efficient alternative for MB dye removal in wastewater treatment, with significant implications for large-scale applications. The study emphasizes the importance of optimizing operational parameters for effective adsorption-based wastewater treatment systems and suggests that future research should focus on the long-term stability and reusability of NDULB in practical applications.
Methods
In this study, various chemical reagents were utilized, including Sodium Hydroxide (NaOH), Sulfuric Acid (H₂SO₄), Hydrogen Chloride (HCl), Sodium Bicarbonate (NaHCO₃), and Ammonia Solution (NH₄OH), each characterized by their respective molecular weights. Specifically, NaOH has a molecular weight of 39.997 g/mole, H₂SO₄ is 98.079 g/mole, HCl is 36.46 g/mole, NaHCO₃ is 84 g/mole, and NH₄OH is 35.04 g/mole.
Additionally, Methylene Blue (C.I. 52,015), with a maximum absorbance wavelength of 665 nm and a molecular formula of C₁₆H₁₈N₃Cl·xH₂O, was sourced from Honeywell Riedel-de Haën AG in Seelze-Hannover, Germany, and has a molecular weight of 319.86 g/mole. These materials were integral to the experimental procedures conducted in the research.
Results
The results indicate that the NDULB adsorbent exhibits a superior maximum adsorption capacity (Q_m) for methylene blue (MB) dye compared to previously reported materials, as summarized in Table 7. Specifically, at a concentration of 1.25 g L\(^{-1}\) of NDULB, the Q_m value reached 966.31 mg g\(^{-1}\) at room temperature. This finding underscores the efficacy of NDULB, derived from GAUL, as an effective adsorbent for the removal of methylene blue dye from wastewater, highlighting its potential application in environmental remediation efforts.
Discussion
In this section, the research discusses the preparation and characterization of nitrogen-doped Ulva lactuca biochar (NDULB) and its effectiveness in removing methylene blue (MB) dye from aqueous solutions. The biochar was synthesized from green algae (GAUL) through a series of chemical treatments, including sulfuric acid treatment and hydrothermal reaction with ammonia. Characterization techniques such as FTIR, XRD, SEM, and TGA were employed to analyze the structural and chemical properties of NDULB, revealing significant changes in functional groups and surface characteristics compared to untreated GAUL.
The adsorption studies indicated that NDULB effectively removes MB dye, with the adsorption capacity influenced by factors such as initial dye concentration, contact time, and pH. The optimal pH for MB removal was found to be 12, where electrostatic interactions between the negatively charged NDULB surface and the cationic MB dye were maximized. Kinetic studies suggested that the adsorption process followed pseudo-second-order kinetics, with saturation achieved within varying time frames depending on the NDULB dosage. The findings underscore the potential of NDULB as an effective adsorbent for dye removal in wastewater treatment applications, highlighting the importance of optimizing operational parameters for enhanced performance.