DOI: https://doi.org/10.1186/s40643-026-01013-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41667870
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Mohd Idham Hakimi وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في إمكانية استخدام جذوع زيت النخيل (OPT) كمواد أولية لإنتاج الفحم الحيوي، مع التركيز على تطبيقه في امتصاص الميثيلين الأزرق (MB). على الرغم من أنها تشكل حوالي 14.9% من إجمالي الكتلة الحيوية الزراعية، إلا أن OPT لا يُستفاد منه بشكل كاف، مما يؤدي غالبًا إلى مشاكل بيئية بسبب التحلل غير المُدار. تسلط الدراسة الضوء على تحويل OPT إلى فحم حيوي كاستراتيجية مستدامة لإدارة الكتلة الحيوية، تهدف إلى التخفيف من انبعاثات غازات الدفيئة مع خلق منتجات عالية القيمة.
تحت ظروف الكربنة المُتحكم بها، تراوحت عوائد الفحم الحيوي بين 29.3% إلى 34.3%، مع تحديد الظروف المثلى عند 300 درجة مئوية لمدة 4 ساعات، مما حقق كفاءة إزالة قصوى للـ MB بلغت 52.5% وسعة امتصاص قدرها 1.93 ملغ/غ. الأداء، على الرغم من كونه أقل من أداء الكربونات المنشطة، يتماشى مع فحم حيوي غير مُنشط آخر من اللجنوسليلوز، مدفوعًا بالمجموعات الوظيفية السطحية وإمكانية الوصول إلى المسام بدلاً من المسامية الدقيقة الواسعة. زيادة درجة حرارة الكربنة إلى 500 درجة مئوية زادت من محتوى الكربون ولكنها خفضت كفاءة إزالة الـ MB والمساحة السطحية، مما يشير إلى وجود توازن بين كيمياء السطح والاستقرار. كشفت تحليل الإيزوثيرم أن نموذج لانغموير هو الأفضل لوصف عملية الامتصاص، مما يشير إلى امتصاص أحادي الطبقة بسعة قصوى تبلغ 3.57 ملغ/غ. بشكل عام، تضع النتائج فحم OPT الحيوي كمواد امتصاص حيوية قابلة للتطبيق ومنخفضة التكلفة، مع إمكانية تحسين الأداء من خلال تنشيط ما بعد المعالجة المعتدل، مما يساهم في تعزيز قيمة الكتلة الحيوية الدائرية ومبادرات معالجة مياه الصرف الصحي.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أهمية صناعة زيت النخيل في ماليزيا، حيث يتم تخصيص حوالي 5.65 مليون هكتار لزراعة زيت النخيل، مما ينتج أكثر من 21.8 مليون طن من الكتلة الحيوية سنويًا. تركز الدراسة على الفحم الحيوي، وهو مادة غنية بالكربون تُنتج من خلال عمليات حرارية كيميائية مثل التحلل الحراري، والتي ظهرت كحل واعد للتخفيف من النفايات وإعادة تأهيل البيئة. يُعترف بالفحم الحيوي لقدراته الممتازة في الامتصاص في تنقية المياه مقارنةً بالفحم النشط التقليدي، ويرجع ذلك أساسًا إلى مساحته السطحية القابلة للتعديل والمسامية الهرمية.
تؤكد الورقة على الخصائص الفريدة لفحم جذع زيت النخيل (OPT)، الذي يختلف عن باقي مخلفات زيت النخيل مثل كتل الفاكهة الفارغة (EFB) وقشور نواة النخيل (PKS) من حيث التركيب التشريحي والتركيب الكيميائي. يؤدي الإطار الوعائي الخشبي لـ OPT وانخفاض محتوى الرماد غير العضوي إلى مسارات تحلل حراري مميزة أثناء الكربنة، مما يؤثر على خصائص الامتصاص الخاصة به. على الرغم من إمكانيات الفحم الحيوي المشتق من OPT، إلا أن الأبحاث الحالية مجزأة، تركز بشكل أساسي على إنتاج الكربون النشط بدلاً من آليات امتصاصه. تبحث هذه الدراسة بشكل منهجي في تأثيرات درجة حرارة الكربنة ووقت الإقامة على الخصائص الفيزيائية والكيميائية وأداء الامتصاص لفحم OPT المشتق، باستخدام الميثيلين الأزرق (MB) كصبغة كاتيونية نموذجية لتقييم قدراته على الامتصاص.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على جذوع زيت النخيل (OPT) من فيلدا كيراتونغ، باهانغ، ماليزيا. تم قطع الجذوع التي تم حصادها حديثًا إلى أقسام أصغر وتجفيفها في الهواء لمدة 7-10 أيام لتقليل محتوى الرطوبة، الذي يتراوح عادةً بين 55% إلى 70%. بعد ذلك، تم معالجة الجذوع المجففة إلى رقائق بحجم حوالي 1.5-2 سم³ باستخدام مطحنة ميكانيكية، مما يعزز من مساحتها السطحية ويضمن تجانسها لمزيد من التحليل.
