Adsorción de azul de metileno a partir de aguas residuales industriales textiles utilizando carbón activado desarrollado en la planta Rumex abyssinicus

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 5427 (2023) Citar este artículo

2465 Accesos

4 citas

1 altmétrica

Detalles de métricas

El azul de metileno (MB) se encuentra abundantemente en los efluentes industriales textiles, lo que puede causar graves problemas de salud para la ecología pública y ambiental. Por lo tanto, este estudio tuvo como objetivo eliminar MB de las aguas residuales textiles utilizando el carbón activado desarrollado a partir de Rumex abyssinicus. El adsorbente se activó mediante métodos químicos y térmicos, y luego se caracterizó mediante SEM, FTIR, BET, XRD y carga de punto cero de pH (pHpzc). También se investigaron la isoterma y la cinética de adsorción. El diseño experimental estuvo compuesto por cuatro factores en tres niveles (pH (3, 6 y 9), concentración inicial de MB (100, 150 y 200 mg/L), dosis de adsorbente (20, 40 y 60 mg/100 mL). ) y tiempo de contacto (20, 40 y 60 min)). La interacción de adsorción se evaluó utilizando la metodología de superficie de respuesta. La caracterización de un carbón activado Rumex abyssinicus encontró que tiene múltiples grupos funcionales (FTIR), una estructura amorfa (XRD), grieta con morfología hacia arriba y hacia abajo (SEM), pHpzc de 5.03 y una superficie específica BET alta de 2522 m2. /gramo. La optimización de la eliminación del tinte MB se llevó a cabo utilizando la metodología Response Surface junto con el enfoque Box Behnken. La eficiencia de eliminación máxima del 99,9% se registró en condiciones óptimas de pH 9, concentración de MB de 100 mg/L, dosis de adsorbente de 60 mg/100 mL y tiempo de contacto de 60 min. Entre los tres modelos de isoterma de adsorción, el modelo de isoterma de Freundlich fue el que mejor se ajusta con un valor experimental en R2 0,99 que muestra que el proceso de adsorción fue heterogéneo y multicapa, mientras que el estudio cinético reveló que el pseudosegundo orden en R2 0,88. Finalmente, este proceso de adsorción resulta bastante prometedor para ser utilizado a nivel industrial.

Muchas industrias textiles vierten enormes volúmenes de aguas residuales al medio ambiente cercano sin el tratamiento adecuado1. En la industria textil, muchos procesos como el teñido, el acabado y el lavado requieren mucha agua, lo que convierte a la industria en una fábrica que consume mucha agua2. Se sabe que la industria textil consume 1.000 de los 100.000 tipos de tintes presentes en el mercado comercial. La tasa de producción anual de tintes se estima en unas 700.000 toneladas3. También se informó que anualmente se fabrican en todo el mundo entre 700.000 y 800.000 toneladas de tinte con 100.000 compuestos distintos4. Sin embargo, alrededor del 15% de los tintes utilizados en la industria acaban siendo liberados al medio ambiente después de ser producidos y procesados5. El naranja de metilo, la Rodamina B, el azul de metileno (MB), el rojo Congo y el Negro Reactivo-5 se clasifican en colorantes aniónicos, neutros y catiónicos y se encuentran entre los colorantes más utilizados en el sector textil6,7. Los tintes son colorantes y compuestos valiosos para productos industriales, particularmente en industrias textiles para teñir textiles, hilos, plásticos y otros sustratos. Sin embargo, no son degradables debido a la complejidad química y la multiplicidad de manchas que distraen el sistema ambiental8. Específicamente, MB es un aromático heterocíclico sintético, C16H18N3SCl 319,85 g/mol, (cloruro de 3,7-bis(dimetilamino)fenotiazina, cloruro de tetrametiltionina) y un compuesto químico catiónico9. Una gran cantidad de MB se utiliza como colorante en las industrias de lana, seda, papel, cosméticos, colorantes temporales para el cabello, algodón, textiles, alimentos y farmacéutica10. MB es conocido por sus propiedades antioxidantes, cardioprotectoras, antipalúdicas y antidepresivas. Precisamente, el MB es un colorante catiónico popular y una sustancia química ambientalmente persistente, tóxica, cancerígena y mutagénica10. La introducción de aguas residuales coloreadas en el ecosistema es una causa notable de eutrofización, contaminación estética y alteraciones de la vida acuática11. Las aguas residuales generadas por las industrias textiles comprenden varios colorantes y son capaces de causar graves problemas de salud y ambientales12. Estabilidad térmica y fotográfica del tinte en el medio ambiente, lo que resulta en la absorción y reflexión de la luz solar. Esto reduce el proceso de fotosíntesis y las interferencias con el flujo natural de la cadena alimentaria. La exposición prolongada al MB puede causar importantes impactos en la salud, como anemia, cáncer, vómitos, irritación ocular, náuseas, vómitos, metahemoglobinemia y confusión mental13,14,15,16,17,18,19. Por lo tanto, el impacto inevitable de estos contaminantes requiere un tratamiento antes de su vertido a la corriente principal y causante de degradación ambiental20.

Se estudió exhaustivamente la depuración de los colorantes procedentes de aguas residuales industriales mediante aguas residuales convencionales. Las tecnologías convencionales de tratamiento de aguas residuales comúnmente conocidas se componen de etapas de tratamiento preliminar, primario, secundario y terciario. Estos métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales son ineficientes para remediar MB de efluentes industriales. La razón del bajo rendimiento del tratamiento se atribuye a la baja degradabilidad química y biológica de los tintes21. Por lo tanto, las técnicas avanzadas de tratamiento de aguas residuales, como el proceso de oxidación avanzado, la ósmosis inversa, la precipitación química, la nanofiltración, la separación por membranas, la electrocoagulación, el intercambio iónico, la separación por membranas, la fotocatálisis y la electrodiálisis, están atrayendo la atención de los académicos para superar las deficiencias de las técnicas convencionales de tratamiento de aguas residuales22. . Estas tecnologías son eficientes y eficaces para el MB procedente de aguas residuales industriales textiles. Sin embargo, estas tecnologías tienen ciertas limitaciones, como la necesidad de un elevado consumo de energía, consumo de productos químicos, costes operativos, enormes aportaciones de capital, elevadas inversiones de capital y tecnólogos bien cualificados. Esto demostró la discrepancia entre la calidad del agua demandada y el estado del arte de las tecnologías de tratamiento. Entre muchos métodos de tratamiento avanzados, la adsorción es la tecnología más utilizada debido a su bajo costo, diseño sencillo y amigable con el medio ambiente23,24,25,26,27. La adsorción es un fenómeno superficial en el que el adsorbato se adhiere a la superficie del adsorbente. En la adsorción, la selección del material precursor y el desarrollo del adsorbente son tareas importantes para la eficacia de la adsorción. Los adsorbentes tradicionales se pueden clasificar en grupos convencionales y no convencionales, pero los adsorbentes ideales están disponibles en abundancia, son fáciles de preparar, rentables, no solubles, ecológicos, no tóxicos, fáciles de regenerar y eficientes28. En la práctica, no se podría adquirir una idea de adsorbente de este tipo para aplicaciones de agua y aguas residuales. Sin embargo, los adsorbentes prometedores se pueden regenerar fácilmente, son socialmente aceptables y reutilizables con un costo y esfuerzo mínimos. Sin embargo, la calidad básica y la idoneidad del adsorbente se pueden evaluar en términos de área de superficie, porosidad, grupos multifuncionales, composición química, estructuras estables y forma de la superficie29. En la industria de la adsorción, uno de los grandes desafíos es la selección de materiales precursores y la producción de adsorbentes sostenibles. En general, la adsorción es una tecnología prometedora que podrá ser heredada en muchos sectores en breve30. Pero adquirir el adsorbente ideal que pueda servir como remediación de múltiples contaminantes del agua y las aguas residuales es un gran desafío hasta el momento. Por otro lado, los carbones activados son los adsorbentes más estudiados y aplicados debido a su alta área superficial, grupos funcionales superficiales, propiedades texturales y químicas únicas y universalidad31. La aplicación industrial del carbón activado es la primera opción y es ampliamente utilizada. Se estimó que su producción fue de 2757 × 103 toneladas (5,7 mil millones de dólares) en 202132. Normalmente, el carbón activado es flexible para modificarlo y mejorar la estructura y la química de la superficie. Entre todos los adsorbentes, los carbones activados comerciales son los más eficaces, pero su uso generalizado en el tratamiento de aguas residuales es muy caro. El principal desafío del carbón activado para su uso a nivel industrial es el alto costo de producción que se atribuye al costo del material precursor, el químico utilizado y la energía consumida. Por lo tanto, la comunidad científica está buscando materiales disponibles localmente y carbón activado preparado en laboratorio que pueda ser barato, estar disponible en abundancia, ser eficaz y requerir un tratamiento previo mínimo33.

