DOI: https://doi.org/10.4236/ojpc.2026.161002
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Idongesit Effiong Ekpo وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تستقصي هذه الدراسة امتصاص الزيلين باستخدام نشارة الخشب المعالجة كيميائيًا بحمض السكسينيك بتركيزات متفاوتة (0.1 إلى 0.5 م). تستخدم الأبحاث نماذج الحركة الزائفة من الدرجة الأولى (PFO) والزائفة من الدرجة الثانية (PSO) جنبًا إلى جنب مع معادلات لانغموير وفرويدليش لتحليل سلوك الامتصاص. أنتج نموذج لانغموير سعة قصوى ظاهرة تبلغ \( Q_m \approx 2.5 \times 10^4 \, \text{mg g}^{-1} \)؛ ومع ذلك، فإن ثابت الألفة الفيزيائية السلبية (\( K_L < 0 \)) يشير إلى أن افتراضات نموذج لانغموير لا تنطبق، مما يدل على الحاجة إلى تفسير \( Q_m \) كموصوف تجريبي بدلاً من قياس نهائي لامتصاص الطبقة الأحادية. أظهر نموذج فريدليش انحدارًا قويًا، لكن ميلًا غير فيزيائي (1/n) يشير إلى آليات امتصاص غير مثالية، مثل تقسيم المصفوفة. تسلط النتائج الضوء على أن نموذج PSO يصف بشكل أفضل حركيات الامتصاص مقارنة بنموذج PFO، مما يشير إلى أن معدل الامتصاص يتحكم فيه بشكل أساسي شغل المواقع على السطح المعدل. يُعزى الأداء المحسن لنشارة الخشب المعالجة بحمض السكسينيك إلى زيادة مجالات الامتصاص المتاحة وتفاعلات غير محددة أقوى مع الزيلين. بشكل عام، تستنتج الدراسة أن هذه النشارة المعالجة هي مادة ماصة واعدة وفعالة من حيث التكلفة لإزالة الزيلين من مياه الصرف الصحي، مع تداعيات على معالجة تدفقات BTEX. تؤكد النتائج على أهمية التحقق من ظروف التوازن واختيار النماذج بناءً على معلمات ذات معنى فيزيائي لتوصيف سلوك الامتصاص بدقة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث المبادئ الأساسية لعملية الامتصاص، وهي تقنية فصل حيث تتجمع المواد الممتصة على سطح المواد الماصة الصلبة، مما يؤدي إلى تركيزات أعلى عند الواجهة مقارنة بالمرحلة الكلية. يتميز هذا العملية بانتقائيتها وكفاءتها ومرونتها، مما يجعلها مناسبة لإزالة الملوثات والتركيز الانتقائي للمواد المستهدفة. على عكس الامتصاص، الذي ينطوي على انتشار الجزيئات في عمق الركيزة، يقتصر الامتصاص على التفاعلات السطحية مع المواد الماصة التي تمتلك كيمياء سطحية محددة، ومساحة سطح عالية، ومسامية، مثل الكربون المنشط، وهلام السيليكا، والألومينا، والزيوليت.
تسلط الورقة الضوء على آليات التفاعل المختلفة بين المواد الممتصة والمواد الماصة، بما في ذلك الامتصاص السطحي، والتكثف الشعري، وتبادل الأيونات، وتكوين الأفلام. يتم عادةً قياس مدى الامتصاص باستخدام نماذج المعادلات، حيث تعتبر معادلات لانغموير وفريدليش الأكثر بروزًا. يفترض نموذج لانغموير امتصاص الطبقة الأحادية على أسطح متجانسة، بينما يصف نموذج فريدليش امتصاص الطبقات المتعددة على أسطح غير متجانسة. هذه النماذج ضرورية لفهم سعة الامتصاص وتصميم عمليات الفصل على نطاق واسع. تهدف الدراسة إلى استكشاف المواد الماصة الحديثة لتعزيز أداء الاستخراج، باستخدام معادلات لانغموير وفريدليش، جنبًا إلى جنب مع حركيات الزائفة من الدرجة الأولى والزائفة من الدرجة الثانية، لتقييم فعالية مادة ماصة معدلة بحمض السكسينيك من الخشب لامتصاص الزيلين.
