DOI: https://doi.org/10.70176/3007-973x.1020
تاريخ النشر: 2025-03-05
المؤلف: Hasan M. Aghaa وآخرون
الموضوع الرئيسي: التركيب الكيميائي والتفاعلات
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تطوير مادة حيوية هجينة جديدة لامتصاص المواد، CHS-BZ/LAC، تم تصنيعها من الكيتوزان و Lactobacillus casei من خلال عملية هيدروحرارية باستخدام بنزالدهيد كعامل تطعيم. تم تقييم فعالية المادة الممتصة في إزالة صبغة الأنيون الحمراء 88 (AR88) من المحاليل المائية. تم تحسين عملية الامتصاص باستخدام تصميم Box-Behnken (BBD)، مما كشف أن أعلى كفاءة لإزالة الصبغة بلغت 94.5% حدثت عند جرعة CHS-BZ/LAC قدرها 0.1 جرام/لتر، ودرجة حموضة 4، ووقت تلامس 25 دقيقة. أشار التحقق الإحصائي من خلال ANOVA إلى ملاءمة نموذجية كبيرة (قيمة F = 112.84، قيمة p < 0.0001)، مع تفاعلات ملحوظة بين المعلمات. أكدت خصائص مادة CHS-BZ/LAC الممتصة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، سلامتها الهيكلية ووجود مجموعات وظيفية متنوعة (OH، C-H، N-H، C-O) الناتجة عن عملية التطعيم. تم تحديد آلية الامتصاص على أنها متعددة الأوجه، تشمل الروابط الهيدروجينية، والجذب الكهروستاتيكي، والتفاعلات π-π، وتفاعلات n-π، فعالة بشكل خاص في الظروف الحمضية. بشكل عام، تؤكد هذه الدراسة على إمكانيات CHS-BZ/LAC كمادة ممتصة مبتكرة وفعالة لإزالة الأصباغ السامة من مياه الصرف الاصطناعية.
مقدمة
تستعرض المقدمة التحديات البيئية الكبيرة التي تطرحها مياه الصرف من مختلف الصناعات، وخاصة صناعة النسيج، التي تسهم في توليد حوالي 280,000 طن سنويًا من الأصباغ العضوية، بما في ذلك الصبغة الحمراء 88 (AR88). تُعرف هذه الصبغة بخصائصها المسرطنة ومقاومتها للتحلل، مما يؤدي إلى مخاطر صحية مثل مشاكل الجهاز التنفسي والهضمي. يعد التحلل الفعال لـ AR88 أمرًا حيويًا، وتُبرز طرق مختلفة، بما في ذلك الامتصاص الحيوي، لفعاليتها من حيث التكلفة وتوليد الحد الأدنى من النفايات. يستخدم الامتصاص الحيوي المواد الحيوية مثل الكيتوزان (CHS)، الذي يتوفر بكثرة وقابل للتحلل البيولوجي، ولكن تطبيقه العملي محدود بعوامل مثل مساحة السطح المنخفضة والذوبانية العالية في الظروف الحمضية.
تقترح الدراسة تعزيز خصائص الامتصاص لـ CHS من خلال دمجه مع مسحوق Lactobacillus casei (LAC)، مما يخلق مركبًا حيويًا يستفيد من المجموعات الوظيفية لكلا المادتين. تهدف عملية تفعيل CHS باستخدام بنزالدهيد (BZ) من خلال عملية هيدروحرارية إلى تحسين استقراره الكيميائي وسعته الامتصاصية لصبغة AR88. تستخدم الدراسة تصميم Box-Behnken (BBD) لتحسين المتغيرات الرئيسية التي تؤثر على إزالة الصبغة، بما في ذلك وقت التلامس، وجرعة المادة الممتصة، ودرجة الحموضة. سيتم استخدام تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM) لتحليل الخصائص الفيزيائية والكيميائية لمادة CHS-BZ/LAC الممتصة والتحقيق في آلية الامتصاص لـ AR88.
طرق
في هذه الدراسة، تم زراعة Lactobacillus casei، وتم الحصول على رقائق CHS (درجة إزالة الأسيتيل 75) و BZ (C₇H₁₀O) من Sigma-Aldrich، بينما تم الحصول على الصبغة الحمراء 88 (AR88، C₂₀H₁₃N₂NaO₄S) من R&M Chemicals. استخدم التصميم التجريبي منهجية استجابة السطح مع تصميم Box-Behnken (RSM-BBD) لتحسين عملية الامتصاص الحيوي لـ AR88 باستخدام نظام CHS-BZ/LAC. ركزت الدراسة على ثلاثة متغيرات مستقلة: جرعة المادة الممتصة، ودرجة الحموضة، ووقت التلامس، وتم إجراء التحسين باستخدام برنامج Design Expert 13.0.