Se han producido y utilizado muchos carbones activados preparados localmente para la eliminación de diversos contaminantes de las aguas residuales industriales. Por ejemplo, tallos de khat34, parthenium hysterophorus25, pedúnculo de plátano, algas marinas, abono de hongos35, cenizas volantes de bagazo36 y bentonita26. Sin embargo, los rendimientos de adsorción de esos adsorbentes variaron significativamente. Estas variaciones se atribuyen parcialmente a factores de adsorción como el pH, el tiempo de contacto, la dosis de adsorbente, la concentración de adsorbato, la naturaleza del adsorbato, la superficie específica del adsorbente, etc.33. La aplicación del carbón activado para la eliminación del MB de la industria textil ha sido estudiada exhaustivamente27. Por ejemplo, se utilizó carbón activado de parthenium hysterophorus para eliminar MB de aguas residuales textiles y se informó una eficiencia de eliminación máxima del 93,8%. En otro estudio, se obtuvo una eficiencia de eliminación del 96,7% de MB de aguas residuales textiles37. En una investigación similar, se registró una capacidad de adsorción de MB de 212,8 mg/g18. Aunque esos estudios son prometedores, la mejora de la superficie de adsorción, el mayor tiempo de contacto, la capacidad mínima de adsorción y la ampliación de la tecnología a nivel industrial son limitaciones graves. Por lo tanto, los investigadores todavía están buscando un material precursor adecuado para desarrollar un adsorbente ideal. En consonancia con esto, se propuso Rumex Abyssinicus como biomasa prometedora para producir un adsorbente eficaz y eficiente para limpiar MB de efluentes industriales textiles. Normalmente, Rumex Abyssinicus es una hierba perenne, de hasta 3 a 4 m de altura38. Esta planta está ampliamente distribuida en las tierras altas de África tropical, en todo el norte de África y Etiopía39. Hasta ahora se han realizado varios estudios para valorizar Rumex Abyssinicus. Por ejemplo,40 evaluaron la naturaleza antiinflamatoria y antimicrobiana de Rumex Abyssinicus y reportaron hallazgos positivos. Por otro lado, la aplicación de Rumex Abyssinicus en el procesamiento de curtidurías fue investigada por41, su aplicación en la conservación de piel de cabra42, y la composición química de la planta Rumex Abyssinicus que luego se aplicó como antifúngica, antibacteriana y antioxidante43 se encuentran entre los estudios realizados sobre su utilización. de varias partes de Rumex abysiniccus. Sin embargo, la planta nunca ha sido investigada como adsorbente para el tratamiento de aguas residuales. Se supone que Rumex Abyssinicus surgió con un enorme potencial de adsorción para desarrollar el adsorbente ideal para la eliminación de MB de aguas residuales textiles. Por lo tanto, este estudio tuvo como objetivo investigar el desempeño del carbón activado producido a partir de Rumex Abyssinicus para la adsorción de tinte MB de aguas residuales industriales textiles utilizando la metodología de superficie de respuesta junto con el diseño de caja de Behnken mediante cuatro factores en tres niveles. Los factores experimentales con niveles correspondientes son pH (3, 6 y 9), tiempo de contacto (20, 40 y 60 min), concentración inicial de MB (100, 150 y 200 mg/L) y dosis de adsorbente (20, 40 min). y 60 mg/100 ml). Se utilizó el diseño experimental factorial completo de 34, pero se implementó el enfoque de Box Behnken para reducir el número de experimentos a 30. Finalmente, los efectos de interacción entre varias variables se determinaron utilizando la metodología de superficie de respuesta.

Rumex Abyssinicus se obtuvo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Addis Abeba, Addis Abeba, Etiopía. La ubicación geográfica y la condición metrológica de Addis Abeba Science and Technology se describen por una gran altitud de 2300 m (8°58′ N y 38°47′ E) sobre el nivel del mar con una temperatura media anual de 15,9 °C, precipitaciones de 1089 mm y humedad relativa del 60,7%. El comprobante del espécimen de planta (sin identificación) se depositó en un herbario universitario (Universidad de Addis Abeba) y el investigador (Mikiyas Abawaa) recolectó el espécimen de planta y se cotejó con el herbario. La identificación de las plantas fue realizada por un experto asignado al sitio del herbario. El Rumex abyssinicus recolectado se cortó en pequeños trozos de 5 a 10 mm con un cuchillo antes de lavarlo varias veces con agua destilada. El lavado de la muestra recolectada tuvo como objetivo eliminar cualquier residuo que pudiera haberse adherido a la superficie del material. Después del lavado, las piezas de muestra se secaron en una estufa a 105 °C durante 24 h. Las muestras secas de Rumex abysinicus se impregnaron con ácido fosfórico concentrado (88%) en una proporción de 1:3 en peso y se remojaron durante 24 h a temperatura ambiente. Posteriormente, la muestra impregnada se dejó secar en una estufa a 105 °C durante 24 h. Luego, la muestra impregnada seca se pirolizó en un horno de mufla a 600 °C durante 2 h. La muestra pirolizada se dejó enfriar en el desecador y se lavó varias veces con agua destilada hasta que el pH del adsorbente se volvió casi neutro. La muestra activada con pH ajustado se secó en horno, se molió a 250 µm y se almacenó en un recipiente de plástico hermético hasta que se utilizó para el proceso de adsorción22. La Figura 1 muestra diferentes etapas de preparación del carbón activado de Rumex abyssinicus, como Rumex abyssinicus crudo (A), Rumex abyssinicus reducido (B), Rumex abyssinicus impregnado con ácido fosfórico (C), Rumex abyssinicus pirolizado (D), etapa de lavado de Rumex abyssinicus para eliminar H3PO4. (E) y carbón activado ya preparado (F).

HIPERENLACE "sps:id::fig1||locator::gr1||MediaObject::0" Diferentes etapas de preparación del carbón activado de Rumex abyssinicus.

El análisis aproximado de ciertos activados se refiere al contenido de humedad, contenido de cenizas, materia volátil y carbono fijo del material. Se utilizó el estándar americano para materiales de prueba para el análisis aproximado del carbón activado preparado. Para determinar el contenido de humedad, se añadió al crisol 1 g de carbón activado Rumex Abyssinicus. Luego, la muestra se colocó en una estufa a 105 °C durante 24 h. Posteriormente, la muestra se dejó enfriar en un desecador a temperatura ambiente. Luego, se utilizó la diferencia entre el peso inicial y final para calcular el contenido de humedad. Se utilizó la ecuación (1) para calcular el contenido de humedad del adsorbente44.

donde W1 se refiere al peso del crisol plus activado antes del secado, W2 indica el peso del crisol plus activado después del secado y MC es el contenido de humedad del adsorbente

Por otro lado, para la determinación de la materia volátil, se añadió 1 g del adsorbente al crisol, luego de lo cual se encendió en el horno de mufla a 800 °C durante 8 min. Se utilizó la ecuación (2) para calcular el contenido de materia volátil del adsorbente Rumex abyssinicus34.

donde VM es el contenido de materia volátil, W1 es el peso del crisol más adsorbente antes de la ignición y W2 es el peso del crisol más adsorbente después de la ignición. De manera similar, el contenido de cenizas del carbón activado preparado se determinó mediante el método de ignición. En este proceso, se colocó 1 g de carbón activado de Rumex abyssinicus en un crisol que luego se encendió en un horno de mufla a 550 °C durante 4 h. Luego, la muestra se colocó en el desecador para evitar la absorción de humedad y la contaminación. El contenido de cenizas del adsorbente se determinó utilizando la Ec. (3)44.

donde AC es el contenido de cenizas, W2 es el peso después de la ignición y W1 es el peso antes de la ignición. Finalmente, el contenido de carbono fijo se determinó utilizando la Ec. (4)34.

donde FC es el carbono fijo, MC es el contenido de humedad, VM es la materia volátil y AC es el contenido de cenizas

El pH del adsorbente es igual a su punto de pH de carga cero y la carga superficial del adsorbente se vuelve neutra. Este fenómeno se llama punto de pH de cargas cero. Por otro lado, habrá igual número de superficies cargadas positiva y negativamente. Se utilizó el método de titulación en masa para la determinación del punto de pH de una carga cero de carbón activado derivado de Rumex abyssinicus. En este proceso, se agregaron 0,1 g de adsorbente a varios matraces que contenían 50 ml de solución de NaCl 0,5 M. El pH de estas muestras se ajustó a 2, 4, 6, 8, 10 y 12 usando NaOH 0,1 M o HCl 0,1 M. Luego, las muestras se agitaron utilizando un agitador orbital durante 24 h, luego de lo cual se determinó el pH final de cada solución. Finalmente, se determinó el punto de pH de cargas cero del material dibujando la gráfica de pH inicial versus pH final. El punto en el que el pH final y el pH inicial se superponían se registró como el punto de pH de cargas cero26.

