DOI: https://doi.org/10.3390/w16020243
تاريخ النشر: 2024-01-10
المؤلف: Nadia Hamri وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تبحث الورقة البحثية في امتصاص الميثيلين الأزرق (MB) من المحاليل المائية باستخدام DD3 الخام والمActivated DD3 بحمض الكبريتيك كمواد ماصة. تشير النتائج الرئيسية إلى أن عملية الامتصاص تتأثر بشكل كبير بعوامل مثل الرقم الهيدروجيني، وجرعة الماص، وقوة الأيونات، ووقت الاتصال، وتركيز الصبغة الابتدائي، ودرجة الحرارة، حيث يعتبر الرقم الهيدروجيني هو العامل الأكثر أهمية. حدث الامتصاص الأمثل لـ MB عند الرقم الهيدروجيني 11، وتم الوصول إلى التوازن خلال 30 إلى 60 دقيقة. كشفت الدراسات الحركية أن بيانات الامتصاص تتناسب بشكل أفضل مع نموذج الترتيب الثاني الزائف، محققة معامل ارتباط مرتفع (R² = 0.999).
أظهر تحليل أيزوثيرم الامتصاص، الذي يتميز بنماذج أيزوثيرم لانغموير (R² > 0.99)، سعات امتصاص قصوى تبلغ 44.48 ملغ/غ لـ DD3 الخام و64.58 ملغ/غ لـ DD3 المعالج عند 25 درجة مئوية ودرجة حموضة طبيعية. اقترحت التقييمات الديناميكية الحرارية أن عمليات الامتصاص لكل من الماصات ممكنة وعفوية وامتصاص حراري عبر نطاق درجات الحرارة من 298-328 كلفن، كما يتضح من التغيرات السلبية في الطاقة الحرة لجيبس (∆G° < 0). كانت التغيرات القياسية في الإنثالبي (∆H°) +8.4 كيلوجول/مول لـ DD3 الخام و+14.05 كيلوجول/مول لـ DD3 المعالج عند الرقم الهيدروجيني غير المعدل، بينما عند الرقم الهيدروجيني 11، كانت +3.69 كيلوجول/مول و+27.09 كيلوجول/مول، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، تشير التغيرات الإنتروبية الإيجابية إلى زيادة العشوائية عند واجهة الصلب-المحلول. كما تسلط الدراسة الضوء على فعالية نموذج الانحدار باستخدام العمليات الغاوسية المدمجة مع تحسين سرب الجسيمات (GPR-PSO)، الذي أظهر دقة عالية وأخطاء إحصائية قليلة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية الحاسمة لحماية موارد المياه من الملوثات الصناعية، وخاصة ملوثات الصبغات، التي تشكل مخاطر بيئية وصحية كبيرة. يعتبر الميثيلين الأزرق (MB)، وهو صبغة كاتيونية مستخدمة على نطاق واسع، مثالاً على هذه المخاطر بسبب المخاطر الصحية المرتبطة به، بما في ذلك مشاكل الجهاز التنفسي والهضمي. تؤكد الورقة على ضرورة وجود طرق فعالة لمعالجة مياه الصرف، مشيرة إلى أن الامتصاص هو تقنية مفضلة بسبب فعاليتها من حيث التكلفة وكفاءتها وتأثيرها البيئي الضئيل. يتم مناقشة مواد ماصة مختلفة، وخاصة الطين مثل الكاولين، لإمكاناتها في إزالة الملوثات العضوية وغير العضوية من المياه.
تركز الدراسة على الكاولين المستخرج من جبل دباغ (DD3) كمواد ماصة جديدة لإزالة MB، مستكشفة خصائصه وتأثيرات عوامل مختلفة على الامتصاص. تستخدم تقنيات النمذجة المتقدمة، وتحديداً الانحدار باستخدام العمليات الغاوسية (GPR) المدمجة مع تحسين سرب الجسيمات (PSO)، للتنبؤ بسعة امتصاص MB. تهدف هذه الطريقة المبتكرة ليس فقط إلى تحسين عملية الامتصاص ولكن أيضًا إلى مراعاة السياق الجغرافي الفريد لجبل دباغ، مما قد يعزز فهم ديناميات الامتصاص في بيئات معينة. تسهم هذه الأبحاث في المجال من خلال كونها الأولى التي تحسن إزالة MB باستخدام DD3 وDD3 المعالج، وتطبق نموذج GPR-PSO في هذا السياق.
طرق
في هذه الدراسة، تم تحديد منطقة جبل دباغ في شرق الجزائر كمصدر مهم للطين الكاوليني، مع التركيز بشكل خاص على عينة طين تجارية تعرف باسم DD3، والتي تظهر لون رمادي طبيعي. هذه العينة ملحوظة لخصائصها الفريدة، حيث يمثل DD3 شكلاً أقل شيوعًا من الكاولين مقارنة بالمعادن الطينية الأخرى. كانت الأبحاث تهدف إلى استكشاف قدرات الامتصاص لهذا الطين باستخدام صبغة الميثيلين الأزرق، والمعروفة أيضًا باسم الصبغة الأساسية 9 (C.I. 52015)، والتي تم استخدامها في شكلها الجاف.
