DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36827-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41617786
تاريخ النشر: 2026-01-30
المؤلف: Reza Pourbaba وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تحويل السائل الأسود (BL)، وهو منتج ثانوي من عملية تقطيع قش الأرز، إلى فحم نشط (AC) لتعزيز إزالة الكادميوم (Cd) من الماء. استخدمت الأبحاث تعديل حمض الأكريليك (AA) خلال عملية هيدروحرارية، تلتها تنشيط كيميائي باستخدام هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH). أظهر الفحم النشط المعدل بحمض الأكريليك (AACBL) خصائص نسيجية متفوقة، حيث حقق مساحة سطح قدرها $1541.3 \, \text{m}^2/\text{g}$ وحجم مسام إجمالي قدره $0.84 \, \text{cm}^3/\text{g}$، وهو ثلاثة أضعاف ما هو عليه الفحم النشط غير المعدل. أظهرت خصائص السائل الأسود الخام تركيبة تتكون من 40% لجنين، 30% رماد، و25% هولوسليلوز، مع تركيبة عنصرية تتكون من 56.85% أكسجين و38% كربون، مما يجعله سلفًا مثاليًا لإنتاج الفحم النشط.
وجدت الدراسة أن AACBL أظهر قدرة قصوى على امتصاص Cd تبلغ 434 ملغ/غ، متجاوزًا بشكل كبير المواد الماصة التقليدية. أشار التحليل الحركي إلى أن عملية الامتصاص تتبع نموذج من الدرجة الثانية الزائفة (R² > 0.99)، مما يشير إلى أن الكيمياء الامتصاصية هي الخطوة المحددة للسرعة. تؤكد النتائج على إمكانية استخدام الفحم النشط المستخرج من السائل الأسود كمواد ماصة مستدامة وفعالة لإزالة المعادن الثقيلة، مما يتماشى مع مبادئ الاقتصاد الدائري من خلال تحويل النفايات الصناعية إلى موارد قيمة. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تحسين ظروف التنشيط، وتوسيع قدرات إزالة الملوثات، وتوسيع الإنتاج، وتقييم الجدوى الاقتصادية للتطبيقات الصناعية.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على السائل الأسود من مجموعة صناعات الورق بارس في محافظة خوزستان، إيران، باستخدام قش الأرز كمادة خام رئيسية في عملية تقطيع الصودا. تضمنت معلمات التقطيع تركيز 18% من هيدروكسيد الصوديوم ودرجة حرارة تفاعل تبلغ 175 درجة مئوية، مما أدى إلى تصريف معقد غني بمشتقات اللجنين، والكربوهيدرات المتحللة، ومكونات معدنية وعضوية متنوعة. يمثل هذا السائل الأسود تحديًا بيئيًا وفرصة للتثمين من خلال تعديلات ذات قيمة مضافة.
لتوصيف السائل الأسود وأشكاله المعدلة، تم استخدام عدة تقنيات تحليلية. تم استخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR) لتحديد المجموعات الوظيفية، مع إعداد العينات عن طريق خلطها مع بروميد البوتاسيوم (KBr) وضغطها في كريات. تم إجراء تحليل مورفولوجي باستخدام مجهر إلكتروني مسح ميداني (FE-SEM)، حيث تم طلاء العينات بالذهب لتعزيز الموصلية. تم قياس مساحة السطح وخصائص المسام باستخدام طريقة بروناوير-إيميت-تيلر (BET) بعد معالجة الفراغ المسبق. بالإضافة إلى ذلك، تم تحليل الهيكل البلوري عبر حيود الأشعة السينية (XRD)، باستخدام جهاز حيود Philips PW1730 لتسجيل أنماط الحيود عبر نطاق 2θ من 10° إلى 70°. توفر هذه الطرق مجتمعة فهمًا شاملاً لخصائص المواد والتطبيقات المحتملة للسائل الأسود.
نتائج
تظهر نتائج الدراسة نجاح تعديل الفحم النشط المستخرج من السائل الأسود من خلال إدخال وحدات حمض الأكريليك، كما يتضح من مطيافية FT-IR. تؤكد وجود اهتزازات تمدد غير متناظرة ومتناظرة لأنيونات الكربوكسيلات (-COO^-) على تطعيم حمض الأكريليك، بينما يشير غياب هذه الأطياف في طيف السائل الأسود غير المعدل إلى أن الوظائف الجديدة ليست نتيجة لتحلل هيدروحراري. بالإضافة إلى ذلك، يشير الانخفاض الملحوظ في شدة القمة عند 1050 سم\(^{-1}\) إلى أن مجموعات الهيدروكسيل الفينولية تشارك في عملية التطعيم، مما يدعم آلية بلمرة الجذور الحرة المقترحة.