Se utilizó SEM para el examen de la morfología de la superficie del adsorbente. Se siguió el protocolo operativo de la máquina habitual para la preparación y escaneo de muestras. La máquina utilizada en el presente estudio fue la JCM-6000PLUS Benchtop SEM (JOEL), Japón. Para el escaneo de la morfología superficial del adsorbente se utilizó una resolución de 20 \({\upmu {\rm m}}\) y una energía de 10 kV. La muestra se escaneó colocándola sobre la cinta de carbón y haciendo funcionar la máquina a una distancia de trabajo de 8 mm. El SEM se operó con una corriente de 10 A, una energía operativa de 10 kV y un aumento de 1500 veces24,45.

Se utilizó FTIR para determinar los grupos funcionales presentes en el adsorbente preparado. Se utilizó el método KBr para el análisis FTIR del adsorbente. En este proceso, el adsorbente preparado se mezcló completamente con KBr en una proporción de 2:200. Luego, se obtuvo la muestra homogénea de la mezcla mediante trituración en el mortal. Después se produjo una placa muy fina utilizando el moldeador. Posteriormente se utilizó el espectrofotómetro FTIR (FTIR, Thermo Nicolet 5700 y Waltham, MA, EE. UU.) para realizar el análisis de la placa. Para el análisis FTIR se utilizó un rango de longitud de onda de 4000 a 400 cm-124,35.

Se utilizó BET para calcular el área de superficie específica del adsorbente preparado. En este procedimiento, se utilizaron los tres tubos de preparación de muestras que contenían cada uno 0,4 g del adsorbente. Se utilizaron la serie SA-9600 de Horiba y una máquina de análisis de área superficial para calcular el área superficial precisa del adsorbente. Para esta investigación, la máquina se hizo funcionar durante 1 h a una temperatura de desgasificación de 200 °C. Utilizando un analizador de área de superficie y las isotermas de adsorción y desorción de gas nitrógeno a 700 mm de presión atmosférica, se estimó el área de superficie. Para mejorar la adsorción de N2 en la superficie del adsorbente, se utilizó nitrógeno líquido a -196,5 °C. Luego se calculó el área de superficie específica BET del adsorbente utilizando la relación p/p026.

Se utilizó XRD para determinar la naturaleza cristalina del adsorbente preparado. Esta técnica es una poderosa técnica no destructiva que caracteriza la presencia de materiales cristalinos con un ángulo de difracción de 2θ de 2° a 80° utilizando el instrumento de difracción de rayos X OLYMPUS BTXH. El análisis se realizó bajo las siguientes condiciones: potencia de inicialización de 15 kV, 5 mA y una longitud de onda fija de 1,541 nm. Finalmente, se determinó la estructura cristalina de la muestra en base a los picos observados46.

Las tres soluciones de trabajo (100, 125, 150 mg/L) de MB se prepararon disolviendo 100 mg, 125 mg y 150 mg de colorante MB en 1000 ml de agua destilada respectivamente. En el estudio preliminar, se utilizó el diseño experimental y la concentración de MB de aguas residuales textiles reales para fijar las concentraciones mencionadas anteriormente. Para ajustar el pH de la solución, se utilizaron NaOH 0,1 M y HCl 0,1 M durante todo el estudio experimental. El diseño experimental de este estudio se basa en los cuatro factores independientes (concentración inicial de MB, pH, dosis de adsorbente y tiempo de contacto) en tres niveles como se indica en la Tabla 1. El nivel inferior se asignó como -1, mientras que el nivel medio y superior Los niveles están representados por 0 y + 1 respectivamente. Combinando los valores inferior, medio y superior, el diseño experimental factorial completo de 34 dará como resultado 81 ejecuciones experimentales. Sin embargo, se utilizó el enfoque de Box Behnken del diseño experimental de la metodología de superficie de respuesta para fijar el número de experimentos en 30. Se realizaron análisis de muestras por triplicado y se informó el valor promedio. El enfoque de Box Behnken sobre la metodología de superficie de respuesta no sólo minimiza los costos sino que también reduce el tiempo necesario para obtener mejores resultados experimentales47. La selección de las condiciones de tratamiento se realizó al azar para evitar sesgos experimentales. El experimento de adsorción discontinua se llevó a cabo agitando la solución de adsorción en un tiempo de contacto fijo. La concentración de MB se determinó utilizando un espectrofotómetro UV-Visible a una longitud de onda de 668 nm. Finalmente, la eficiencia de eliminación de MB y la capacidad de adsorción del adsorbente se determinaron utilizando las Ecs. (5) y (6) respectivamente27,44.

donde %R es el porcentaje de eliminación de MB, Qe es la cantidad de MB adsorbida por unidad de masa del adsorbente (mg/g), Co es la concentración inicial de MB (mg/L), Cf es la concentración final de MB (mg/L ), Ce es la concentración de MB en equilibrio, V es el volumen de la solución acuosa (mL) y M es la masa seca (g)

Las isotermas de adsorción son relaciones de equilibrio que describen cómo interactúan los contaminantes con los materiales adsorbentes. Este fenómeno es una condición importante que expresa las propiedades y capacidades superficiales del adsorbente. Las isotermas de adsorción se utilizan para optimizar el mecanismo de adsorción y para diseñar eficazmente los sistemas de adsorción. Existen varios modelos de isotermas de adsorción que se utilizan ampliamente para determinar la relación entre adsorbente y adsorbato en equilibrio. Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich, Temkin y Toth se encuentran entre los modelos de isotermas de adsorción más utilizados. En el estudio actual, los modelos de isoterma de adsorción en equilibrio se evaluaron en condiciones óptimas constantes de pH 9, tiempo de contacto de 60 min, dosis de adsorbente de 60 mg/L y variando las concentraciones iniciales de MB de 100 a 200 mg/L, es decir (100, 120 , 140, 160, 180 y 200)48,49. El modelo de isoterma de Langmuir supone una adsorción monocapa y de superficie homogénea. La ecuación (7) presenta la ecuación general del modelo de isoterma de adsorción de Langmuir, donde la forma linealizada se muestra en la ecuación. (8)22.

En la ecuación. (7), KL (L/mg) se refiere a la constante de Langmuir relacionada con la energía libre de adsorción, mientras que \({q}_{max}\) (mg/g) es la capacidad máxima de adsorción monocapa del adsorbente. . Además, la ecuación. (9) representa la constante del factor de separación adimensional (RL)50. Este factor se utiliza para estimar la viabilidad isotérmica de Langmuir.

Uno de los modelos de isoterma de adsorción más utilizados es el modelo de isoterma de Freundlich, que supone que el proceso de adsorción tiene lugar sobre una superficie heterogénea. Por otro lado, en el modelo de isoterma de adsorción de Freundlich, la naturaleza del proceso de adsorción es multicapa. La ecuación (10) es la ecuación general para el modelo de isoterma de Freundlich, mientras que la forma linealizada se presenta en la ecuación. (11)46.

KF denota capacidad de adsorción (mg/g) y 1/n denota un parámetro empírico relacionado con la intensidad de adsorción, donde un valor entre 0 y 1 denota condiciones favorables. Además, un valor de 1/n indica que el proceso de adsorción es cooperativo si > 1, independiente de la concentración si = 1 y normal si < 1. Según el modelo de isoterma de Temkin, la cobertura de superficie resultante de la interacción de adsorbente y adsorbente resultará en una disminución lineal del calor de adsorción. La isoterma de Temkin se presenta mediante (12)44.