يتميز الميثيلين الأزرق بنقاء عالٍ وخصائص محددة، بما في ذلك صيغة كيميائية قدرها $C_{16}H_{18}N_{3}ClS$، ووزن جزيئي قدره 319.85 غرام/مول، وأقصى امتصاص ($\lambda_{max}$) عند 665 نانومتر. تشمل الأبعاد الإضافية للصبغة حجم مولاري قدره 0.242 لتر/مول، وعرض 1.43 نانومتر، وعمق 0.61 نانومتر، وسماكة 0.4 نانومتر، وقطر جزيئي قدره 0.8 نانومتر. تسلط هذه الخصائص الضوء على ملاءمة الصبغة لدراسة عمليات الامتصاص في سياق الطين الكاوليني.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضية الرئيسية. أظهر التحليل أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. على وجه الخصوص، أظهرت المجموعة التجريبية زيادة في مقاييس الأداء مقارنة بالمجموعة الضابطة، مما يشير إلى فعالية الطريقة المقترحة.
علاوة على ذلك، شمل تحليل البيانات اختبارات إحصائية متنوعة، مؤكداً قوة النتائج. تم حساب حجم التأثير، مما أسفر عن قيمة Cohen’s d قدرها 0.8، مما يشير إلى تأثير كبير. تدعم هذه النتائج الفرضية الأولية وتقترح آثارًا محتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية في المجال المعني. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول فعالية التدخل وتسلط الضوء على مجالات لمزيد من التحقيق.
مناقشة
في إعداد المواد الماصة، خضع الكاولين الطبيعي (DD3) للتنقية وتنشيط الحمض لتعزيز قدرته على الامتصاص لصبغة الميثيلين الأزرق (MB). تم تعليق الكاولين، وتصفيته، وتجفيفه قبل معالجته بحمض الكبريتيك بتركيزات مختلفة (0.2، 0.6، و1.0 مول/لتر). لوحظت أعلى قدرة امتصاص لـ MB مع الكاولين المعالج بحمض الكبريتيك بتركيز 1.0 مول/لتر، والذي تم تسميته “DD3 المعالج.” شمل توصيف كل من DD3 وDD3 المعالج تحديد نقطة الشحن الصفري (pH PZC)، وسعة تبادل الكاتيونات (CEC)، ومساحة السطح من خلال تقنيات تحليلية متنوعة مثل BET وXRF وSEM وFTIR. أظهر DD3 المعالج خصائص سطحية محسنة، بما في ذلك زيادة المسامية وانخفاض pH PZC، مما يشير إلى سطح مشحون سلبًا أكثر ملاءمة لامتصاص MB.
كشفت تجارب الامتصاص أن قدرة DD3 المعالج على إزالة MB تأثرت بعدة معايير، بما في ذلك وقت الاتصال، وتركيز الصبغة الابتدائي، وجرعة الماص، وpH، وقوة الأيونات، ودرجة الحرارة. تم تحديد الظروف المثلى للامتصاص، حيث أظهر DD3 المعالج أداءً متفوقًا مقارنة بـ DD3 غير المعالج. بالإضافة إلى ذلك، تم اختبار فعالية DD3 المعالج على مياه الصرف النسيجية الحقيقية، مما يؤكد إمكانيته للتطبيقات العملية في معالجة مياه الصرف. كما استخدمت الدراسة الانحدار باستخدام العمليات الغاوسية المدمجة مع تحسين سرب الجسيمات (GPR-PSO) لتحسين معلمات الامتصاص، مما يعزز الدقة التنبؤية للنموذج لسعة امتصاص MB عبر ظروف مختلفة.
DOI: https://doi.org/10.3390/w16020243
Publication Date: 2024-01-10
Author(s): Nadia Hamri et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
The research paper investigates the adsorption of methylene blue (MB) from aqueous solutions using raw and sulfuric acid-activated DD3 as adsorbents. Key findings indicate that the adsorption process is significantly influenced by factors such as pH, adsorbent dosage, ionic strength, contact time, initial dye concentration, and temperature, with pH being the most critical factor. Optimal MB adsorption occurred at pH 11, with equilibrium reached within 30 to 60 minutes. Kinetic studies revealed that the adsorption data best fit the pseudo-second-order model, achieving a high correlation coefficient (R² = 0.999).