يكشف تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) عن تغييرات هيكلية في عينات الفحم النشط، حيث يظهر الفحم النشط المعدل بحمض الأكريليك (AACBL) قممًا أكثر حدة، خاصة في الانعكاس (002)، مما يشير إلى درجة أعلى من الجرافيتية. قد يعزز هذا التعديل من تجانس عمليات الكربنة والتنشيط، مما قد يحسن توزيع حجم المسام والوصول، وهي أمور حاسمة لأداء الامتصاص. يؤكد غياب القمم البلورية الحادة على إزالة فعالة للشوائب غير العضوية، وهو أمر ضروري لتعظيم قدرة الامتصاص. بشكل عام، ترتبط التعديلات الهيكلية الناتجة عن حمض الأكريليك بتحسين قدرة إزالة الكادميوم، كما تدعمه الدراسات اللاحقة للامتصاص، مما يبرز التأثير المفيد للتنشيط الكيميائي على الخصائص الفيزيائية للفحم النشط.
مناقشة
تقدم قسم المناقشة في ورقة البحث تحليلًا شاملاً لتوصيف السائل الأسود (BL) والتوليف اللاحق للفحم النشط (AC) من خلال تعديل حمض الأكريليك. كشفت التوصيفات أن اللجنين يشكل أكبر جزء من السائل الأسود بنسبة 40%، يليه الرماد (30%) والهولوسليلوز (25%). تشير هذه التركيبة إلى إمكانية مواتية لتحويل السائل الأسود إلى فحم نشط عالي الجودة، خاصة بسبب التركيب العطري للجنين. تسلط الدراسة الضوء على أن المحتوى العالي من الرماد قد يؤثر على عملية التنشيط، مما يتطلب خطوات غسيل إضافية لإزالة الشوائب المعدنية. أشار التحليل العنصري إلى محتوى أكسجين كبير (39.79%)، وهو ما يميز السائل الأسود المستخرج من المخلفات الزراعية، مما يشير إلى أن التنشيط الكيميائي قد يعزز تطوير المسام أثناء الكربنة.
حسنت عملية تعديل حمض الأكريليك بشكل كبير من خصائص سطح الفحم النشط. أظهر الفحم النشط المعدل (AACBL) مساحة سطح قدرها 1541.3 م²/غ، أي حوالي ثلاثة أضعاف ما هو عليه الفحم النشط غير المعدل (ACBL)، الذي كانت مساحته السطحية 500.16 م²/غ. يُعزى هذا التحسين إلى إدخال مجموعات وظيفية كربوكسيلية تسهل تطوير المسام أثناء المعالجة الحرارية. كما أظهر AACBL أداءً متفوقًا في الامتصاص لإزالة الكادميوم، حيث حقق قدرة امتصاص قصوى تبلغ 434 ملغ/غ، كما هو موضح من نموذج إيزوثرم لانغموير. تشير النتائج إلى أن AACBL هو مادة واعدة لتطبيقات معالجة مياه الصرف الصناعي، خاصة لإزالة المعادن الثقيلة، بسبب مساحته السطحية العالية، ووجود المسام المتطور، وخصائص نقل الكتلة الفعالة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36827-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41617786
Publication Date: 2026-01-30
Author(s): Reza Pourbaba et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study investigates the conversion of black liquor (BL), a byproduct of sugarcane bagasse pulping, into activated carbon (AC) to enhance cadmium (Cd) removal from water. The research utilized acrylic acid (AA) modification during a hydrothermal process, followed by chemical activation with potassium hydroxide (KOH). The resulting AA-modified activated carbon (AACBL) demonstrated superior textural properties, achieving a surface area of $1541.3 \, \text{m}^2/\text{g}$ and a total pore volume of $0.84 \, \text{cm}^3/\text{g}$, which is three times greater than that of unmodified AC. Characterization of the raw BL indicated a composition of 40% lignin, 30% ash, and 25% holocellulose, with an elemental makeup of 56.85% oxygen and 38% carbon, making it an ideal precursor for AC production.