El valor de BT (constante de Temkin i, e calor de adsorción), AT constante de enlace de equilibrio, R es la constante universal de los gases y T es la temperatura del sistema. AT y BT se calculan a partir de una gráfica de qe vs \(\mathrm{lnCe}\).

La velocidad a la que un soluto se retiene o se libera de un ambiente acuoso a una interfaz de fase sólida para una dosis de adsorbente, temperatura, caudal y pH particulares se representa mediante una curva cinética de adsorción. El estudio de la cinética es de gran importancia. Proporciona información como la tasa de absorción de soluto, que se utiliza para establecer el tiempo de residencia requerido para completar el proceso de adsorción. Los modelos de difusión intrapartículas y de pseudoprimer orden, de pseudosegundo orden son modelos cinéticos de adsorción bien conocidos. En el estudio actual, la cinética de adsorción se estableció a un pH fijo de 9, la dosis de adsorbente de 60 mg/100 ml, la concentración inicial de MB de 100 mg/l y tiempos de contacto variables a 10, 20, 30, 40, 50. y 60 min. Los tres modelos cinéticos, es decir, de pseudoprimer orden, de pseudosegundo orden y de difusión intrapartícula, se presentan mediante las ecuaciones. (13), (14) y (15) respectivamente51.

La gráfica de t vs \(\mathrm{log}(qe-qt)\) da como resultado una pendiente de \(-\frac{\mathrm{K}1\mathrm{t}}{2.303}\) y una intersección de iniciar sesión (qe). De manera similar, en la cinética de pseudo segundo orden, la pendiente se convierte en 1/qe y la intersección será 1/k2qe2 cuando t/qt se traza contra t51.

En el modelo de difusión intrapartícula, Kp se determina a partir de la intersección de log t frente a log qt36.

donde qe es la masa de MB adsorbida en equilibrio (mg/g), qt es la masa de tinte adsorbida en el tiempo t (mg/g), K1 es la constante de pseudoprimer orden (min-1), K2 es la Constante de pseudosegundo orden (g/mg/min), y Kp el valor constante (mg/g/min0,5).

Todos los métodos se llevan a cabo de acuerdo con los lineamientos y regulaciones de la institución. Todos los protocolos experimentales fueron aprobados por el comité de autorización ética de la institución. Finalmente, todos los estudios experimentales sobre plantas han cumplido con las directrices y legislación institucionales, nacionales e internacionales pertinentes. Las investigaciones experimentales y los estudios de campo sobre plantas, incluida la recolección de material vegetal, cumplieron con los lineamientos y normas de la institución. Durante la recolección de muestras, nuestro instituto entregó una carta de apoyo para otorgar permiso para la recolección de muestras y los propietarios de la industria textil dieron permiso para la recolección de muestras y mediciones in situ.

Se analizaron el contenido de humedad, el contenido de cenizas, la materia volátil y el carbono fijo del adsorbente preparado y los resultados de los valores proximales se informaron en términos de media más desviación estándar como se indica en la Tabla 2. Se determinó que estos valores eran un contenido de humedad de 2,95. materia volátil 18,74, contenido de cenizas 9,82 y carbono fijo 68,49%. Estos valores están dentro de un rango de calidad estándar para análisis próximo de carbón activado. Normalmente, el carbón fijo es el parámetro más importante que determina la calidad del carbón activado. Se sabe que para que el carbón activado sea eficaz y eficiente en la adsorción de múltiples contaminantes de las aguas residuales, la cantidad de carbón fijado debe ser lo más alta posible. Esto se debe a que el carbono fijo se refiere al material carbonoso que puede desempeñar un papel importante en la adsorción de muchos contaminantes. Como indica el estudio realizado por52, el porcentaje de carbono fijo del adsorbente preparado debe ser al menos del 60%. Por lo tanto, el valor del presente estudio está de acuerdo con el escenario anterior. Sin embargo, el contenido de cenizas del adsorbente es una parte inerte del activado que puede estar compuesta principalmente por óxidos que no contribuyen a la adsorción de contaminantes. Estos óxidos no sólo simplemente aumentan la masa del adsorbente sino que también reducen el rendimiento de adsorción del adsorbente al ocupar el sitio activo del adsorbente donde se espera que se unan los contaminantes, disminuyendo así el área de superficie específica del adsorbente. Por lo tanto, se espera que un mayor contenido de carbono fijo sea un fenómeno prometedor para la adsorción. Según52 el contenido máximo de cenizas fijado para el carbón activado es del 10%. Esto sugiere que el carbón activado producido actualmente cumple con el estándar de alta calidad. El carbón activado actualmente preparado es mejor en términos de sus valores proximales en comparación con muchos adsorbentes producidos localmente25,27,34. Finalmente, un carbón activado que tenga menos contenido de cenizas, materia volátil y contenido de humedad con un alto porcentaje de carbón fijo es un material adecuado para la tecnología de adsorción.

Se determinó que el pHpzc del adsorbente preparado era 5,03 como se muestra en la Fig. 2. A un valor de pH de 5,03, la densidad superficial del adsorbente es cero. Esto se puede definir de tal manera que haya el mismo número de cargas superficiales cargadas positiva y negativamente. Además, a un pH superior a 5,03, la superficie del adsorbente está cargada negativamente. Por otro lado, a un pH inferior a 5,03, la superficie del adsorbente está cargada positivamente. Normalmente, la adsorción de aniones se ve favorecida a un pH de una solución menor que pHpzc, mientras que la de cationes es prometedora a un pH de una solución mayor que pHpzc. Por lo tanto, se espera que los tintes catiónicos como el MB se adsorban suficientemente a la densidad superficial cargada negativamente del adsorbente. Por lo tanto, la eliminación de MB se ve favorecida a un pH de la solución superior a 5,06. Se informaron observaciones similares para varios carbones activados sintetizados a partir de diferentes materias primas. Por ejemplo, el pHpzc de los polvos AC comerciales (ACS25) de 5,053, el pHpzc del carbón activado derivado del tronco de palma aceitera de 4,854, el pHpzc del carbón activado de vainas de semillas de Leucaena leucocephala de 5,2055, el pHpzc del carbón activado granular de 4,8956 y el arroz Se informó óxido de zinc soportado con carbón activado de cáscara de 5,1057.

pHpzc de carbón activado Rumex abyssinicus.

La morfología de la superficie del carbón activado preparado se evaluó utilizando un microscopio electrónico de barrido y los hallazgos del estudio se presentan en la Fig. 3. El escaneo de la superficie del adsorbente se realizó con una resolución de 20 \(\mathrm{\mu m}\) y aumento de 1500 veces. Se descubrió que el adsorbente es muy poroso, heterogéneo y de superficie rugosa con una microestructura esponjosa y rugosa. La morfología del adsorbente concuerda bien con el área de superficie del adsorbente. De la imagen se desprende claramente que existen grietas morfológicas en la superficie del adsorbente. Además, la estructura altamente porosa del adsorbente preparado es la condición previa fértil para la adsorción del colorante MB. Estudios realizados previamente24,25,27,34 han reportado hallazgos similares.

Morfología SEM del adsorbente Rumex abyssinicus.

Se descubrió que el adsorbente preparado estaba compuesto por muchos grupos funcionales capaces de adsorber MB de aguas residuales textiles. Se puede observar en la Fig. 4 que se encontraron cinco picos principales en el análisis de FTIR. Estos picos se observan en el espectro de 3385, 1583, 1226, 999 y 524 cm-1. Los grupos funcionales que contienen oxígeno, como carboxilo e hidroxilo, crean un entorno propicio para la adsorción de MB. El pico de estiramiento observado a 3385 cm-1 se atribuye a los grupos O – H. El espectro del enlace C=O se indica en el pico observado a 1583 cm-1. Además, el pico observado a 1226 cm-1 indicaría la presencia de grupos carboxílicos –COOH con sus derivados posiblemente como carboxilatos, el pico de 999 cm-1 correspondería al enlace C-O que frecuentemente se asocia con el grupo éter - C-OC- y C-OH que se encuentran en las celulosas. Por otro lado, el pico en 524 cm-1 representa los grupos alquenos que se supone que tienen una contribución insignificante. En otro estudio sobre carbón activado para funcionalidades superficiales, Mohammed et al.41,42 y Kengne et al.43 informaron de un hallazgo similar. Finalmente, la presencia de múltiples grupos funcionales en la superficie de este carbón activado es la condición previa fértil para la adsorción efectiva de MB de efluentes industriales.

Análisis FTIR de carbón activado Rumex abyssinicus.