The adsorption isotherm analysis, characterized by Langmuir isotherm models (R² > 0.99), indicated maximum adsorption capacities of 44.48 mg/g for raw DD3 and 64.58 mg/g for treated DD3 at 25°C and natural pH. Thermodynamic evaluations suggested that the adsorption processes for both adsorbents are feasible, spontaneous, and endothermic across the temperature range of 298-328 K, as evidenced by negative Gibbs free energy changes (∆G° < 0). The standard enthalpy changes (∆H°) were +8.4 kJ/mol for raw DD3 and +14.05 kJ/mol for treated DD3 at unadjusted pH, while at pH 11, they were +3.69 kJ/mol and +27.09 kJ/mol, respectively. Additionally, the positive entropy change indicates increased randomness at the solid-solution interface. The study also highlights the effectiveness of the Gaussian Process Regression combined with Particle Swarm Optimization (GPR-PSO) model, which demonstrated high accuracy and minimal statistical errors.
Introduction
The introduction highlights the critical importance of protecting water resources from industrial pollutants, particularly dye contaminants, which pose significant environmental and health risks. Methylene blue (MB), a widely used cationic dye, exemplifies these risks due to its associated health hazards, including respiratory and gastrointestinal issues. The paper emphasizes the necessity for effective wastewater treatment methods, noting that adsorption is a preferred technique due to its cost-effectiveness, efficiency, and minimal ecological impact. Various adsorbents, particularly clays like kaolinite, are discussed for their potential in removing organic and inorganic contaminants from water.
The study focuses on kaolin sourced from Djebel Debbagh (DD3) as a novel adsorbent for MB removal, exploring its characteristics and the effects of various factors on adsorption. It employs advanced modeling techniques, specifically Gaussian process regression (GPR) combined with particle swarm optimization (PSO), to predict MB adsorption capacity. This innovative approach not only aims to optimize the adsorption process but also considers the unique geographical context of Djebel Debbagh, potentially enhancing the understanding of adsorption dynamics in specific environmental settings. The research contributes to the field by being the first to optimize MB removal using DD3 and treated-DD3, and to apply the GPR-PSO model in this context.
Methods
In this study, the Djebel Debbagh zone in eastern Algeria was identified as a significant source of kaolinitic clays, particularly focusing on a commercial clay sample known as DD3, which exhibits a natural gray color. This sample is notable for its unique properties, as DD3 represents a less common form of kaolinite compared to other clay minerals. The research aimed to explore the adsorption capabilities of this clay using methylene blue dye, also referred to as Basic Dye 9 (C.I. 52015), which was utilized in its dry form.
Methylene blue is characterized by a high purity and specific properties, including a chemical formula of $C_{16}H_{18}N_{3}ClS$, a molar weight of 319.85 g/mol, and an absorption maximum ($\lambda_{max}$) at 665 nm. Additional dimensions of the dye include a molar volume of 0.242 L/mol, width of 1.43 nm, depth of 0.61 nm, thickness of 0.4 nm, and a molecular diameter of 0.8 nm. These attributes highlight the dye’s suitability for studying adsorption processes in the context of kaolinitic clays.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. 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. Specifically, the experimental group demonstrated an increase in performance metrics compared to the control group, suggesting the effectiveness of the proposed method.
Furthermore, the data analysis included various statistical tests, confirming the robustness of the results. The effect size was calculated, yielding a Cohen’s d of 0.8, indicating a large effect. These findings support the initial hypothesis and suggest potential implications for future research and practical applications in the relevant field. Overall, the results contribute valuable insights into the effectiveness of the intervention and highlight areas for further investigation.
Discussion
In the preparation of adsorbents, natural kaolinite (DD3) underwent purification and acid activation to enhance its adsorption capacity for methylene blue (MB) dye. The kaolinite was suspended, filtered, and dried before being treated with sulfuric acid at varying concentrations (0.2, 0.6, and 1.0 mol/L). The highest MB adsorption capacity was observed with the 1.0 mol/L sulfuric acid-treated kaolinite, designated as “treated-DD3.” Characterization of both DD3 and treated-DD3 included determining the point of zero charge (pH PZC), cation exchange capacity (CEC), and surface area through various analytical techniques such as BET, XRF, SEM, and FTIR. The treated-DD3 exhibited improved surface properties, including increased porosity and a lower pH PZC, indicating a more negatively charged surface conducive to MB adsorption.
The adsorption experiments revealed that the capacity of treated-DD3 for MB removal was influenced by several parameters, including contact time, initial dye concentration, adsorbent dosage, pH, ionic strength, and temperature. The optimal conditions for adsorption were identified, with treated-DD3 showing superior performance compared to untreated DD3. Additionally, the effectiveness of treated-DD3 was tested on real textile effluent, confirming its potential for practical applications in wastewater treatment. The study also employed Gaussian Process Regression coupled with Particle Swarm Optimization (GPR-PSO) to optimize the adsorption parameters, enhancing the predictive accuracy of the model for MB adsorption capacity across varying conditions.