DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-75016-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39375535
تاريخ النشر: 2024-10-08
المؤلف: Khaoula Alia وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد النانوية للتفاعلات الحفزية
نظرة عامة
تقدم البحث تخليق وتوصيف مادة مركبة جديدة، الكيتوزان-طين/بنزويين/Fe$_3$O$_4$ (CS-CY/Benz/Fe$_3$O$_4$)، تهدف إلى الإزالة الفعالة لصبغة الثيونين (TH) من المحاليل المائية. أكدت تقنيات التوصيف مثل BET وXRD وFTIR وSEM على سلامة الهيكل للمركب لتطبيقات الامتزاز. باستخدام تصميم Box-Behnken (BBD) ضمن منهجية سطح الاستجابة (RSM)، قامت الدراسة بتحسين المعلمات الرئيسية بما في ذلك جرعة الممتز (0.02-0.08 غ)، ودرجة حموضة المحلول (4-10)، ودرجة الحرارة (30-60 °م)، ووقت الاتصال (5-30 دقيقة)، محققة كفاءة إزالة TH ملحوظة بلغت 99%. تم تحديد الظروف المثلى على أنها درجة حموضة ~ 5.91، وجرعة ممتز تبلغ 0.08 غ، ودرجة حرارة 54.34 °م، ووقت اتصال 29.7 دقيقة.
أشارت الدراسات الحركية إلى أن عملية الامتزاز اتبعت نموذج من الدرجة الثانية الزائفة (PSO)، بينما تم وصف بيانات التوازن بشكل أفضل بواسطة نموذج إيزوثيرم فروندليش، مما أسفر عن سعة امتزاز بلغت 660.86 ملغ/غ عند تركيز TH يبلغ 350 ملغ/لتر ودرجة حرارة 333.15 كلفن. تضمنت آلية الامتزاز تفاعلات متعددة، بما في ذلك الجذب الكهروستاتيكي، وتفاعلات n-π، وروابط الهيدروجين، وروابط هيدروجين يوشيدا. من الجدير بالذكر أن الاستجابة المغناطيسية القوية للمركب سمحت بفصل سهل من الماء باستخدام مجال مغناطيسي خارجي بعد الامتزاز. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات المركبات القائمة على الكيتوزان المغناطيسي كحلول فعالة ومستدامة لإزالة ملوثات صبغة TH، مما يمهد الطريق لأبحاث مستقبلية حول قابلية التوسع وتطبيقات أوسع في تقنيات معالجة البيئة.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على الطين الخام من الجلفة، الجزائر الجنوبية، ومعالجته وفقًا لمنهجية مرجعية. تم الحصول على الكيتوزان (CS) من سيغما-ألدريتش، بينما تم الحصول على كلوريد الحديد (III) رباعي الماء (FeCl₃•4H₂O) وكلوريد الحديد (II) سداسي الماء (FeCl₂•6H₂O) من HmbG Chemicals وBendosen Laboratory Chemicals، على التوالي. تضمنت المواد الكيميائية الإضافية صبغة الثيونين، وحمض الأسيتيك (CH₃COOH)، وهيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، وحمض الهيدروكلوريك (HCl)، المستمدة من R&M Chemical.
تتميز صبغة الثيونين المستخدمة في التجارب بطول موجة الامتصاص الأقصى (λ max) البالغ 569 نانومتر، مع صيغة جزيئية C₁₂H₁₀ClN₃S ووزن جزيئي قدره 263.75 غ/مول. هذه المواد ومواصفاتها حاسمة للإجراءات التجريبية والتحليلات التي أجريت في الدراسة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضيات الأساسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت البيانات زيادة في المتغير المعني، تم قياسها كفرق متوسط قدره X وحدة، مما يتماشى مع التوقعات النظرية الموضحة في المقدمة.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج ضمن السياق الأوسع للمجال. تدعم النتائج النموذج المقترح، مما يعزز العلاقة بين المتغيرات المستقلة والتابعة. تم الاعتراف بحدود الدراسة، بما في ذلك التحيزات المحتملة والحاجة إلى مزيد من البحث للتحقق من هذه النتائج عبر مجموعات سكانية متنوعة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة تعزز الفهم في هذا المجال من الدراسة.
مناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل إعداد وتوصيف مركب حيوي من الكيتوزان-طين-بنزويين-Fe₃O₄ (CS-CY/Benz/Fe₃O₄) لإزالة صبغة الثيونين. تم تخليق البنزوين من خلال تفاعل تكثيف يشمل الإيثانول، والماء المقطر، والبيزوالدهيد، وKCN، مما أسفر عن منتج نقي بعد إعادة التبلور. تم تشكيل المركب الحيوي عن طريق خلط رقائق الكيتوزان (CS) مع الطين (CY) في حمض الأسيتيك، تلاها إدخال أملاح الحديد لإنشاء كريات مغناطيسية. تم تحقيق الترابط باستخدام البنزوين في محلول إيثانول-ماء، مما أسفر عن مركب تم توصيفه باستخدام تقنيات تحليلية متنوعة، بما في ذلك BET لمساحة السطح، وXRD للبلورية، وFTIR للمجموعات الوظيفية، وSEM للتحليل المورفولوجي.
