DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-50937-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38200095
تاريخ النشر: 2024-01-10
المؤلف: Atef El Jery وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة امتصاص صبغة الميثيلين الأزرق (MB) من مياه الصرف باستخدام قش الأرز كمواد ممتصة فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة. بينما ركزت الأبحاث السابقة على تعزيز قدرة الامتصاص، تهدف هذه الدراسة إلى تقديم فهم شامل للديناميكا الحرارية والحركية المعنية في عملية الامتصاص. قام الباحثون بتصنيع مادة ممتصة من قش الأرز وأجروا تجارب لاستكشاف نماذج مختلفة من أيزوثيرم الامتصاص، بما في ذلك لانجمير، تيمكين، وفرويدليش، تحت ظروف تشغيلية مختلفة مثل درجة الحرارة ودرجة الحموضة.
تكشف النتائج أن عملية الامتصاص تتأثر بشكل كبير بدرجة الحموضة ودرجة الحرارة، حيث يكون امتصاص MB طاردًا للحرارة. على وجه التحديد، يؤدي زيادة درجة الحموضة إلى تعزيز الامتصاص بسبب تقليل المنافسة من أيونات H⁺، بينما تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى انخفاض قدرة الامتصاص. أظهرت نماذج الديناميكا الحرارية التوازنية ارتباطًا قويًا بين البيانات النظرية والتجريبية، مما يبرز فعالية قش الأرز في معالجة مياه الصرف الملوثة بصبغة MB. بشكل عام، تسهم هذه الأبحاث في تقديم رؤى قيمة حول آليات الامتصاص وتقدم نهجًا جديدًا لمعالجة التلوث البيئي الناجم عن ملوثات الصبغة.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة لتصنيع مادة ممتصة منخفضة التكلفة من قش الأرز لإزالة صبغة الميثيلين الأزرق (MB) من مياه الصرف الاصطناعية. تم الحصول على قش الأرز من حقول مروية وحقول تعتمد على الأمطار في الأردن، مع الحصول على التصاريح اللازمة. تم معالجة القش عن طريق تقطيعه إلى قطع بحجم 0.5 سم، وتجفيفه عند 90 درجة مئوية، ومعالجته بحمض الكبريتيك (H₂SO₄) تلاه هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) لتعزيز خصائص الامتصاص. تضمنت الإعدادات التجريبية تغيير مستويات درجة الحموضة (3-9) ودرجات الحرارة (293-333 كلفن) لتقييم كفاءة الامتصاص لقش الأرز المعدل.
تم حساب قدرة الامتصاص باستخدام المعادلات المعتمدة، حيث تم قياس التركيزات الأولية والتوازنية لصبغة MB طيفيًا عند 664 نانومتر. استخدمت الدراسة ثلاثة نماذج من أيزوثيرم الامتصاص—لانجمير، فرويدليش، وتيمكين—لتحليل سلوك الامتصاص. يفترض نموذج لانجمير امتصاص أحادي الطبقة على سطح متجانس، بينما يأخذ نموذج فرويدليش في الاعتبار توزيع الطاقة غير المتجانس بين المواقع النشطة. يتضمن نموذج تيمكين تأثيرات درجة الحرارة على الامتصاص. تشير النتائج إلى أن قش الأرز المعدل يمتص صبغة MB بفعالية، حيث توفر نماذج الأيزوثيرم رؤى حول ديناميات الامتصاص.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن مادة قش الأرز الممتصة تظهر هيكل مسامي موحد، مع أحجام مسام تتراوح بين 45 إلى 55 ميكرومتر، مما يسهل امتصاص الصبغة بشكل فعال. كشفت التحليلات العنصرية عبر EDX أن المادة الممتصة تتكون أساسًا من الكربون (C، 47.7 wt%)، والأكسجين (O، 41.7 wt%)، والسيليكون (Si، 8.7 wt%)، والكالسيوم (Ca، 1.6 wt%). حدد تحليل FTIR مجموعات وظيفية رئيسية، بما في ذلك C-O، C-C، C=O، C-OH، وO-H، والتي تعتبر مهمة لعملية الامتصاص. تأثر امتصاص صبغة الميثيلين الأزرق (MB) بدرجة الحرارة ودرجة الحموضة، حيث أظهرت النتائج أن الامتصاص ينخفض مع زيادة درجة الحرارة، مما يدل على عملية طاردة للحرارة.
