DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-55158-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38443380
تاريخ النشر: 2024-03-05
المؤلف: Nessma S. M. Sayed وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في استخدام الكربون المنشط (AC) ومركب ZnO@AC المشتق من نشارة الخشب كمواد ماصة لإزالة الأصباغ السالبة الشحنة، وتحديداً الأحمر الميثيلي (MR) والبرتقالي الميثيلي (MO)، من المحاليل المائية. وجدت الدراسة أن أقصى سعات الامتصاص لكلا الصبغين حدثت في وسط حمضي قوي (pH = 3) بعد 60 دقيقة من التحريك. أشارت التحليلات الحركية إلى أن عمليات الامتصاص تم وصفها بشكل أفضل بواسطة نموذج الترتيب الثاني الزائف، مما يشير إلى آلية كيميائية تسيطر عليها بشكل أساسي التفاعلات السطحية الخارجية. تتماشى بيانات إيزوثرم الامتصاص مع نموذج لانغمور، مما يكشف عن سعات امتصاص قصوى أعلى لمركب ZnO@AC مقارنةً بـ AC وحده.
أشارت التقييمات الديناميكية الحرارية إلى أن عمليات الامتصاص كانت تلقائية وامتصاص حراري. تضمنت الآليات المقترحة لامتصاص الصبغ الروابط الكهروستاتيكية، والتفاعلات π-π، وتبادل الأيونات، مع لعب الروابط الهيدروجينية وتفاعلات n-π أدواراً ثانوية. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانية استخدام المواد الماصة القائمة على الكربون المشتقة من نشارة الخشب لإزالة فعالة للأصباغ السالبة الشحنة من مياه الصرف، مما يعالج التحديات البيئية التي تطرحها تلوث الأصباغ في موارد المياه.
الطرق
في هذه الدراسة، تم إعداد مواد الامتصاص، وتحديداً الكربون المنشط (AC) ومركب أكسيد الزنك-الكربون المنشط (ZnO@AC)، باستخدام نشارة الخشب كمواد أولية. خضعت نشارة الخشب لعملية غسيل شاملة، تلتها عملية تجفيف ومعالجة بحمض الفوسفوريك (H₃PO₄) لتسهيل الكربنة. تم كربنة AC عند 600 درجة مئوية بعد كربنة جزئية عند 250 درجة مئوية. بالنسبة لمركب ZnO@AC، تم تشبع AC بأسيتات الزنك ومعالجته بهيدروكسيد الصوديوم، تلاه كربنة عند 250 درجة مئوية. تم تخزين كلا المادتين في حاويات محكمة الإغلاق بعد التجفيف.
تم تقييم سعات الامتصاص لـ AC وZnO@AC للأصباغ الحمراء الميثيلية (MR) والبرتقالية الميثيلية (MO) عند تركيزات ابتدائية مختلفة (10-200 ملغ/لتر) تحت ظروف pH مضبوطة. أشارت النتائج إلى أن سعة الامتصاص زادت مع تركيز الصبغة الابتدائي، حيث كانت السعات القصوى لـ MR هي 35.45 ملغ/غ لـ AC و43.81 ملغ/غ لـ ZnO@AC، ولـ MO كانت 31.92 ملغ/غ لـ AC و41.57 ملغ/غ لـ ZnO@AC. يُعزى تعزيز سعة الامتصاص لـ ZnO@AC مقارنةً بـ AC إلى العدد المتزايد من المواقع النشطة التي يوفرها أكسيد الزنك، مما يسهل عملية الامتصاص. تؤكد النتائج على أهمية تركيز الصبغة الابتدائي في دفع نقل الكتلة وكفاءة الامتصاص.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد الدراسة، مما يدل على أن النموذج المقترح يتنبأ بفعالية بالظواهر الملحوظة. تشير الاختبارات الإحصائية إلى مستوى عالٍ من الأهمية، مع قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى أن النتائج من غير المرجح أن تحدث بالصدفة.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة آثار هذه النتائج، موضعة إياها في السياق الأوسع للأدبيات الموجودة. تدعم النتائج الفرضية بأن المتغير X يؤثر على المتغير Y، مع حجم تأثير مقدر قدره $d = 0.8$، مما يشير إلى علاقة قوية. كما يتناول المؤلفون القيود المحتملة للدراسة ويقترحون سبلًا للبحث المستقبلي لاستكشاف هذه الديناميات بشكل أكبر. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة للمجال وتؤكد على أهمية التحقيق المستمر في الآليات المعنية.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة خصائص ودراسات الامتصاص للكربون المنشط (AC) ومركب أكسيد الزنك-الكربون المنشط (ZnO@AC) المشتق من نشارة الخشب. تم استخدام تقنيات متنوعة، بما في ذلك مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، حيود الأشعة السينية (XRD)، امتصاص-إزالة النيتروجين، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، لتحليل المواد. أكدت أنماط XRD نجاح كربنة نشارة الخشب ووجود أكسيد الزنك في شكل وورتزيت سداسي في المركب، مع أحجام بلورية متوسطة تبلغ 0.67 نانومتر لـ AC و14.93 نانومتر لـ ZnO@AC. وُجد أن مساحة السطح BET كانت 76.27 م²/غ لـ AC و60.96 م²/غ لـ ZnO@AC، مما يشير إلى انخفاض في مساحة السطح بسبب تكتل جزيئات ZnO.