The study found that AACBL exhibited a maximum Cd adsorption capacity of 434 mg/g, significantly surpassing traditional adsorbents. Kinetic analysis indicated that the adsorption process adhered to a pseudo-second-order model (R² > 0.99), suggesting that chemisorption is the rate-limiting step. The findings emphasize the potential of BL-derived AC as a sustainable and effective adsorbent for heavy metal remediation, aligning with circular economy principles by transforming industrial waste into valuable resources. Future research directions include optimizing activation conditions, broadening pollutant removal capabilities, scaling production, and evaluating economic viability for industrial applications.
Methods
In this study, the black liquor was sourced from the Pars Paper Industries Group in Khuzestan Province, Iran, utilizing sugarcane bagasse as the primary feedstock in a soda pulping process. The pulping parameters included an 18% sodium hydroxide concentration and a reaction temperature of 175 °C, resulting in a complex effluent rich in lignin derivatives, degraded carbohydrates, and various metallic and organic constituents. This black liquor presents both an environmental challenge and an opportunity for valorization through value-added modifications.
To characterize the black liquor and its modified forms, several analytical techniques were employed. Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy was utilized to identify functional groups, with samples prepared by mixing with potassium bromide (KBr) and pressed into pellets. Morphological analysis was conducted using field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), with samples sputter-coated with gold to enhance conductivity. Surface area and pore characteristics were measured using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method after vacuum pretreatment. Additionally, the crystallographic structure was analyzed via X-ray diffraction (XRD), employing a Philips PW1730 diffractometer to record diffraction patterns across a 2θ range of 10° to 70°. These methods collectively provide a comprehensive understanding of the material properties and potential applications of the black liquor.
Results
The results of the study demonstrate the successful modification of activated carbon derived from black liquor through the introduction of polyacrylic acid moieties, as evidenced by FT-IR spectroscopy. The presence of asymmetric and symmetric stretching vibrations of carboxylate anions (-COO^-) confirms the grafting of acrylic acid, while the absence of these bands in the unmodified black liquor spectrum indicates that the new functionalities are not due to hydrothermal degradation. Additionally, the observed decrease in intensity of the peak at 1050 cm\(^{-1}\) suggests that phenolic hydroxyl groups are involved in the grafting process, supporting the proposed free radical polymerization mechanism.
X-ray diffraction (XRD) analysis reveals structural changes in the activated carbon samples, with the acrylic acid-modified activated carbon (AACBL) exhibiting sharper peaks, particularly in the (002) reflection, indicating a higher degree of graphitization. This modification may enhance the uniformity of carbonization and activation processes, potentially improving pore size distribution and accessibility, which are critical for adsorption performance. The absence of sharp crystalline peaks confirms effective removal of inorganic impurities, essential for maximizing adsorption capacity. Overall, the structural modifications induced by acrylic acid are linked to improved cadmium removal capacity, as further supported by subsequent adsorption studies, highlighting the beneficial impact of chemical activation on the physical properties of the activated carbon.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive analysis of black liquor (BL) characterization and the subsequent synthesis of activated carbon (AC) through acrylic acid modification. The characterization revealed that lignin constitutes the largest fraction of BL at 40%, followed by ash (30%) and holocellulose (25%). This composition suggests a favorable potential for converting BL into high-quality activated carbon, particularly due to lignin’s aromatic structure. The study highlights that the high ash content may influence the activation process, necessitating additional washing steps to remove mineral impurities. Elemental analysis indicated a significant oxygen content (39.79%), which is characteristic of black liquor derived from agricultural residues, suggesting that chemical activation could enhance pore development during carbonization.
The acrylic acid modification process significantly improved the surface properties of the activated carbon. The modified activated carbon (AACBL) exhibited a surface area of 1541.3 m²/g, approximately three times greater than that of the unmodified activated carbon (ACBL), which had a surface area of 500.16 m²/g. This enhancement is attributed to the introduction of carboxylic functional groups that facilitate pore development during thermal treatment. The AACBL also demonstrated superior adsorption performance for cadmium removal, achieving a maximum adsorption capacity of 434 mg/g, as indicated by the Langmuir isotherm model. The results suggest that AACBL is a promising material for industrial wastewater treatment applications, particularly for heavy metal remediation, due to its high surface area, well-developed porosity, and effective mass transfer properties.