استخدمت الدراسة نماذج مختلفة من أيزوثيرم الامتصاص، بما في ذلك لانجمير، فرويدليش، وتيمكين، لتحليل سلوك الامتصاص. كان نموذج لانجمير-فرويدليش فعالًا بشكل خاص في ربط البيانات التجريبية عبر مستويات مختلفة من درجة الحموضة ودرجات الحرارة. أظهرت النتائج أن القيم الأعلى لدرجة الحموضة تعزز امتصاص MB بسبب زيادة الشحنة السطحية السلبية على المادة الممتصة، بينما تقلل القيم المنخفضة لدرجة الحموضة من كفاءة الامتصاص بسبب بروتنة المواقع النشطة. أظهرت معلمات الأيزوثيرم، بما في ذلك معاملات التوازن، علاقة خطية مع كل من درجة الحموضة ودرجة الحرارة، مما يشير إلى أن قدرة الامتصاص لمادة قش الأرز المعدلة تتأثر بشكل كبير بهذه العوامل.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تحديد شكل وتركيب قش الأرز كمادة ممتصة لصبغة الميثيلين الأزرق (MB) باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتحليل الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX). تم إجراء تحليل FTIR لتحديد المجموعات الوظيفية على سطح المادة الممتصة. تم تقييم المعلمات الديناميكية الحرارية لعملية الامتصاص، مما كشف أن تغير الطاقة الحرة ($\Delta G$) لامتصاص MB كان سالبًا، مما يدل على عملية تلقائية. تم استخدام معادلة فان’t هوف لحساب تغير الإنثالبي ($\Delta H/R = -6167 \, \text{kg K/mol}$) وتغير الإنتروبيا ($\Delta S/R = -17.3 \, \text{kg/mol}$)، مما يؤكد الطبيعة الطاردة للحرارة لعملية الامتصاص.
تسلط الدراسة الضوء على فعالية قش الأرز في إزالة صبغة MB من مياه الصرف تحت ظروف تشغيلية متغيرة، بما في ذلك درجة الحرارة ودرجة الحموضة. وُجد أن عملية الامتصاص تتأثر بشكل كبير بهذه العوامل، حيث تعزز زيادة درجة الحموضة الامتصاص بسبب تقليل المنافسة من أيونات H⁺، بينما تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى انخفاض كفاءة الامتصاص، مما يتماشى مع الطبيعة الطاردة للحرارة للعملية. استخدمت الأبحاث نماذج أيزوثيرم متعددة—لانجمير، تيمكين، وفرويدليش—مظهرة أن خصائص الامتصاص حساسة للتغيرات في درجة الحموضة ودرجة الحرارة. بشكل عام، توفر هذه النتائج رؤى قيمة حول الديناميكا الحرارية لامتصاص الصبغة وتؤكد على إمكانية استخدام قش الأرز كحل فعال من حيث التكلفة لمعالجة مياه الصرف.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-50937-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38200095
Publication Date: 2024-01-10
Author(s): Atef El Jery et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study investigates the adsorption of methylene blue (MB) dye from wastewater using rice straw as a cost-effective and environmentally friendly adsorbent. While previous research has focused on enhancing adsorption capacity, this work aims to provide a comprehensive understanding of the thermodynamics and kinetics involved in the adsorption process. The researchers synthesized an adsorbent from rice straw and conducted experiments to explore various adsorption isotherm models, including Langmuir, Temkin, and Freundlich, under different operational conditions such as temperature and pH.
