DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37321-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41702967
تاريخ النشر: 2026-02-17
المؤلف: Hamdy F. M. Mohamed وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة فعالية المواد الممتصة منخفضة التكلفة المستمدة من النفايات الزراعية، وبشكل خاص قشور الموز (BP) وهيدروكسيد النيكل والكالسيوم والحديد المزدوج الطبقات (LDH)، لإزالة صبغة الكريستال البنفسجي (CV) من المحاليل المائية. باستخدام تصميم تجريبي من نوع تاجوتشي، تحدد الدراسة الظروف المثلى لعملية الامتصاص، كاشفة أن الرقم الهيدروجيني، وجرعة الممتص، وتركيز الصبغة الابتدائي تؤثر بشكل كبير على كفاءة الإزالة. تحت الظروف المثلى (pH 9، جرعة الممتص 0.1 غم/لتر، زمن الاتصال 120 دقيقة)، حقق المركب BP/LDH كفاءة إزالة ملحوظة تبلغ 95.2%، مقارنة بـ 66.0% لقشور الموز و82.4% لـ LDH.
كانت حركيات الامتصاص موصوفة بشكل أفضل بواسطة نموذج الترتيب الثاني الزائف، مما يشير إلى آلية كيميائية، بينما تناسب بيانات التوازن بشكل جيد مع نماذج الإيزوثيرم فريدنليخ، ولانغموير، وتمكين، مما أسفر عن سعات امتصاص قصوى تبلغ 39.16، 81.10، و187.40 ملغم/غم لقشور الموز، وLDH، وBP/LDH، على التوالي. أشار التحليل الديناميكي الحراري إلى أن الامتصاص على قشور الموز وBP/LDH كان تلقائيًا وطاردًا للحرارة، بينما كان الامتصاص على LDH ماصًا للحرارة. كما أظهرت الدراسة قابلية إعادة استخدام المركب BP/LDH، حيث حافظ على كفاءة إزالة تبلغ 80.0% بعد أربع دورات. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن المركب BP/LDH هو مادة ممتصة واعدة ومستدامة لمعالجة مياه الصرف الملوثة بالأصباغ، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في سيناريوهات مياه الصرف الحقيقية ولإزالة ملوثات متعددة.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في دراستهم حول امتصاص صبغة الكريستال البنفسجي (CV) من المحاليل المائية. تشمل المواد الكيميائية المستخدمة هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، وحمض الهيدروكلوريك (HCl)، ونترات الحديد غير المائية (Fe(NO₃)₃•9H₂O)، ونترات الكالسيوم سداسية الماء (Ca(NO₃)₂•6H₂O)، ونترات النيكل سداسية الماء (Ni(NO₃)₂•6H₂O)، جميعها مستمدة من موردين موثوقين وتم استخدامها دون مزيد من التنقية. تم استخدام الماء المقطر لتحضير جميع المحاليل المائية.
تضمنت الإجراءات التجريبية اختبارات امتصاص دفعي حيث تم دمج 25 مل من محلول CV بتركيز ابتدائي قدره 20 جزء في المليون مع كمية محددة مسبقًا من الممتص وتم تحريكه عند 25 درجة مئوية لمدة 300 دقيقة. بعد مرحلة الامتصاص، تم فصل المواد الممتصة الصلبة عبر الطرد المركزي، وتم قياس تركيز CV المتبقي باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية. تم حساب كفاءة الإزالة (R، %) وسعة الامتصاص عند التوازن (qₑ، ملغم/غم) باستخدام المعادلات \( R\% = \frac{C_i – C_e}{C_i} \times 100 \) و \( q_e = \frac{(C_i – C_e) \cdot V}{m} \)، حيث يمثل \( C_i \) و \( C_e \) تركيزات الصبغة الابتدائية والتوازن، على التوالي، و \( V \) هو حجم المحلول، و \( m \) هو كتلة الممتص.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضيات الرئيسية التي تم اختبارها. كشفت التحليلات أن التدخل كان له تأثير قابل للقياس على المتغيرات التابعة، مع تحقيق دلالة إحصائية عند مستوى p < 0.05. على وجه الخصوص، أظهرت مجموعة العلاج تحسنًا ملحوظًا في النتائج مقارنة بمجموعة التحكم، مما يشير إلى أن الاستراتيجيات المنفذة عالجت بفعالية الأسئلة البحثية المطروحة. علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج ضمن السياق الأوسع للمجال. تدعم النتائج الإطار النظري الذي تم تأسيسه في الأدبيات السابقة، مما يعزز الفكرة القائلة بأن التدخل يمكن أن يؤدي إلى تحسين الأداء أو السلوك في السكان المستهدفين. تم الاعتراف بحدود الدراسة، وتم اقتراح اتجاهات بحثية مستقبلية لاستكشاف الآليات الأساسية والآثار المحتملة طويلة الأمد للتدخل.
مناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل تحضير وتوصيف قشور الموز المنشطة (BP) ومركبها مع هيدروكسيد مزدوج الطبقات (LDH)، جنبًا إلى جنب مع تحسين استخدامها لامتصاص صبغة الكريستال البنفسجي (CV). تم تنشيط قشور الموز باستخدام محلول 1 م من NaOH لتعزيز خصائصها الامتصاصية، تلاها التجفيف والطحن. تم تخليق LDH من خلال الترسيب المشترك، وتم تشكيل مركب BP/LDH عن طريق خلط مسحوق قشر الموز المنشط مع LDH. تم استخدام تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD)، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM)، ومطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) لتحليل الخصائص الهيكلية والشكلية للممتصات. من الجدير بالذكر أن صور SEM كشفت عن هيكل مسامي لقشور الموز وشكل طبقي لـ LDH، حيث أظهر مركب BP/LDH توزيعًا موحدًا لبلورات LDH، مما يُتوقع أن يعزز امتصاص الصبغة.
استخدمت دراسات الامتصاص طريقة تاجوتشي لتحسين الظروف لإزالة صبغة CV، مع التركيز على معايير مثل الرقم الهيدروجيني، وجرعة الممتص، ودرجة الحرارة، وزمن الاتصال. أظهرت النتائج أن الظروف المثلى لقشور الموز وBP/LDH كانت عند pH 9، وزمن اتصال 120 دقيقة، وجرعة 0.1 غم/لتر، محققة كفاءات إزالة بلغت 65.94% و94.15%، على التوالي. في المقابل، أظهر LDH أداءً مثاليًا عند درجة حرارة أعلى تبلغ 55 درجة مئوية. أبرز التحليل الإحصائي من خلال ANOVA أن الرقم الهيدروجيني أثر بشكل كبير على أداء الامتصاص لـ BP وBP/LDH، بينما كان زمن الاتصال أكثر أهمية لـ LDH. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية مركب BP/LDH في تعزيز إزالة صبغة CV، ويعزى ذلك إلى تحسين مساحته السطحية والتفاعلات الهيكلية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37321-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41702967
Publication Date: 2026-02-17
Author(s): Hamdy F. M. Mohamed et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study explores the efficacy of low-cost adsorbents derived from agricultural waste, specifically banana peels (BP) and a Ni-Ca-Fe layered double hydroxide (LDH), for the removal of the cationic dye crystal violet (CV) from aqueous solutions. Utilizing the Taguchi experimental design, the research identifies optimal conditions for adsorption, revealing that pH, adsorbent dose, and initial dye concentration significantly influence removal efficiency. Under optimal conditions (pH 9, adsorbent dosage 0.1 g/L, contact time 120 min), the BP/LDH composite achieved a remarkable CV removal efficiency of 95.2%, compared to 66.0% for BP and 82.4% for LDH.