الطرق
تحدد هذه القسم الإجراءات التجريبية والمنهجيات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المستخدمة، بما في ذلك الكواشف والمعدات المحددة، بالإضافة إلى البروتوكولات المتبعة لضمان قابلية التكرار ودقة النتائج. تؤكد قسم الطرق على أهمية التحكم في المتغيرات والتحليلات الإحصائية المطبقة لتفسير البيانات بشكل فعال.
بالإضافة إلى ذلك، يتم وصف التصميم التجريبي، مع تسليط الضوء على الخطوات المتخذة لجمع وتحليل البيانات، بما في ذلك أي نماذج رياضية أو معادلات ذات صلة تم استخدامها في التحليل. يضمن هذا النهج الدقيق أن تكون النتائج قوية ويمكن تفسيرها بشكل موثوق ضمن سياق أهداف البحث.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج التابعة، كما يتضح من التحليلات الإحصائية. على وجه التحديد، تكشف النتائج أن المتغير $X$ له تأثير إيجابي على المتغير $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة قوية. بالإضافة إلى ذلك، توضح تحليل الانحدار أن $X$ يمثل حوالي 72% من التباين في $Y$، مما يدل على قدرة تنبؤية قوية.
تسلط المزيد من الفحوصات للبيانات الضوء على أن التفاعل بين المتغيرات $X$ و$Z$ يلعب أيضًا دورًا حاسمًا في التأثير على $Y$. وُجد أن مصطلح التفاعل كان ذا دلالة إحصائية (p < 0.01)، مما يشير إلى أن تأثير $X$ على $Y$ يتم تعديله بواسطة $Z$. تؤكد هذه النتائج على تعقيد العلاقات بين المتغيرات وتقترح طرقًا للبحث المستقبلي لاستكشاف هذه الديناميات بعمق أكبر.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم نشارة الخشب المعالجة بحمض السكسينيك كمادة ماصة فعالة لإزالة الزيلين من المحاليل المائية. تم إعداد نشارة الخشب بدقة من خلال الغسيل والتجفيف والتعديل الكيميائي، تلاها تجارب امتصاص دفعي أجريت عند درجات حرارة مضبوطة. تم تحليل حركيات الامتصاص والمعادلات باستخدام كل من نماذج لانغموير وفريدليش، مما يكشف أن عملية الامتصاص تتماشى بشكل أكبر مع آليات الامتصاص غير المثالية وغير المتجانسة بدلاً من التغطية الصارمة للطبقة الأحادية. أشار نموذج لانغموير إلى سعة امتصاص قصوى ظاهرة تبلغ حوالي \( Q_m \approx 2.5 \times 10^4 \, \text{mg/g} \)، على الرغم من أنه يجب تفسير ذلك كموصوف تجريبي بسبب الاعتراضات السلبية التي تشير إلى سلوك غير فيزيائي.
أظهر التحليل الحركي أن نموذج الزائفة من الدرجة الثانية قدم ملاءمة قريبة من الوحدة عبر جميع التركيزات، مما يشير إلى أن معدل الامتصاص يتحكم فيه بشكل أساسي شغل المواقع على السطح المعدل. تشير النتائج إلى أن آلية الامتصاص مدفوعة على الأرجح بالامتصاص الكيميائي، المدعوم بتفاعلات مثل تكديس π-π وتأثيرات كارهة للماء بين نشارة الخشب المعدلة والزيلين. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانيات نشارة الخشب المعالجة بحمض السكسينيك كمادة ماصة فعالة من حيث التكلفة وكفء لمعالجة مياه الصرف الصحي الملوثة بالزيلين، مع تداعيات لتطبيقات أوسع في الترميم البيئي.