El área superficial específica del adsorbente se analizó usando el BET y se determinó que el resultado del análisis era 2522 m2/g. Esta superficie específica muy alta para el adsorbente preparado con carbón activado convierte al adsorbente en un candidato potencial para ser utilizado en el proceso de adsorción. Normalmente, la presencia de múltiples grupos funcionales junto con una estructura muy porosa y una superficie específica alta es el componente crucial de los adsorbentes de alta calidad. Esencialmente, este carbón activado es el adsorbente ideal cuando se lo evalúa en términos de abundancia de material precursor, insoluble, eficiente, fácil de preparar y ecológico. Sin embargo, la próxima investigación sería la regeneración de adsorbentes, la rentabilidad y la composición de material magnético para la separación. Las otras cuestiones críticas que necesitan mejoras adicionales son la eficiencia económica y el bajo consumo de energía durante la preparación y regeneración del adsorbente. En comparación con muchos carbones activados preparados localmente, el carbón activado actual es superior en términos de superficie específica. Por ejemplo, la superficie específica de la bentonita es 265 m2/g26, el carbón activado derivado de Parthenium hysterophorus es 268 m2/g25, el Fe3O4-GO es 296 m2/g24 y el bagazo de caña de azúcar es 2236,93 m2/g58. Sin embargo, el área de superficie de la estructura organometálica adsorbente recientemente surgida es extremadamente alta, en el rango de 1000 a 10 000 m2/g, con buenas propiedades como rendimiento superior, estructura de sintonizabilidad, estabilidad térmica y dispersabilidad mecánica59,60,61. La limitación de esos materiales es la inestabilidad en una solución acuosa.

La naturaleza cristalina del adsorbente se examinó mediante XRD. Se descubrió que el carbón activado derivado de Rumex Abyssinicus tenía una estructura amorfa como se ilustra en la Fig. 5. Normalmente, la activación térmica y química del carbón activado prístino daría como resultado la desnaturalización de la naturaleza cristalina del material. Los materiales amorfos típicamente exhiben una mayor acidez superficial y área superficial específica. Estas características fortalecen la unión entre el material adsorbente y el sustrato, lo que a menudo da como resultado más material adsorbido. Sin embargo, la interacción del adsorbato con la estructura cristalina es débil debido al impacto significativo que tiene la estructura cristalina en el proceso de adsorción62.

Imagen XRD del carbón activado de Rumex abyssinicus.

La eficiencia de eliminación del tinte MB oscila entre 82,2 y 99,9 % como se indica en la Tabla 3. La eficiencia de eliminación máxima del 99,9 % se logró en las condiciones óptimas de pH 9, tiempo de contacto de 60 min, dosis de adsorbente de 60 mg/100 mL y concentración inicial de MB de 100 mg/L. Sin embargo, la capacidad máxima de adsorción de 322 mg/g se registró a un pH de 9, tiempo de contacto de 60 min, dosis de adsorbente de 60 mg/100 ml y concentración de MB de 200 mg/L. Además, se utilizó una pequeña cantidad de adsorbente (60 mg/100 ml) para eliminar el 99,9% del MB. Esto hace que el adsorbente preparado sea eficaz incluso en dosis más bajas. Cambiar la concentración inicial de MB del valor óptimo al más alto, mientras se mantienen los otros parámetros en el nivel óptimo, ha dado como resultado una eficiencia de eliminación del 98,9%. Este resultado ha mostrado un incremento del 0,97%. Por otro lado, cambiar la dosis de adsorbente de 60 a 20 mg/100 ml cuando los otros tres parámetros se mantienen óptimos dio como resultado una eficiencia de eliminación del 98,8%. Esto representa una reducción del 1,15% en la eficiencia de eliminación. Más importante aún, esto sugiere que el efecto de la dosis de adsorbente es mayor en comparación con la concentración inicial de MB. Finalmente, la eficiencia de eliminación del MB aumenta al aumentar la dosis de adsorbente, el pH y el tiempo de contacto. Sin embargo, aumentar la concentración inicial de MB disminuye la eficiencia de eliminación.

Muchos investigadores investigaron la eliminación de MB mediante carbón activado y se registraron diferentes experiencias. Muchas eliminaciones de MB se estudiaron en soluciones acuáticas, de las que es difícil obtener los mismos resultados en la aplicación de aguas residuales reales. Por ejemplo, se informó que el tallo del carbón activado de Buxus Wallichiana tenía una capacidad de adsorción máxima de 866,15 mg/g para la eliminación de MB de una solución acuosa4. En otro estudio, se registró una pequeña cantidad de capacidad de adsorción de 11,4 para la eliminación de MB27. Básicamente, la comparación del rendimiento de adsorción de los carbones activados debe incluir los tipos de solución utilizada, ya sea solución acuosa o agua residual real, la fuerza, el efecto de los contaminantes comunes, el área de superficie del adsorbente, la concentración de contaminantes y las condiciones experimentales. En comparación con muchos carbones activados preparados localmente, el carbón activado actualmente preparado muestra un rendimiento superior. Los estudios de adsorción sobre la eliminación de MB deben comprobar el comportamiento del agua residual real con el colorante. A partir de esta discusión, el área de superficie y el rendimiento del carbón activado actual, se puede concluir que los AC preparados son la mejor opción para representar el carbón activado comercial. Sin embargo, se necesitan más investigaciones sobre el carbón activado antes de realizar escala piloto y fines de comercialización. Además, muchos más estudios siguen adoleciendo del uso excesivo de adsorbentes para la eliminación de pequeñas cantidades de MB. Por lo tanto, el estudio actual sirve como un método alternativo para eliminar MB de las aguas residuales utilizando una pequeña dosis de adsorbente. Esto hace que el estudio actual sea más económico. La Tabla 4 presenta los resultados experimentales para la eficiencia de eliminación de MB de aguas residuales o soluciones acuosas.

La eficiencia de eliminación de contaminantes de las aguas residuales o de una solución acuosa no sólo depende de los efectos individuales sino también de los efectos de interacción de dos o más variables. El análisis estadístico sugirió que el modelo de regresión interactivo se ajusta mejor a la eficiencia de eliminación. Además, entre las seis interacciones que existen entre las cuatro variables independientes; cinco de ellos resultan significativos. La única interacción insignificante según este modelo es la que existe entre el pH y la concentración inicial de MB. Como se puede observar en la Fig. 6, se encontró que la interacción entre la concentración inicial de MB y la dosis de adsorbente tiene un impacto positivo en la eficiencia de eliminación de MB. El aumento individual del adsorbente aumenta la eficiencia de eliminación, mientras que la eficiencia de eliminación de MB disminuye al aumentar la concentración de MB. Por lo tanto, se puede entender que el efecto de la dosis de adsorbente es dominante en comparación con la concentración inicial de MB. Además, se puede observar en la representación pictórica 3D que la eficiencia de eliminación máxima del 99,9% se proyecta a medida que interactúan la dosis de adsorbente y la concentración de MB. Sin embargo, se encontró la eficiencia mínima de remoción proyectada del 89,4%.

Efectos de interacción de la concentración inicial de MB y la dosis de adsorbente.

Los efectos de interacción de la dosis de adsorbente y el tiempo de contacto se evaluaron utilizando la metodología de superficie de respuesta. Esto se llevó a cabo estableciendo el pH y las concentraciones iniciales de MB en valores medios mientras se variaba la concentración inicial de MB y el tiempo de contacto como se muestra en la Fig. 7. La representación pictórica en 3D del efecto de interacción de la dosis de adsorbente y el tiempo de contacto ilustró el efecto negativo. El aumento individual tanto de la dosis de adsorbente como del tiempo de contacto aumentó la eficiencia de eliminación del tinte MB. Además, la eficiencia de eliminación proyectada osciló entre 90,7 y 98,9%. La máxima eficiencia de eliminación proyectada del 98,9 % se alcanzó en los puntos de tratamiento con una dosis de adsorbente de 60 mg/100 ml y un tiempo de contacto de 60 min. Por lo tanto, el valor proyectado está en línea con los valores determinados experimentalmente. Estos muestran que los valores ajustados y reales son casi iguales.

Efecto de interacción de la dosis de adsorbente y el tiempo de contacto.

