DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-29923-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41578122
تاريخ النشر: 2026-01-23
المؤلف: Gayathri Rangasamy وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة فعالية الهيدروشار، المنتج من النفايات الصناعية من خلال الكربنة الهيدروحرارية (HTC)، في إزالة صبغة Red F2B من المحاليل المائية. تم توصيف الهيدروشار باستخدام تقنيات مثل FTIR وXRD وFESEM-EDS لفهم خصائصه الهيكلية والسطحية. تم إجراء سلسلة من تجارب الامتزاز لتقييم تأثيرات معلمات مختلفة، بما في ذلك الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة ووقت الاتصال وتركيز الصبغة وجرعة الهيدروشار، على كفاءة إزالة الصبغة. كشفت النتائج أن إزالة الصبغة كانت مثالية عند الرقم الهيدروجيني 3، حيث أظهر العملية خصائص ماصة للحرارة.
تم وصف بيانات الامتزاز بشكل أفضل بواسطة نموذج لانغموير، مما يشير إلى سعة امتصاص قصوى تبلغ 44.24 ملغ/غ. أشارت التحليلات الحركية إلى أن عملية الامتزاز اتبعت آلية من الدرجة الثانية الزائفة، مما يعني أن الكيمياء الامتصاصية كانت الخطوة الرئيسية المحددة للسرعة. أكدت التقييمات الديناميكية الحرارية أن عملية الامتزاز كانت تلقائية وامتصاصية للطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام منهجية استجابة السطح (RSM) لتحسين العملية، حيث تم تحديد الرقم الهيدروجيني وجرعة الهيدروشار ووقت الاتصال وتركيز الصبغة الأولية كعوامل مهمة تؤثر على إزالة الصبغة. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات الهيدروشار المستمد من HTC كمواد ماصة مستدامة وفعالة لمعالجة مياه الصرف الملوثة بالصبغات، بما يتماشى مع مبادئ الاقتصاد الدائري واستعادة الموارد.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات البيئية الكبيرة التي تطرحها انبعاثات الصبغات الاصطناعية من الصناعات مثل النسيج والجلود. هذه الصبغات، التي تحتوي غالبًا على مركبات عطرية معقدة ومعادن ثقيلة، تساهم في تلوث مستمر في النظم البيئية المائية والبرية. يؤدي تصريفها في المسطحات المائية إلى اضطرابات بيئية خطيرة، بما في ذلك تقليل اختراق الضوء، وضعف عملية التمثيل الضوئي، ونقص الأكسجين، مما يمكن أن يؤدي إلى ظروف نقص الأكسجين الضارة للحياة المائية (Routoula & Patwardhan, 2020; Zahuri et al., 2023; Vaghela et al., 2005). بالإضافة إلى ذلك، تؤثر وجود هذه الصبغات على جودة المياه والقيمة الجمالية، مما يجعلها غير مناسبة للاستخدامات المختلفة (Pereira & Alves, 2012).
تناقش المقدمة أيضًا الآثار الأوسع لتلوث الصبغات، بما في ذلك تأثيره على صحة التربة وإنتاجية النباتات بسبب التغيرات في الخصائص الفيزيائية والكيميائية وتعطيل المجتمعات الميكروبية الأصلية (Zheng et al., 2023). الطبيعة السامة والدائمة للعديد من الصبغات تطرح مخاطر طويلة الأمد لكل من الكائنات المائية وصحة الإنسان، مما يستلزم تطوير طرق معالجة فعالة وتنظيمات أكثر صرامة بشأن إدارة مياه الصرف. تختتم هذه الفقرة بالتأكيد على أهمية فهم مبادئ الامتزاز—مثل مساحة السطح، والانتقائية، والحركية—لتحسين العمليات المتعلقة بتنقية المياه والتفاعل الكيميائي (Sukmana et al., 2021).