The adsorption kinetics were best described by the pseudo-second-order model, indicating a chemisorption mechanism, while equilibrium data fit well with the Freundlich, Langmuir, and Temkin isotherm models, yielding maximum adsorption capacities of 39.16, 81.10, and 187.40 mg/g for BP, LDH, and BP/LDH, respectively. Thermodynamic analysis indicated that the adsorption onto BP and BP/LDH was spontaneous and exothermic, whereas that onto LDH was endothermic. The study also demonstrated the BP/LDH composite’s reusability, maintaining an 80.0% removal efficiency after four cycles. Overall, the findings suggest that the BP/LDH composite is a promising, sustainable adsorbent for dye-contaminated wastewater treatment, warranting further investigation in real wastewater scenarios and for the removal of multiple contaminants.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods utilized for their study on the adsorption of crystal violet (CV) dye from aqueous solutions. The chemicals employed include sodium hydroxide (NaOH), hydrochloric acid (HCl), ferric nitrate nonahydrate (Fe(NO₃)₃•9H₂O), calcium nitrate hexahydrate (Ca(NO₃)₂•6H₂O), and nickel nitrate hexahydrate (Ni(NO₃)₂•6H₂O), all sourced from reputable suppliers and used without further purification. Distilled water was utilized for preparing all aqueous solutions.
The experimental procedure involved batch adsorption tests where 25 mL of CV solution at an initial concentration of 20 ppm was combined with a predetermined amount of adsorbent and stirred at 25 °C for 300 minutes. Following the adsorption phase, the solid adsorbents were separated via centrifugation, and the remaining CV concentration was measured using a UV-Vis spectrophotometer. The removal efficiency (R, %) and equilibrium adsorption capacity (qₑ, mg/g) were calculated using the equations \( R\% = \frac{C_i – C_e}{C_i} \times 100 \) and \( q_e = \frac{(C_i – C_e) \cdot V}{m} \), where \( C_i \) and \( C_e \) represent the initial and equilibrium dye concentrations, respectively, \( V \) is the solution volume, and \( m \) is the adsorbent mass.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses tested. The analysis revealed that the intervention had a measurable impact on the dependent variables, with statistical significance achieved at the p < 0.05 level. Specifically, the treatment group demonstrated a notable improvement in outcomes compared to the control group, suggesting that the implemented strategies effectively addressed the research questions posed. Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings within the broader context of the field. The results support the theoretical framework established in previous literature, reinforcing the notion that the intervention can lead to enhanced performance or behavior in the targeted population. Limitations of the study are acknowledged, and future research directions are proposed to further explore the underlying mechanisms and potential long-term effects of the intervention.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of activated banana peels (BP) and their composite with layered double hydroxide (LDH) are detailed, alongside the optimization of their use for the adsorption of crystal violet (CV) dye. The banana peels were activated using a 1 M NaOH solution to enhance their adsorption properties, followed by drying and grinding. The LDH was synthesized through co-precipitation, and the BP/LDH composite was formed by mixing activated banana peel powder with LDH. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) were employed to analyze the structural and morphological properties of the adsorbents. Notably, the SEM images revealed a porous structure for BP and a layered morphology for LDH, with the BP/LDH composite exhibiting a uniform distribution of LDH crystals, which is expected to enhance dye adsorption.
The adsorption studies utilized the Taguchi method to optimize conditions for CV dye removal, focusing on parameters such as pH, adsorbent dosage, temperature, and contact time. The results indicated that the optimal conditions for BP and BP/LDH were a pH of 9, a contact time of 120 minutes, and a dosage of 0.1 g/L, achieving removal efficiencies of 65.94% and 94.15%, respectively. In contrast, LDH showed optimal performance at a higher temperature of 55 °C. Statistical analysis through ANOVA highlighted that pH significantly influenced the adsorption performance of BP and BP/LDH, while contact time was more critical for LDH. Overall, the findings underscore the effectiveness of the BP/LDH composite in enhancing CV dye removal, attributed to its improved surface area and structural interactions.