El pH y el tiempo de contacto se encuentran entre los diversos factores que influyen en el rendimiento de la adsorción. Normalmente, aumentar tanto el pH como el tiempo de contacto aumenta la adsorción de colorantes catiónicos como el MB. A medida que aumenta el tiempo de contacto, habrá tiempo suficiente para adsorber MB en carbón activado derivado de Rumex abysiniccus, aumentando así la eficiencia de adsorción. Sin embargo, después de un cierto tiempo de contacto, llega un punto en el que un aumento en el tiempo de contacto no traerá un cambio significativo en la eficiencia de eliminación. Como se indica en la representación pictórica 3D que se muestra en la Fig. 8. La adsorción de MB en Rumex Abyssinicus se vio favorecida por la interacción del pH y el tiempo de contacto, lo que indica que el efecto de interacción es positivo.

Efecto de interacción del tiempo de contacto y el pH.

Para diseñar eficazmente la planta de adsorción, se debe considerar cuidadosamente el pH y la dosis de adsorbente del proceso de adsorción. Esto se debe a que, para que sea económico, se debe utilizar la cantidad mínima de dosis de adsorbente para lograr una capacidad de adsorción significativa. La representación pictórica en 3D del efecto del pH y la dosis de adsorbente que se muestra en la Fig. 9 reveló la interacción del pH y la dosis de adsorbente. Esta interacción fue un poco diferente y se observó el impacto negativo de la adsorción de MB sobre carbón activado de Rumex Abyssinicus. Esta interacción prácticamente suprimió el rendimiento de la adsorción.

Efecto de interacción de la dosis de adsorbente y el pH.

La representación gráfica de las isotermas de Langmuir, Freundlich y Temkin se presenta en las Figs. 10, 11 y 12 respectivamente. Los coeficientes del determinante R2 para las isotermas de Langmuir, Freundlich y Temkin son 0,982, 0,9935 y 0,979, respectivamente. Los datos se ajustaban mejor a la isoterma de Freundlich, mostrando el proceso de adsorción como multicapa y heterogéneo. Por lo tanto, la superficie del adsorbente es heterogénea y el proceso de adsorción de MB ocurre en el sitio activo de la superficie multicapa del adsorbente. Según la isoterma de Freundlich, a medida que el azul de metileno se une al sitio activo del adsorbente, la energía de adsorción disminuye exponencialmente. Además, el espacio de adsorción alberga más de una capa. Esto muestra que la mayoría de las moléculas de tinte están en contacto directo con los materiales adsorbentes, mientras que algunas de ellas están unidas al material preadsorbido. Además, el Qmax y el KL de la isoterma de Langmuir son 387,56 mg/g y 0,40, respectivamente. El valor de Qmax registrado en este estudio fue alto, lo que demuestra la efectividad del proceso de adsorción. El valor KL del modelo de isoterma tipo Langmuir no sólo significa capacidad de adsorción sino que también expresa la afinidad del adsorbente hacia el adsorbato. En este sentido, una unión fuerte está indicada por valores elevados de KL. Además, una mayor cantidad de valor de KL implica un menor requerimiento de energía libre. En este estudio, el valor de KL de 0,4 mg/g es indicativo de una unión débil del adsorbato y el adsorbente, lo que a su vez da una pista sobre el mecanismo físico de adsorción y la reversibilidad del proceso de adsorción. Por otro lado, se determinó que la factibilidad isotérmica de Langmuir (RL) y la constante isotérmica de Freundlich relacionada con la intensidad (1/n) eran 0,66 y 0,397, lo que sugiere que el proceso de adsorción es favorable. En este estudio, el valor 1/n registrado fue 0,397, que es bajo, lo que infiere una mayor heterogeneidad. En una isoterma de Freundlich favorable, es decir, n > 1, los sitios activos con las energías de unión más altas se usarían primero para superficies menos heterogéneas y luego se buscarían sitios más débiles para superficies más heterogéneas. El presente estudio dio como resultado una mayor capacidad de adsorción de Freundlich KF de 165,77 mg/g. Además, un valor de Kf más alto muestra un menor requerimiento de energía libre para el proceso de adsorción. Se determina que las constantes isotérmicas de Temkin AT y BT son 5,669 L/g y 26,883 J/mol, respectivamente. Se determinó que el calor de sorción calculado a partir de la isoterma de Temkin era 0,006425 kcal/mol, que es inferior a 1, lo que indica adsorción física. En línea con esto, la bondad de ajuste del modelo de Freundlich se sustenta en el coeficiente de regresión, con un valor de R2 de 0,96. Generalmente, la isoterma de adsorción pretende comprender el mecanismo de adsorción que describe la distribución de las moléculas adsorbidas en la interfaz del adsorbente. La predicción del mecanismo de adsorción no es sencilla y también está muy influenciada por la naturaleza de los contaminantes, como iones disociados, moléculas neutras, polares, no polares, hidrofobicidad e hidrofilicidad. Sin embargo, los mecanismos de adsorción pueden describirse mediante el efecto hidrófobo, donante-aceptor de electrones π – π, enlace covalente, interacción coulómbica, enlace de H, interacción π, complejación de superficies, interacciones electrostáticas, intercambio iónico, interacciones dipolares. Estos pueden demostrarse mediante la formación de coordinación, la desaparición o cambio de lo funcional (picos cristalinos) y la aparición del precipitado superficial. La adsorción de MB fue un proceso físico, heterogéneo y multicapa que pudo demostrarse mediante fuerzas de van der Waals, enlaces de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas.

Gráfico de la isoterma de Langmuir para la eliminación de MB.

Representación gráfica de la isoterma de Freundlich.

Modelo de isoterma de Temkin para la eliminación de MB en Rumex abyssinicus.

Se realizan estudios cinéticos para determinar qué tan rápido tiene lugar el proceso de adsorción. Además, también es útil para evaluar si los datos se ajustan mejor a un modelo de pseudoprimer orden, pseudosegundo orden o de difusión intrapartícula. Esto se utiliza para evaluar el paso determinante de la velocidad en la adsorción superficial donde tiene lugar la interacción fisicoquímica entre el adsorbato y el adsorbente. En el estudio actual, los datos de la cinética de adsorción se ajustaron con un modelo de pseudoprimer orden, un pseudosegundo orden y un modelo de difusión. Según el coeficiente determinante R2, Qe experimental y Qe calculado son valores obtenidos del ajuste lineal de estos modelos. Luego, se descubrió que la cinética de pseudosegundo orden era más explicativa con un R2 de 0,88 entre los tres modelos cinéticos. Esto indica que la tasa de adsorción depende más de la capacidad de adsorción en comparación con la concentración de adsorbato. Como se indica en la Tabla 5, la pendiente del modelo de difusión intrapartícula no fue 0,5, lo que indica que este modelo no controla exclusivamente la velocidad de reacción, sin embargo, ha participado en el proceso de adsorción. En la cinética de pseudosegundo orden, la tasa de adsorción depende más de la capacidad de adsorción que de la concentración de adsorbato. Este fenómeno concuerda bien con los efectos de las variables de adsorción observadas. De manera similar, en este estudio, el efecto de la dosis de adsorbente fue superior en comparación con la concentración de adsorbato. Por tanto, la difusión extra granular puede controlar el proceso de adsorción. Fundamentalmente, la transferencia de un soluto de la solución al material adsorbente puede estar gobernada por cuatro mecanismos cinéticos principales. Los dos primeros mecanismos incluyen el movimiento masivo de moléculas de adsorbato y la difusión de películas. Normalmente, la difusión en masa es más rápida en comparación con la difusión en película, por lo que este mecanismo no se considera en el diseño de sistemas cinéticos de adsorción. El movimiento del adsorbato desde la superficie del adsorbente al adsorbente poroso y la rápida unión adsorbente del adsorbato en el sitio activo de los poros del adsorbente son los dos últimos mecanismos de adsorción. Dado que el sistema de adsorción de MB en Rumex abyssiniccus derivó, se encontró que el carbón activado tiene características de tamaño de adsorbato pequeño, mezcla deficiente y difusión de película que pueden tomarse como paso de control de velocidad.