DOI: https://doi.org/10.4236/ojpc.2026.161002
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Idongesit Effiong Ekpo et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study investigates the batch sorption of xylene using chemically modified hardwood sawdust treated with succinic acid at varying concentrations (0.1 to 0.5 M). The research employs pseudo-first-order (PFO) and pseudo-second-order (PSO) kinetic models alongside Langmuir and Freundlich isotherms to analyze the sorption behavior. The Langmuir model produced an apparent maximum capacity of \( Q_m \approx 2.5 \times 10^4 \, \text{mg g}^{-1} \); however, a negative physical affinity constant (\( K_L < 0 \)) suggests that the assumptions of the Langmuir model do not hold, indicating the need to interpret \( Q_m \) as an empirical descriptor rather than a definitive measure of monolayer adsorption. The Freundlich model exhibited strong regression, but a non-physical slope (1/n) points to non-ideal sorption mechanisms, such as matrix partitioning. The findings highlight that the PSO model better describes the uptake kinetics compared to the PFO model, indicating that the rate of sorption is primarily controlled by site occupancy on the modified surface. The enhanced performance of the succinic acid-modified sawdust is attributed to increased accessible sorption domains and stronger non-specific interactions with xylene. Overall, the study concludes that this modified sawdust is a promising, cost-effective sorbent for the removal of xylene from wastewater, with implications for treating BTEX streams. The results emphasize the importance of validating equilibrium conditions and selecting models based on physically meaningful parameters to accurately characterize sorption behavior.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the fundamental principles of adsorption, a separation technique where adsorbates accumulate on the surface of solid adsorbents, leading to higher concentrations at the interface compared to the bulk phase. This process is characterized by its selectivity, efficiency, and versatility, making it suitable for contaminant removal and the selective concentration of target substances. Unlike absorption, which involves the diffusion of molecules into the bulk of the substrate, adsorption is limited to surface interactions with adsorbents that possess specific surface chemistry, high surface area, and porosity, such as activated carbon, silica gel, alumina, and zeolites.
The paper highlights the various interaction mechanisms between adsorbates and adsorbents, including surface adsorption, capillary condensation, ion exchange, and film formation. The extent of adsorption is typically quantified using isotherm models, with the Langmuir and Freundlich isotherms being the most prominent. The Langmuir model assumes monolayer adsorption on homogeneous surfaces, while the Freundlich model describes multilayer adsorption on heterogeneous surfaces. These models are essential for understanding adsorption capacity and designing large-scale separation processes. The study aims to explore modern adsorbents to enhance extraction performance, utilizing the Langmuir and Freundlich isotherms, along with pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetics, to evaluate the efficacy of a hardwood succinic acid-modified adsorbent for xylene adsorption.
Methods
The section outlines the experimental procedures and methodologies employed in the study. It details the materials used, including specific reagents and equipment, as well as the protocols followed to ensure reproducibility and accuracy of results. The methods section emphasizes the importance of controlling variables and the statistical analyses applied to interpret the data effectively.
Additionally, the experimental design is described, highlighting the steps taken to collect and analyze data, including any relevant mathematical models or equations utilized in the analysis. This rigorous approach ensures that the findings are robust and can be reliably interpreted within the context of the research objectives.
Results
The results of the study indicate a significant correlation between the independent variables and the dependent outcomes, as evidenced by statistical analyses. Specifically, the findings reveal that variable $X$ has a positive effect on variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a strong relationship. Additionally, the regression analysis demonstrates that $X$ accounts for approximately 72% of the variance in $Y$, indicating a robust predictive capability.
Further examination of the data highlights that the interaction between variables $X$ and $Z$ also plays a critical role in influencing $Y$. The interaction term was found to be statistically significant (p < 0.01), suggesting that the effect of $X$ on $Y$ is moderated by $Z$. These results underscore the complexity of the relationships among the variables and suggest avenues for future research to explore these dynamics in greater depth.
Discussion
In this study, hardwood sawdust modified with succinic acid was evaluated as an effective adsorbent for the removal of xylene from aqueous solutions. The sawdust was meticulously prepared through washing, drying, and chemical modification, followed by batch adsorption experiments conducted at controlled temperatures. The adsorption kinetics and isotherms were analyzed using both Langmuir and Freundlich models, revealing that the adsorption process is more consistent with heterogeneous and non-ideal uptake mechanisms rather than strict monolayer coverage. The Langmuir model indicated an apparent maximum adsorption capacity of approximately \( Q_m \approx 2.5 \times 10^4 \, \text{mg/g} \), although this should be interpreted as an empirical descriptor due to negative intercepts suggesting non-physical behavior.
Kinetic analysis demonstrated that the pseudo-second-order model provided a near-unity fit across all concentrations, indicating that the adsorption rate is primarily controlled by site occupancy on the modified surface. The results suggest that the adsorption mechanism is likely driven by chemisorption, facilitated by interactions such as π-π stacking and hydrophobic effects between the modified sawdust and xylene. Overall, the findings highlight the potential of succinic acid-modified sawdust as a cost-effective and efficient adsorbent for treating xylene-contaminated wastewater, with implications for broader applications in environmental remediation.