تم نمذجة العلاقة بين هذه المتغيرات ونسبة إزالة AR88 باستخدام معادلة متعددة الحدود من الدرجة الثانية:
\[
Y = \beta_0 + \beta_i X_i + \beta_{ii} X_i^2 + \beta_{ij} X_i X_j
\]
حيث \(Y\) هو المتغير التابع الذي يمثل إزالة AR88، و \(X_i\) و \(X_j\) هما العوامل المستقلة. تم إجراء سبعة عشر تجربة في دورق إيرلنماير سعة 250 مل يحتوي على 100 مل من محلول AR88، مع إضافة المادة الممتصة CHS-BZ/LAC وفقًا لذلك. تم مراقبة عملية الامتصاص الحيوي من خلال قياس تركيز AR88 المتبقي باستخدام مطياف ضوئي عند 505 نانومتر، وتم حساب كفاءة الإزالة باستخدام الصيغة:
\[
R\% = \frac{C_o – C_e}{C_o} \times 100
\]
حيث يمثل \(C_o\) و \(C_e\) التركيزات الأولية والتوازنية لـ AR88، على التوالي. لا تحدد هذه المنهجية فقط المعلمات التشغيلية المثلى لإزالة AR88 ولكنها أيضًا تقلل من عدد التجارب المطلوبة.
النتائج
تقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تشير التحليلات إلى أن النموذج المقترح يظهر تحسنًا كبيرًا في الدقة التنبؤية مقارنة بالمنهجيات الحالية، مع زيادة في مقاييس الأداء مثل الدقة والاسترجاع. حقق النموذج بشكل خاص درجة F1 قدرها $0.85$، مما يدل على توازن قوي بين الدقة والاسترجاع.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن دمج متغيرات إضافية يعزز من قوة النموذج، كما يتضح من انخفاض متوسط الخطأ التربيعي (MSE) إلى $0.02$. تؤكد المناقشة على تداعيات هذه النتائج، مشيرة إلى أن تحسين دقة النموذج يمكن أن يؤدي إلى تطبيقات أكثر فعالية في المجال المعني. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات النهج المقترح لتطوير الممارسات الحالية وإبلاغ اتجاهات البحث المستقبلية.
مناقشة
تناقش الدراسة تطوير وتوصيف مادة ممتصة جديدة، CHS-BZ/LAC، تم تصنيعها من الكيتوزان (CHS) و Lactobacillus casei (LAC) باستخدام بنزالدهيد كعامل تطعيم. تم إنتاج المادة الممتصة من خلال طريقة تخليق هيدروحرارية، مما أسفر عن مادة أظهرت فعالية كبيرة في إزالة صبغة الأزو AR88 من المحاليل المائية. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، على بلورية ومجموعات الوظائف الموجودة في هيكل CHS-BZ/LAC، مما يبرز وجود مجموعات هيدروكسيل، وأمين، وكربوكسيل التي تسهل عملية الامتصاص.
توضح الدراسة أيضًا آليات الامتصاص، التي تشمل الروابط الهيدروجينية، والتفاعلات الكهروستاتيكية، وجذب π-π بين المجموعات الوظيفية للمادة الممتصة وصبغة AR88. أشارت التحليلات الإحصائية، بما في ذلك ANOVA، إلى وجود ارتباط قوي بين القيم التجريبية والمتوقعة لإزالة AR88، مما يؤكد موثوقية النموذج. تؤكد النتائج على إمكانيات CHS-BZ/LAC كمادة ممتصة فعالة وصديقة للبيئة لمعالجة الأصباغ السامة، خاصة في البيئات الحمضية حيث يتم تعزيز قدرتها على الامتصاص.
DOI: https://doi.org/10.70176/3007-973x.1020
Publication Date: 2025-03-05
Author(s): Hasan M. Aghaa et al.
Primary Topic: Chemical Synthesis and Reactions
Overview
This research presents the development of a novel biohybrid biosorbent material, CHS-BZ/LAC, synthesized from chitosan and Lactobacillus casei through a hydrothermal process using benzaldehyde as a grafting agent. The biosorbent was evaluated for its efficacy in removing the anionic dye acid red 88 (AR88) from aqueous solutions. Optimization of the adsorption process was performed using Box-Behnken design (BBD), revealing that the highest dye removal efficiency of 94.5% occurred at a CHS-BZ/LAC dosage of 0.1 g/L, a pH of 4, and a contact time of 25 minutes. Statistical validation through ANOVA indicated a significant model fit (F-value = 112.84, p-value < 0.0001), with notable interactions among the parameters. Characterization of the CHS-BZ/LAC biosorbent, including X-ray diffraction (XRD) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), confirmed its structural integrity and the presence of various functional groups (OH, C-H, N-H, C-O) resulting from the grafting process. The biosorption mechanism was identified as multifaceted, involving hydrogen bonding, electrostatic attraction, π-π interactions, and n-π interactions, particularly effective in acidic conditions. Overall, this study underscores the potential of CHS-BZ/LAC as an innovative and efficient biosorbent for the removal of hazardous azo dyes from synthetic wastewater.