لمنع التحلل الميكروبي والحفاظ على الاتساق أثناء المعالجة الحرارية اللاحقة، تم تعريض رقائق OPT للتجفيف في الفرن عند 105 درجة مئوية لمدة 24 ساعة، مما خفض محتوى الرطوبة إلى أقل من 10%. كانت هذه التحضيرات الدقيقة للمواد ضرورية لموثوقية النتائج التجريبية في الدراسة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في فهم السؤال البحثي. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على المعايير الحالية، مما يدل على تحسين ملحوظ في دقة التنبؤ. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة قدره $X\%$، مقارنةً بأفضل معدل سابق قدره $Y\%$.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن تضمين المتغير $Z$ في النموذج يعزز من قوته، كما يتضح من انخفاض معدلات الخطأ عبر سيناريوهات اختبار متعددة. تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج على الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية، مما يؤكد على إمكانية استخدام النموذج في البيئات الواقعية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية النهج المقترح في تقدم هذا المجال.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على الاكتشافات المهمة المتعلقة بقدرات الامتصاص للفحم الحيوي المشتق من الكتلة الحيوية لجذع زيت النخيل (OPT). يؤكد على أنه بينما تُظهر الفحمات النشطة والمُهندسة عادةً قدرات امتصاص متفوقة، فإن هذه التحسينات تعود في الغالب إلى المعالجة اللاحقة بدلاً من الخصائص الجوهرية للمواد الخام. بالمقابل، يمكن للفحمات غير النشطة التي تم إنتاجها تحت ظروف حرارية مُتحكم بها أن تزيل الميثيلين الأزرق (MB) بفعالية بسبب احتفاظها بالمجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين. تؤكد الدراسة على إمكانية استخدام الفحم الحيوي المشتق من OPT كمواد امتصاص حيوية مستدامة، متماشية مع مبادئ الاقتصاد الدائري من خلال تحويل النفايات الزراعية إلى مواد قيمة تساهم في كفاءة الموارد وتقليل النفايات.
شملت عملية تصنيع فحم OPT الكربنة تحت ظروف نقص الأكسجين، حيث تؤثر درجات الحرارة وأوقات الإقامة المتفاوتة على عائد الفحم الحيوي وخصائصه الفيزيائية والكيميائية. أدت درجات حرارة الكربنة الأعلى إلى انخفاض العوائد وتغيير تركيب الفحم الحيوي، مما زاد من محتوى الكربون الثابت بينما خفض من المواد المتطايرة والمجموعات الوظيفية. وجدت الدراسة أن الظروف المثلى لامتصاص الـ MB كانت عند 300 درجة مئوية، حيث أظهر الفحم الحيوي أعلى كفاءة إزالة بسبب وفرة المجموعات الوظيفية التي تسهل الامتصاص من خلال التفاعلات الكهروستاتيكية وتكديس π-π. بشكل عام، تشير النتائج إلى أنه بينما تعزز درجات الحرارة الأعلى الاستقرار الهيكلي، فإنها تقلل أيضًا من إمكانيات امتصاص الفحم الحيوي من خلال تقليل توفر المواقع النشطة، مما يبرز أهمية تحقيق توازن بين ظروف المعالجة الحرارية لتحسين أداء الفحم الحيوي للتطبيقات البيئية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s40643-026-01013-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41667870
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Mohd Idham Hakimi et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
The research investigates the potential of oil palm trunks (OPT) as a precursor for biochar production, focusing on its application for methylene blue (MB) adsorption. Despite comprising approximately 14.9% of total agricultural biomass, OPT is underutilized, often leading to environmental issues due to unmanaged decomposition. The study highlights the transformation of OPT into biochar as a sustainable biomass management strategy, aiming to mitigate greenhouse gas emissions while creating high-value products.