El carbón activado Rumex abyssinicus se preparó con éxito mediante activación química seguida de métodos de activación térmica. Este carbón activado por adsorbente mostró excelentes crematísticas de un buen adsorbente, como alta área superficial, morfología superficial conductiva, alto contenido de carbono fijado y multifuncionalidades. Se utilizó la metodología de superficie de respuesta junto con el enfoque de Box-Behnken para optimizar el proceso de adsorción. La eficiencia de eliminación de MB osciló entre 82,2 y 99,9%. La máxima eficiencia de eliminación del 99,9% se logró en condiciones óptimas de pH 9, tiempo de contacto de 60 min, una concentración inicial de MB de 100 mg/L y una dosis de adsorbente de 60 mg/100 mL. Además, la capacidad máxima de adsorción de 322 mg/g registrada en este estudio muestra que se utilizó una pequeña cantidad del adsorbente para lograr una eliminación significativa de MB de un entorno acuoso. También se descubrió que el modelo de isoterma de Freundlich y la cinética de pseudosegundo orden explican mejor la adsorción de MB en el carbón activado de Rumex abyssinicus. Esto muestra que la superficie adsorbente es heterogénea y multicapa, y que la naturaleza de la adsorción es física. En general, este material adsorbente promete ampliarse a nivel industrial. Sin embargo, se deben realizar más investigaciones, como la optimización del desarrollo de adsorbentes, el análisis de columnas, el compuesto adsorbente con material magnético y el estudio termodinámico, antes de la prueba a escala piloto y la aplicación industrial para el tratamiento de aguas residuales.

Todos los datos están totalmente disponibles sin restricciones y pueden obtenerse del autor correspondiente.

Paździor, K., Bilińska, L. & Ledakowicz, S. Una revisión de las tecnologías existentes y emergentes en la combinación de AOP y procesos biológicos en el tratamiento de aguas residuales textiles industriales. Química. Ing. J. 376, 120597 (2019).

Artículo de Google Scholar

Siddique, K. y col. Opciones de tratamiento de aguas residuales textiles: una revisión crítica. Mejora del entorno de limpieza. Contaminación. 2, 183–207 (2017).

Artículo de Google Scholar

Samarghandi, MR y cols. Degradación electroquímica del tinte azul de metileno utilizando un ánodo de PbO2 dopado con grafito: optimización de los parámetros operativos, vía de degradación y mejora de la biodegradabilidad de las aguas residuales textiles. Árabe. J. química. 13, 6847–6864 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Bilal, M. y col. Remediación de cultivos y productos industriales de diferentes tintes procedentes de efluentes textiles utilizando carbón activado sintetizado a partir de Buxus Wallichiana. Cultivo de Indiana. Pinchar. 187, 115267 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Achparaki, M. y col. Somos IntechOpen, la editorial líder mundial de libros de acceso abierto creados por científicos, para científicos TOP 1%. Intech 13 (2012).

El Harfi, S. & El Harfi, A. Clasificaciones, propiedades y aplicaciones de tintes textiles: una revisión. Aplica. J. Medio Ambiente. Ing. Ciencia. 3, 1–3 (2017).

Anuncios Google Scholar

Yadav, A. & Dindorkar, SS Comportamiento de adsorción de nanohojas hexagonales de nitruro de boro hacia tintes catiónicos, aniónicos y neutros: conocimientos de los primeros estudios de principios. Superficies coloides Una fisicoquímica. Ing. Áspid. 640, 128509 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Yaqub, A., Misbah, S., Ajab, H., Zia, M. & Haq, U. Carbón activado derivado de Dodonaea viscosa en perlas de alginato de calcio para la sorción de azul de metileno (MB): cinética, equilibrio y termodinámica. J. Medio Ambiente. Gestionar. 327, 116925 (2023).

Artículo CAS Google Scholar

Sarojini, G., Babu, SV, Rajamohan, N., Rajasimman, M. & Pugazhendhi, A. Aplicación de un nanocompuesto a base de algas magnéticas-polímero para la eliminación de estudios cinéticos, paramétricos y de caracterización del azul de metileno. Reinar. Contaminación. 292, 118376 (2022).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Olusakin, P., Oladiran, T., Oyinkansola, E. & Joel, O. Resultados en ingeniería Colorante azul de metileno: toxicidad y tecnología potencial de eliminación de aguas residuales. Resultados Ing. 16, 100678 (2022).

Artículo de Google Scholar

Khattab, TA, Abdelrahman, MS y Rehan, M. Industria del teñido de textiles: impactos ambientales y remediación. Reinar. Ciencia. Contaminación. Res. 27, 3803–3818 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Manzoor, J. & Sharma, M. Impacto de los tintes textiles en la salud humana y el medio ambiente. en Impacto de los tintes textiles en la salud pública y el medio ambiente. 162–169 (IGI Global, 2020).

Al Ghouti, MA y Al Absi, RS Comprensión mecanicista de la adsorción y los aspectos termodinámicos del tinte catiónico azul de metileno sobre biomasa celulósica de huesos de olivo procedente de aguas residuales. Ciencia. Representante https://doi.org/10.1038/s41598-020-72996-3 (2020).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Santoso, E. et al. Revisión de los avances recientes de los adsorbentes a base de carbono para la eliminación del azul de metileno de las aguas residuales. Madre. Hoy química. 16, 100233 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Ye, J. et al. Compuesto de sílice magnética mesoporosa reciclable fácilmente sintetizado para una adsorción rápida y altamente eficiente de azul de metileno de aguas residuales: estudio de cinética y mecanismo termodinámico. J. Mol. Licuado. 303, 112656. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.112656 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Jawad, AH, Abdulhameed, AS, Abdallah, R. & Yaseen, ZM Zwitterion compuesto de quitosano-epiclorhidrina/zeolita para la adsorción de colorantes azul de metileno y rojo reactivo 120. En t. J. Biol. Macromol. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.07.014 (2020).

Artículo PubMed Google Scholar

Titchou, FE, Akbour, RA, Assabbane, A. & Hamdani, M. Eliminación de colorante catiónico de una solución acuosa utilizando puzolana marroquí como adsorbente: isotermas, estudios cinéticos y aplicación en el tratamiento real de aguas residuales textiles. Terreno. Sostener. Desarrollo. 11, 100405 (2020).

Artículo de Google Scholar

Temel, F., Turkyilmaz, M. & Kucukcongar, S. Eliminación de azul de metileno de soluciones acuosas mediante jaula de areno calix [4] soportada en gel de sílice: investigación de las propiedades de adsorción. EUR. Polimero. J. 125, 109540 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Vargas, VH et al. Fibra de sisal como adsorbente alternativo y rentable para la eliminación de colorantes azul de metileno y negro reactivo 5 de soluciones acuosas. Química. Ing. Comunitario. 207, 1-14 (2019).

Google Académico

Methneni, N., Morales-González, JA, Jaziri, A., Mansour, HB & Fernandez-Serrano, M. Contaminantes orgánicos e inorgánicos persistentes en los efluentes de las industrias de teñido de textiles: evaluación ecotoxicológica mediante una batería de biotests. Reinar. Res. 196, 110956 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Ponraj, C., Vinitha, G. & Daniel, J. Una revisión de las nanoestructuras de BiFeO3 activas en luz visible como fotocatalizador adecuado en la degradación de diferentes tintes textiles. Reinar. Nanotecnología. Monit. Gestionar. 7, 110-120 (2017).

Google Académico

Fito, J., Abrham, S. y Angassa, K. Adsorción de azul de metileno de aguas residuales industriales textiles sobre carbón activado de parthenium hysterophorus. En t. J. Medio Ambiente. Res. https://doi.org/10.1007/s41742-020-00273-2 (2020).

Artículo de Google Scholar

Kang, Z. y col. Una revisión sobre la aplicación de biocarbón en la eliminación de contaminantes farmacéuticos mediante adsorción y AOP a base de persulfato. Sostener. 14, 10128 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Moges, A., Nkambule, TTI y Fito, J. La aplicación del nanocompuesto GO-Fe3O4 para la adsorción de cromo de las aguas residuales de la industria del curtido. J. Medio Ambiente. Gestionar. 305, 114369 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Bedada, D., Angassa, K., Tiruneh, A., Kloos, H. y Fito, J. Eliminación de cromo de las aguas residuales de la curtiduría mediante carbón activado producido a partir de la maleza Parthenium hysterophorus. Ecología energética. Reinar. 5, 184-195 (2020).

Artículo de Google Scholar

Tebeje, A., Worku, Z., Nkambule, TTI y Fito, J. Adsorción de la demanda química de oxígeno de aguas residuales industriales textiles mediante adsorbente de bentonita preparado localmente. En t. J. Medio Ambiente. Ciencia. Tecnología. https://doi.org/10.1007/s13762-021-03230-4 (2021).

Artículo de Google Scholar

Artículo CAS Google Scholar

Singh, NB, Nagpal, G. y Agrawal, S. Purificación del agua mediante el uso de adsorbentes: una revisión. Reinar. Tecnología. Innovación. 11, 187–240 (2018).