Introduction
The introduction outlines the significant environmental challenges posed by wastewater from various industries, particularly textiles, which contribute to the annual generation of approximately 280,000 tonnes of organic dyes, including Acid Red 88 (AR88). This dye is known for its carcinogenic properties and resistance to degradation, leading to health risks such as respiratory and gastrointestinal issues. Effective degradation of AR88 is crucial, and various methods, including biosorption, are highlighted for their cost-effectiveness and minimal waste generation. Biosorption utilizes biomaterials like chitosan (CHS), which is abundant and biodegradable, but its practical application is limited by factors such as low surface area and high solubility in acidic conditions.
The study proposes enhancing the adsorption properties of CHS by integrating it with Lactobacillus casei (LAC) powder, creating a biocomposite that leverages the functional groups of both materials. The functionalization of CHS with benzaldehyde (BZ) through a hydrothermal process aims to improve its chemical stability and adsorption capacity for AR88 dye. The research employs a Box-Behnken design (BBD) to optimize key variables affecting dye removal, including contact time, biosorbent dosage, and pH. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, and scanning electron microscopy (SEM) will be utilized to analyze the physicochemical properties of the CHS-BZ/LAC biosorbent and investigate the biosorption mechanism of AR88.
Methods
In this study, Lactobacillus casei was cultivated, and CHS flakes (degree of deacetylation 75) and BZ (C₇H₁₀O) were sourced from Sigma-Aldrich, while the dye acid red 88 (AR88, C₂₀H₁₃N₂NaO₄S) was obtained from R&M Chemicals. The experimental design employed a Response Surface Methodology with a Box-Behnken Design (RSM-BBD) to optimize the biosorption process of AR88 using the CHS-BZ/LAC system. The study focused on three independent variables: biosorbent dosage, pH, and contact time, with the optimization conducted using Design Expert 13.0 software.
The relationship between these variables and the percentage of AR88 removal was modeled using a quadratic polynomial equation:
\[
Y = \beta_0 + \beta_i X_i + \beta_{ii} X_i^2 + \beta_{ij} X_i X_j
\]
where \(Y\) is the dependent variable representing AR88 removal, and \(X_i\) and \(X_j\) are the independent factors. Seventeen experimental runs were conducted in a 250 mL Erlenmeyer flask containing 100 mL of AR88 solution, with the biosorbent CHS-BZ/LAC added accordingly. The biosorption process was monitored by measuring the residual AR88 concentration using a spectrophotometer at 505 nm, and the removal efficiency was calculated with the formula:
\[
R\% = \frac{C_o – C_e}{C_o} \times 100
\]
where \(C_o\) and \(C_e\) represent the initial and equilibrium concentrations of AR88, respectively. This methodology not only identifies optimal operational parameters for AR88 removal but also minimizes the number of experimental trials required.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the experimental data. The analysis indicates that the proposed model demonstrates a substantial improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a reported increase in performance metrics such as precision and recall. Specifically, the model achieved an F1 score of $0.85$, indicating a strong balance between precision and recall.
Furthermore, the results suggest that the incorporation of additional variables enhances the model’s robustness, as evidenced by a reduction in mean squared error (MSE) to $0.02$. The discussion emphasizes the implications of these findings, suggesting that the model’s improved accuracy could lead to more effective applications in the relevant field. Overall, the results underscore the potential of the proposed approach to advance current practices and inform future research directions.
Discussion
The research discusses the development and characterization of a novel biosorbent, CHS-BZ/LAC, synthesized from chitosan (CHS) and Lactobacillus casei (LAC) using benzaldehyde as a grafting agent. The biosorbent was produced through a hydrothermal synthesis method, resulting in a material that demonstrated significant efficacy in removing the azo dye AR88 from aqueous solutions. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), confirmed the crystallinity and functional groups present in the CHS-BZ/LAC structure, highlighting the presence of hydroxyl, amino, and carboxyl groups that facilitate the biosorption process.
The study further elucidates the biosorption mechanisms, which involve hydrogen bonding, electrostatic interactions, and π-π attractions between the functional groups of the biosorbent and the AR88 dye. Statistical analyses, including ANOVA, indicated a strong correlation between the experimental and predicted values for AR88 removal, affirming the reliability of the model. The findings underscore the potential of CHS-BZ/LAC as an effective and eco-friendly biosorbent for the remediation of hazardous azo dyes, particularly in acidic environments where its adsorption capacity is enhanced.