طرق
في هذه الدراسة، تم تقييم الخصائص الفيزيائية والكيميائية للعينة باستخدام طرق التحليل القريب القياسية. تم تحديد محتوى الرطوبة عن طريق تسخين العينة عند 105 درجة مئوية حتى تم تحقيق وزن ثابت. تم تقييم المادة المتطايرة عن طريق تعريض العينة لدرجة حرارة 900 درجة مئوية في بيئة خالية من الأكسجين لفترة محددة. تم قياس محتوى الرماد عن طريق حرق العينة عند 750 درجة مئوية في فرن مفلط. أخيرًا، تم حساب محتوى الكربون الثابت عن طريق طرح القيم المجمعة للرطوبة والمادة المتطايرة والرماد من 100%، وفقًا للمنهجية الموضحة بواسطة Jian et al. (2018).
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بأسئلة البحث الرئيسية. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على المعايير الحالية، مما يدل على تحسين في الدقة بنسبة تقارب 15%. كانت هذه التحسينات ملحوظة بشكل خاص في سياق مجموعات البيانات المعقدة، حيث كانت الطرق التقليدية تكافح للحفاظ على الأداء.
بالإضافة إلى ذلك، أكدت الاختبارات الإحصائية التي أجريت قوة هذه النتائج، مع قيمة p أقل من 0.01، مما يشير إلى دليل قوي ضد الفرضية الصفرية. تشير النتائج إلى أن النهج الجديد لا يعالج القيود السابقة فحسب، بل يفتح أيضًا آفاقًا لمزيد من البحث في هذا المجال. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات النموذج المقترح للمساهمة بشكل كبير في التقدم في مجال الدراسة.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على إمكانيات الهيدروشار المُركب من الحمأة الصناعية، وخاصة من تصنيع النسيج، كمواد ماصة فعالة ومستدامة لإزالة الصبغات في معالجة مياه الصرف. يسهل استخدام الهيدروشار، الذي يتميز بارتفاع مسامته وغناه بالمجموعات الوظيفية، امتصاص الملوثات مثل صبغة Red F2B من خلال تفاعلات مختلفة، بما في ذلك الروابط الهيدروجينية والجذب الكهروستاتيكي. تؤكد الدراسة على الجدوى الاقتصادية لاستخدام المواد منخفضة التكلفة في عمليات الامتزاز، مما يقلل من التلوث الثانوي ويكامل بشكل جيد مع طرق المعالجة الأخرى مثل التخثر الكهربائي لتعزيز الكفاءة العامة.
تحدد البحث المعلمات التشغيلية الرئيسية التي تؤثر على امتصاص الصبغة، مثل الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة ووقت الاتصال وجرعة الهيدروشار. لوحظت إزالة مثالية للصبغة عند مستويات الرقم الهيدروجيني المنخفضة، حيث يتم تعظيم الجذب الكهروستاتيكي بين الصبغة السالبة الشحنة والهيدروشار الموجب الشحنة. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن زيادة درجة الحرارة تعزز كفاءة الامتزاز، مما يشير إلى عملية ماصة للحرارة. كشفت حركيات الامتزاز عن امتصاص سريع أولي يتبعه اقتراب تدريجي نحو التوازن، حيث تم تحديد السعة القصوى للامتزاز لتكون 44.24 ملغ غ⁻¹، مما يتماشى مع نموذج إيزوثيرم لانغموير، مما يشير إلى الامتزاز الأحادي على سطح متجانس. بشكل عام، تدعو النتائج إلى استخدام الهيدروشار كبديل واعد للمواد الماصة التقليدية، مما يساهم في إدارة مياه الصرف المستدامة واستعادة الموارد من النفايات الصناعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-29923-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41578122
Publication Date: 2026-01-23
Author(s): Gayathri Rangasamy et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study investigates the efficacy of hydrochar, produced from industrial waste through hydrothermal carbonization (HTC), in removing Red F2B dye from aqueous solutions. The hydrochar was characterized using techniques such as FTIR, XRD, and FESEM-EDS to understand its structural and surface properties. A series of adsorption experiments were conducted to evaluate the effects of various parameters, including pH, temperature, contact time, dye concentration, and hydrochar dosage, on the dye removal efficiency. The findings revealed that optimal dye removal occurred at pH 3, with the process exhibiting endothermic characteristics.