The findings reveal that the adsorption process is significantly influenced by pH and temperature, with MB adsorption being exothermic. Specifically, an increase in pH enhances adsorption due to reduced competition from H⁺ ions, while higher temperatures lead to decreased adsorption capacity. The equilibrium thermodynamic models demonstrated a strong correlation between the theoretical and experimental data, highlighting the effectiveness of rice straw in treating MB dye wastewater. Overall, this research contributes valuable insights into the adsorption mechanisms and offers a novel approach for addressing environmental pollution caused by dye contaminants.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods used to fabricate a low-cost adsorbent from rice straw for the removal of methylene blue (MB) dye from synthetic wastewater. Rice straw was sourced from both irrigated and rain-fed fields in Jordan, with necessary permissions obtained. The straw was processed by cutting it into 0.5 cm pieces, drying at 90 °C, and treating it with sulfuric acid (H₂SO₄) followed by potassium hydroxide (KOH) to enhance its adsorption properties. The experimental setup involved varying pH levels (3-9) and temperatures (293-333 K) to assess the adsorption efficiency of the modified rice straw.
The adsorption capacity was calculated using established equations, where the initial and equilibrium concentrations of MB dye were measured spectrophotometrically at 664 nm. The study employed three adsorption isotherm models—Langmuir, Freundlich, and Temkin—to analyze the adsorption behavior. The Langmuir model assumes monolayer adsorption on a homogeneous surface, while the Freundlich model accounts for heterogeneous energy distribution among active sites. The Temkin model incorporates temperature effects on adsorption. The findings indicate that the modified rice straw effectively adsorbs MB dye, with the isotherm models providing insights into the adsorption dynamics.
Results
The results of the study indicate that the rice straw adsorbent exhibits a uniform pore structure, with pore sizes ranging from 45 to 55 μm, facilitating effective dye adsorption. Elemental analysis via EDX revealed that the adsorbent is primarily composed of carbon (C, 47.7 wt%), oxygen (O, 41.7 wt%), silicon (Si, 8.7 wt%), and calcium (Ca, 1.6 wt%). FTIR analysis identified key functional groups, including C-O, C-C, C=O, C-OH, and O-H, which are significant for the adsorption process. The adsorption of methylene blue (MB) dye was influenced by temperature and pH, with findings showing that adsorption decreases with increasing temperature, indicative of an exothermic process.
The study employed various adsorption isotherm models, including Langmuir, Freundlich, and Temkin, to analyze the adsorption behavior. The Langmuir-Freundlich model was particularly effective in correlating the experimental data across different pH levels and temperatures. Results demonstrated that higher pH values enhance MB adsorption due to increased negative surface charge on the adsorbent, while lower pH values reduce adsorption efficiency due to protonation of active sites. The isotherm parameters, including equilibrium coefficients, showed a linear relationship with both pH and temperature, suggesting that the adsorption capacity of the modified rice straw adsorbent is significantly affected by these factors.
Discussion
In this study, the morphology and elemental composition of rice straw as an adsorbent for methylene blue (MB) dye were characterized using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX). Fourier Transform Infrared (FTIR) analysis was conducted to identify functional groups on the adsorbent surface. The thermodynamic parameters of the adsorption process were evaluated, revealing that the free energy change ($\Delta G$) for MB adsorption was negative, indicating a spontaneous process. The van’t Hoff equation was utilized to calculate the enthalpy change ($\Delta H/R = -6167 \, \text{kg K/mol}$) and entropy change ($\Delta S/R = -17.3 \, \text{kg/mol}$), confirming the exothermic nature of the adsorption.
The study highlights the effectiveness of rice straw in removing MB dye from wastewater under varying operational conditions, including temperature and pH. It was found that the adsorption process is significantly influenced by these factors, with increased pH enhancing adsorption due to reduced competition from H⁺ ions, while higher temperatures led to decreased adsorption efficiency, consistent with the exothermic nature of the process. The research employed multiple isotherm models—Langmuir, Temkin, and Freundlich—demonstrating that the adsorption characteristics are sensitive to changes in pH and temperature. Overall, these findings provide valuable insights into the thermodynamics of dye adsorption and underscore the potential of rice straw as a cost-effective solution for wastewater treatment.