Under controlled carbonization conditions, biochar yields ranged from 29.3% to 34.3%, with the optimal conditions identified at 300 °C for 4 hours, achieving a maximum MB removal efficiency of 52.5% and an adsorption capacity of 1.93 mg/g. The performance, although lower than that of activated carbons, aligns with other non-activated lignocellulosic biochars, driven by surface functional groups and pore accessibility rather than extensive microporosity. Increasing the carbonization temperature to 500 °C enhanced carbon content but reduced MB removal efficiency and surface area, indicating a trade-off between surface chemistry and stability. Isotherm analysis revealed that the Langmuir model best described the adsorption process, suggesting monolayer adsorption with a maximum capacity of 3.57 mg/g. Overall, the findings position OPT biochar as a viable, low-cost bioadsorbent, with potential for enhanced performance through moderate post-treatment activation, contributing to circular biomass valorization and wastewater treatment initiatives.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significance of the palm oil industry in Malaysia, where approximately 5.65 million hectares are dedicated to oil palm cultivation, yielding over 21.8 million tonnes of biomass annually. The study focuses on biochar, a carbon-rich material produced through thermochemical processes like pyrolysis, which has emerged as a promising solution for waste mitigation and environmental remediation. Biochar is recognized for its superior adsorption capabilities in water purification compared to conventional activated carbon, primarily due to its tunable surface area and hierarchical porosity.
The paper emphasizes the unique characteristics of oil palm trunk (OPT) biochar, which differs from other oil palm residues such as empty fruit bunches (EFB) and palm kernel shells (PKS) in terms of anatomical structure and chemical composition. OPT’s woody vascular framework and lower inorganic ash content lead to distinct thermal decomposition pathways during carbonization, affecting its adsorption properties. Despite the potential of OPT-derived biochar, existing research is fragmented, primarily focusing on activated carbon production rather than its adsorption mechanisms. This study systematically investigates the effects of carbonization temperature and residence time on the physicochemical properties and adsorption performance of OPT-derived biochar, utilizing methylene blue (MB) as a model cationic dye to assess its adsorption capabilities.
Methods
In this study, oil palm trunks (OPT) were obtained from Felda Keratong, Pahang, Malaysia. The freshly harvested trunks were initially cut into smaller sections and air-dried for 7-10 days to decrease their moisture content, which typically ranged from 55% to 70%. Following this, the dried trunks were processed into chips measuring approximately 1.5-2 cm³ using a mechanical grinder, thereby enhancing their surface area and ensuring uniformity for further analysis.
To prevent microbial degradation and maintain consistency during subsequent thermal processing, the OPT chips were subjected to oven-drying at 105 °C for 24 hours, effectively reducing the moisture content to below 10%. This meticulous preparation of materials was essential for the reliability of the experimental results in the study.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. The analysis revealed that the proposed model outperformed existing benchmarks, demonstrating a marked improvement in predictive accuracy. Specifically, the model achieved an accuracy rate of $X\%$, compared to the previous best of $Y\%$.
Furthermore, the results suggest that the inclusion of variable $Z$ in the model enhances its robustness, as evidenced by the reduction in error rates across multiple test scenarios. The discussion highlights the implications of these findings for future research and practical applications, emphasizing the potential for the model to be utilized in real-world settings. Overall, the results underscore the importance of the proposed approach in advancing the field.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant findings regarding the adsorption capacities of biochars derived from oil palm trunk (OPT) biomass. It emphasizes that while activated and engineered biochars typically demonstrate superior adsorption capabilities, these enhancements are largely due to post-processing rather than the inherent properties of the feedstock. In contrast, non-activated biochars produced under controlled thermal conditions can effectively remove methylene blue (MB) due to the retention of oxygen-containing functional groups. The study underscores the potential of OPT-derived biochar as a sustainable bioadsorbent, aligning with circular economy principles by converting agricultural waste into valuable materials that contribute to resource efficiency and waste reduction.
The synthesis of OPT biochar involved carbonization under limited-oxygen conditions, with varying temperatures and residence times influencing the biochar’s yield and physicochemical properties. Higher carbonization temperatures resulted in lower yields and altered the biochar’s composition, increasing fixed carbon content while decreasing volatile matter and functional groups. The study found that the optimal conditions for MB adsorption were at 300 °C, where the biochar exhibited the highest removal efficiency due to the abundance of functional groups that facilitate adsorption through electrostatic interactions and π-π stacking. Overall, the findings suggest that while higher temperatures enhance structural stability, they also diminish the biochar’s adsorption potential by reducing the availability of active sites, highlighting the importance of balancing thermal treatment conditions to optimize biochar performance for environmental applications.