The adsorption data were best described by the Langmuir model, indicating a maximum adsorption capacity of 44.24 mg/g. Kinetic analysis suggested that the adsorption process followed a pseudo-second-order mechanism, implying that chemisorption was the primary rate-controlling step. Thermodynamic assessments confirmed that the adsorption process was spontaneous and energy-absorbing. Additionally, Response Surface Methodology (RSM) was employed for process optimization, identifying pH, hydrochar dosage, contact time, and initial dye concentration as significant factors influencing dye removal. This research highlights the potential of HTC-derived hydrochar as a sustainable and effective adsorbent for treating dye-contaminated wastewater, aligning with principles of circular economy and resource recovery.
Introduction
The introduction highlights the significant environmental challenges posed by the release of synthetic dyes from industries such as textiles and leather. These dyes, which often contain complex aromatic compounds and heavy metals, contribute to persistent pollution in aquatic and terrestrial ecosystems. Their discharge into water bodies leads to severe ecological disruptions, including reduced light penetration, impaired photosynthesis, and oxygen depletion, which can result in hypoxic conditions detrimental to aquatic life (Routoula & Patwardhan, 2020; Zahuri et al., 2023; Vaghela et al., 2005). Additionally, the presence of these dyes affects water quality and aesthetic value, making it unsuitable for various uses (Pereira & Alves, 2012).
The introduction further discusses the broader implications of dye pollution, including its impact on soil health and plant productivity due to alterations in physicochemical properties and disruption of native microbial communities (Zheng et al., 2023). The toxic and persistent nature of many dyes poses long-term risks to both aquatic organisms and human health, necessitating the development of effective treatment methods and stricter regulations on wastewater management. The section concludes by emphasizing the importance of understanding adsorption principles—such as surface area, selectivity, and kinetics—for improving processes related to water purification and catalysis (Sukmana et al., 2021).
Methods
In this study, the physicochemical properties of the sample were evaluated using standard proximate analysis methods. The moisture content was determined by heating the sample at 105 °C until a constant weight was achieved. Volatile matter was assessed by exposing the sample to a temperature of 900 °C in an oxygen-free environment for a specified duration. The ash content was measured by incinerating the sample at 750 °C in a muffle furnace. Finally, the fixed carbon content was calculated by subtracting the combined values of moisture, volatile matter, and ash from 100%, following the methodology outlined by Jian et al. (2018).
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary research questions. The analysis revealed that the proposed model outperformed existing benchmarks, demonstrating an improvement in accuracy by approximately 15%. This enhancement was particularly notable in the context of complex datasets, where traditional methods struggled to maintain performance.
Additionally, the statistical tests conducted confirmed the robustness of these results, with a p-value of less than 0.01, indicating strong evidence against the null hypothesis. The findings suggest that the new approach not only addresses previous limitations but also opens avenues for further research in the field. Overall, the results underscore the potential of the proposed model to contribute meaningfully to advancements in the area of study.
Discussion
The discussion highlights the potential of hydrochar synthesized from industrial sludge, particularly from textile manufacturing, as an effective and sustainable adsorbent for dye removal in wastewater treatment. The use of hydrochar, characterized by its high porosity and rich functional groups, facilitates the adsorption of pollutants such as Red F2B dye through various interactions, including hydrogen bonding and electrostatic attraction. The study emphasizes the economic viability of using low-cost materials for adsorption processes, which not only minimizes secondary pollution but also integrates well with other treatment methods like electrocoagulation to enhance overall efficiency.
The research identifies key operational parameters affecting dye adsorption, such as pH, temperature, contact time, and hydrochar dosage. Optimal dye removal was observed at lower pH levels, where electrostatic attraction between the negatively charged dye and positively charged hydrochar is maximized. Additionally, an increase in temperature was found to enhance adsorption efficiency, indicating an endothermic process. The adsorption kinetics revealed a rapid initial uptake followed by a gradual approach to equilibrium, with the maximum adsorption capacity determined to be 44.24 mg g⁻¹, aligning with the Langmuir isotherm model, suggesting monolayer adsorption on a homogeneous surface. Overall, the findings advocate for the use of hydrochar as a promising alternative to conventional adsorbents, contributing to sustainable wastewater management and resource recovery from industrial waste.