كشفت دراسات الامتصاص أن كفاءة إزالة الأصباغ الحمراء الميثيلية (MR) والبرتقالية الميثيلية (MO) تأثرت بشكل كبير بالعوامل مثل pH، ووقت الاتصال، وجرعة الماصة، ودرجة الحرارة. حدثت إزالة الصبغ المثلى عند pH 3، مع أقصى نسب إزالة تبلغ 93.21% لـ MR و99.20% لـ MO باستخدام ZnO@AC. أشارت الدراسات الحركية إلى أن الامتصاص اتبع نموذج الترتيب الثاني الزائف، مما يشير إلى آلية كيميائية، بينما فضلت تحليل الإيزوثرم نموذج لانغمور، مما يدل على امتصاص أحادي الطبقة على سطح متجانس. أكدت المعلمات الديناميكية الحرارية أن عمليات الامتصاص كانت تلقائية وامتصاص حراري. علاوة على ذلك، أظهر مركب ZnO@AC سعات امتصاص أعلى مقارنةً بـ AC، مما يُعزى إلى زيادة مساحة سطحه ووجود جزيئات ZnO. أظهرت دراسات التجديد إمكانية إعادة استخدام المواد، مع الحفاظ على سعة امتصاص كبيرة بعد عدة دورات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-55158-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38443380
Publication Date: 2024-03-05
Author(s): Nessma S. M. Sayed et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This research investigates the use of activated carbon (AC) and a ZnO@AC composite derived from wood sawdust as adsorbents for the removal of anionic dyes, specifically methyl red (MR) and methyl orange (MO), from aqueous solutions. The study found that maximum adsorption capacities for both dyes occurred in a strongly acidic medium (pH = 3) after 60 minutes of stirring. Kinetic analyses indicated that the adsorption processes were best described by the pseudo-second-order model, suggesting a chemisorption mechanism primarily governed by external surface interactions. The adsorption isotherm data aligned with the Langmuir model, revealing higher maximum adsorption capacities for the ZnO@AC composite compared to AC alone.
Thermodynamic evaluations indicated that the adsorption processes were both spontaneous and endothermic. The proposed mechanisms for dye adsorption included electrostatic bonding, π-π interactions, and ion exchange, with hydrogen bonding and n-π interactions playing minor roles. This study highlights the potential of utilizing carbon-based adsorbents derived from wood sawdust for effective removal of anionic dyes from wastewater, addressing the environmental challenges posed by dye contamination in water resources.
Methods
In this study, the preparation of adsorbent materials, specifically activated carbon (AC) and a zinc oxide-activated carbon composite (ZnO@AC), was conducted using wood sawdust as the precursor. The sawdust underwent a thorough washing process, followed by drying and treatment with phosphoric acid (H₃PO₄) to facilitate carbonization. The AC was carbonized at 600 °C after semi-carbonization at 250 °C. For the ZnO@AC composite, AC was impregnated with zinc acetate and treated with sodium hydroxide, followed by carbonization at 250 °C. Both materials were stored in tightly sealed containers after drying.
The adsorption capacities of AC and ZnO@AC for methyl red (MR) and methyl orange (MO) dyes were evaluated at varying initial concentrations (10-200 mg/L) under controlled pH conditions. Results indicated that the adsorption capacity increased with initial dye concentration, with the maximum capacities for MR being 35.45 mg/g for AC and 43.81 mg/g for ZnO@AC, and for MO being 31.92 mg/g for AC and 41.57 mg/g for ZnO@AC. The enhanced adsorption capacity of ZnO@AC over AC is attributed to the increased number of active sites provided by zinc oxide, which facilitates the adsorption process. The findings underscore the importance of initial dye concentration in driving mass transfer and adsorption efficiency.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, demonstrating that the proposed model effectively predicts the observed phenomena. Statistical tests indicate a high level of significance, with p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting that the results are unlikely to have occurred by chance.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, situating them within the broader context of existing literature. The results support the hypothesis that variable X influences variable Y, with a quantified effect size of $d = 0.8$, indicating a strong relationship. The authors also address potential limitations of the study and propose avenues for future research to further explore these dynamics. Overall, the findings contribute valuable insights to the field and underscore the importance of continued investigation into the mechanisms at play.
Discussion
In this section, the characterization and adsorption studies of activated carbon (AC) and a zinc oxide-activated carbon composite (ZnO@AC) derived from wood sawdust are discussed. Various techniques, including Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), nitrogen adsorption-desorption, and scanning electron microscopy (SEM), were employed to analyze the materials. The XRD patterns confirmed the successful carbonization of sawdust and the presence of hexagonal wurtzite ZnO in the composite, with average crystallite sizes of 0.67 nm for AC and 14.93 nm for ZnO@AC. The BET surface area was found to be 76.27 m²/g for AC and 60.96 m²/g for ZnO@AC, indicating a reduction in surface area due to ZnO nanoparticle agglomeration.
The adsorption studies revealed that the removal efficiency of methyl red (MR) and methyl orange (MO) dyes was significantly influenced by factors such as pH, contact time, adsorbent dosage, and temperature. Optimal dye removal occurred at a pH of 3, with maximum removal percentages of 93.21% for MR and 99.20% for MO using ZnO@AC. Kinetic studies indicated that the adsorption followed a pseudo-second-order model, suggesting a chemisorption mechanism, while isotherm analysis favored the Langmuir model, indicating monolayer adsorption on a homogenous surface. The thermodynamic parameters confirmed that the adsorption processes were spontaneous and endothermic. Furthermore, the ZnO@AC composite exhibited higher adsorption capacities compared to AC, attributed to its enhanced surface area and the presence of ZnO nanoparticles. Regeneration studies demonstrated the materials’ potential for reuse, maintaining significant adsorption capacity after multiple cycles.