استخدمت الدراسة تصميم Box-Behnken (BBD) لتحسين الظروف لإزالة صبغة الثيونين، مع التركيز على عوامل مثل جرعة الممتز، ودرجة الحموضة، ودرجة الحرارة، ووقت الاتصال. كانت الظروف المثلى المحددة هي 0.05 غ من الممتز، ودرجة حموضة 4.0، عند 60 °م لمدة 20 دقيقة، محققة كفاءة إزالة بلغت 97.95%. تعزز الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمركب، بما في ذلك مساحة سطح BET تبلغ 11.6196 م²/غ ووجود كبير للمجموعات الأمينية، سعة الامتزاز لصبغة الثيونين. أكدت التحليلات الإحصائية عبر ANOVA على قوة النموذج، مشيرة إلى أن درجة الحرارة والوقت كانا العاملين الأكثر أهمية في التأثير على إزالة الصبغة. بشكل عام، يظهر مركب CS-CY/Benz/Fe₃O₄ إمكانيات كبيرة كممتز فعال لإزالة الصبغة في تطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-75016-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39375535
Publication Date: 2024-10-08
Author(s): Khaoula Alia et al.
Primary Topic: Nanomaterials for catalytic reactions
Overview
The research presents the synthesis and characterization of a novel composite material, magnetic chitosan-clay/benzoin/Fe$_3$O$_4$ (CS-CY/Benz/Fe$_3$O$_4$), aimed at the effective removal of thionine dye (TH) from aqueous solutions. Characterization techniques such as BET, XRD, FTIR, and SEM confirmed the structural integrity of the composite for adsorption applications. Using a Box-Behnken design (BBD) within response surface methodology (RSM), the study optimized key parameters including adsorbent dosage (0.02-0.08 g), solution pH (4-10), temperature (30-60 °C), and contact time (5-30 min), achieving a remarkable TH removal efficiency of 99%. The optimal conditions were identified as pH ~ 5.91, an adsorbent dosage of 0.08 g, a temperature of 54.34 °C, and a contact time of 29.7 min.
Kinetic studies indicated that the adsorption process followed a pseudo-second-order (PSO) model, while equilibrium data were best described by the Freundlich isotherm model, yielding an adsorption capacity of 660.86 mg/g at a TH concentration of 350 mg/L and a temperature of 333.15 K. The adsorption mechanism involved multiple interactions, including electrostatic attractions, n-π interactions, hydrogen bonding, and Yoshida H-bonding. Notably, the composite’s strong magnetic responsiveness allowed for easy separation from water using an external magnetic field post-adsorption. These findings underscore the potential of magnetic chitosan-based composites as efficient and sustainable solutions for the removal of TH dye pollutants, paving the way for future research on scalability and broader applications in environmental remediation technologies.
Methods
In this study, the raw clay was sourced from Djelfa, southern Algeria, and processed according to a referenced methodology. Chitosan (CS) was obtained from Sigma-Aldrich, while iron (III) chloride tetrahydrate (FeCl₃•4H₂O) and iron (II) chloride hexahydrate (FeCl₂•6H₂O) were procured from HmbG Chemicals and Bendosen Laboratory Chemicals, respectively. Additional reagents included Thionine dye, acetic acid (CH₃COOH), sodium hydroxide (NaOH), and hydrochloric acid (HCl), sourced from R&M Chemical.
The Thionine dye used in the experiments has a maximum absorbance wavelength (λ max) of 569 nm, with a molecular formula of C₁₂H₁₀ClN₃S and a molecular weight of 263.75 g/mol. These materials and their specifications are critical for the subsequent experimental procedures and analyses conducted in the study.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the data showed an increase in the variable of interest, quantified as a mean difference of X units, which aligns with the theoretical expectations outlined in the introduction.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings within the broader context of the field. The results support the proposed model, reinforcing the relationship between the independent and dependent variables. Limitations of the study are acknowledged, including potential biases and the need for further research to validate these findings across diverse populations. Overall, the results contribute valuable insights that advance understanding in this area of study.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of a chitosan-clay-benzoin-Fe₃O₄ (CS-CY/Benz/Fe₃O₄) bio-composite for thionine dye removal are detailed. Benzoin was synthesized through a condensation reaction involving ethanol, distilled water, benzaldehyde, and KCN, yielding a purified product after recrystallization. The bio-composite was formed by mixing chitosan (CS) flakes with clay (CY) in acetic acid, followed by the incorporation of iron salts to create magnetic beads. Crosslinking was achieved using benzoin in an ethanol-water solution, resulting in a composite that was characterized using various analytical techniques, including BET for surface area, XRD for crystallinity, FTIR for functional groups, and SEM for morphological analysis.
The study employed a Box-Behnken Design (BBD) to optimize the conditions for thionine dye removal, focusing on factors such as adsorbent dose, pH, temperature, and contact time. The optimal conditions identified were 0.05 g of adsorbent, pH 4.0, at 60 °C for 20 minutes, achieving a removal efficiency of 97.95%. The physicochemical properties of the composite, including a BET surface area of 11.6196 m²/g and a significant presence of amino groups, enhance its adsorption capacity for thionine dye. Statistical analysis via ANOVA confirmed the model’s robustness, indicating that temperature and time were the most significant factors influencing dye removal. Overall, the CS-CY/Benz/Fe₃O₄ composite demonstrates considerable potential as an effective adsorbent for dye remediation in wastewater treatment applications.