Artículo de Google Scholar

Crini, G., Lichtfouse, E., Wilson, LD y Morin-crini, N. Procesos orientados a la adsorción que utilizan adsorbentes convencionales y no convencionales para el tratamiento de aguas residuales. https://doi.org/10.1007/978-3-319-92111-2 (2018).

Luo, D. y col. Adsorción de fósforo por biocarbón funcionalizado: una revisión. Reinar. Química. Letón. 2022(1), 1–28 (2022).

Google Académico

Silva, MC y cols. Fibras de carbono activadas por H3PO4 de alta superficie de fibras de pseudotallo de banano: estudios de adsorción de tinte azul de metileno en sistemas discontinuos y de lecho fijo. J. Mol. Licuado. 324, 114771 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Valdés-Rodríguez, EM et al. Fabricación de carbón activado a través de biomasa lignocelulósica mexicana alternativa y su aplicación en el tratamiento de aguas: condiciones de preparación, análisis de química superficial y propiedades de adsorción de metales pesados. Química. Ing. Res. Des. 187, 9–26 (2022).

Artículo de Google Scholar

Rathi, BS y Kumar, PS Aplicación del proceso de adsorción para la eliminación eficaz de contaminantes emergentes del agua y las aguas residuales. Reinar. Contaminación. 280, 116995 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Fito, J., Said, H., Feleke, S. & Worku, A. Eliminación de fluoruro de una solución acuosa sobre carbón activado de Catha edulis mediante la tecnología de tratamiento de adsorción. Reinar. Sistema. Res. 8, 1-10 (2019).

Artículo de Google Scholar

Wang, C. y col. Fertilizantes de liberación lenta a base de biocarbón para la agricultura sostenible: una mini revisión. Reinar. Ciencia. Ecotecnol. 10, 100167 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Fito, J., Tefera, N. y Van Hulle, SWH Adsorción del lavado gastado de destilería en cenizas volantes de bagazo activadas: cinética y termodinámica. J. Medio Ambiente. Química. Ing. 5, 5381–5388 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Prasad, R. y Yadav, KD Uso de la metodología de superficie de respuesta y el enfoque de red neuronal artificial para la eliminación del azul de metileno mediante adsorción en jacinto de agua. Conservación de agua. Gestionar. 4, 83–89 (2020).

Artículo de Google Scholar

Mekonnen, T., Urga, K. & Engidawork, E. Evaluación de las actividades diuréticas y analgésicas de los rizomas de Rumex abyssinicus Jacq en ratones. J. Etnofarmacol. 127, 433–439 (2010).

Artículo PubMed Google Scholar

Mulisa, E., Asres, K. & Engidawork, E. Evaluación de la cicatrización de heridas y la actividad antiinflamatoria de los rizomas de Rumex abyssinicus J. (Polygonaceae) en ratones. Complemento BMC. Alternativo. Medicina. 15, 1-10 (2015).

Artículo de Google Scholar

Getie, M. y col. Evaluación de las actividades antimicrobianas y antiinflamatorias de las plantas medicinales Dodonaea viscosa, Rumex nervosus y Rumex abyssinicus. Fitoterapia 74, 139-143 (2003).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Mohammed, SA, Naisini, A., Madhan, B. & Demessie, BA Rumex abyssinicus (mekmeko): una alternativa más nueva para la fabricación de cuero. Reinar. Prog. Sostener. Energía 39, e13453 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Mohammed, SA, Madhan, B., Demissie, BA, Velappan, B. y Selvi, AT Rumex abyssinicus (mekmeko) Material vegetal etíope para la conservación de pieles de cabra: enfoque para una fabricación de cuero más limpia. J. Limpio. Pinchar. 133, 1043-1052 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Kengne, IC y cols. Actividades antibacterianas, antifúngicas y antioxidantes de los componentes químicos de la planta entera de Rumex abyssinicus. Complemento BMC. Medicina. El r. 21, 1-14 (2021).

Artículo de Google Scholar

Fito, J., Abewaa, M. y Nkambule, T. Biocarbón de parthenium hysterophorus impregnado con magnetita para la adsorción de Cr (VI) de aguas residuales industriales de curtidurías. Aplica. Ciencia del agua. 13, 78 (2023).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Huang, R., Yang, J., Cao, Y., Dionysiou, DD y Wang, C. Degradación catalítica con peroximonosulfato de contaminantes orgánicos persistentes mediante un catalizador diseñado de nanocompuestos de hierro/carbono autodopados derivados de polvo de tóner residual. Sep. Purif. Tecnología. 291, 120963 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Nure, JF, Shibeshi, NT, Asfaw, SL, Audenaer, W. & Van Hulle, SWH Eliminación de DQO y color del lavado de melaza usando carbón activado producido a partir de cenizas volantes de bagazo de la fábrica de azúcar Matahara. Agua SA 43, 470–479.

Artículo CAS Google Scholar

Wang, C., Wang, H. & Gu, G. Xantación asistida por ultrasonido de celulosa a partir de biomasa lignocelulósica optimizada mediante metodología de superficie de respuesta para la sorción de Pb (II). Carbohidrato. Polimero. 182, 21-28 (2018).

Artículo PubMed Google Scholar

Alafnan, S. et al. Isoterma de adsorción de Langmuir en recursos no convencionales: aplicabilidad y limitaciones. J. mascota. Ciencia. Ing. 207, 109172 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Mate, CJ y Mishra, S. Síntesis de hidrogel de goma Jhingan reticulado con bórax para la remediación del tinte Remazol Brilliant Blue R (RBBR) del agua: estudios de isoterma de adsorción, cinética, termodinámica y biodegradación. En t. J. Biol. Macromol. 151, 677–690 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Fito, J. & Nkambule, TTI Síntesis de nanocompuesto de biocarbón-CoFe2O4 para la adsorción de metilparabeno de aguas residuales bajo un diseño experimental factorial completo. Reinar. Monit. Evaluar. 195, 241 (2023).

Artículo CAS Google Scholar

Xu, L. y col. Adsorción de microcontaminantes de aguas residuales utilizando biocarbón codopado con hierro y nitrógeno: estudios de rendimiento, cinética y mecanismo. J. Peligro. Madre. 424, 127606 (2022).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Maulina, S. & Iriansyah, M. Las características del carbón activado resultaron de la pirólisis del polvo de hojas de palma aceitera. en la serie de conferencias IOP: Ciencia e ingeniería de materiales. vol. 309. 12072 (Publicación IOP, 2018).

Hsu, CC, Tu, YH, Yang, YH, Wang, JA & Hu, CC Rendimiento mejorado y estabilidad a largo plazo del carbón activado dopado con nitrógeno para desionización capacitiva. Desalación 481, 114362 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Lim, A. y col. Síntesis, caracterización, isoterma de adsorción y estudio cinético de carbón activado derivado del tronco de palma aceitera para la eliminación de taninos de una solución acuosa. ACS Omega 5, 28673–28683 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yusuff, AS Adsorción de cromo hexavalente a partir de una solución acuosa mediante carbón activado de vainas de semillas de Leucaena leucocephala: estudios de equilibrio, cinéticos y termodinámicos. Árabe J. Aplicación básica. Ciencia. 26, 89-102 (2019).

Artículo de Google Scholar

Rashid, EE. UU. y Bezbaruah, AN Carbón activado granular modificado con ácido cítrico para mejorar la defluoración. Quimiosfera 252, 126639 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Ghose, A. & Mitra, S. Los desechos gastados de hongos comestibles ofrecen estrategias innovadoras para la remediación de microcontaminantes orgánicos persistentes: una revisión. J. Medio Ambiente. Contaminación. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.119285 (2022).

Artículo de Google Scholar

Dwiyaniti, M. y col. Superficie extremadamente alta de carbón activado procedente del bagazo de caña de azúcar. Conferencia de la PIO. Ser. Madre. Ciencia. Ing. 909, 012088 (2020).

Artículo de Google Scholar

Khan, AH y cols. Nanoadsorbentes ecológicos sostenibles para la remediación de productos farmacéuticos del agua y las aguas residuales: una revisión crítica. Reinar. Res. 204, 112243 (2022).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Furukawa, H., Cordova, KE, Keeffe, MO y Yaghi, OM La química y aplicaciones de estructuras organometálicas. Ciencias (80-) 341, 1230444 (2013).

Artículo de Google Scholar

Zheng, M. y col. Estructura metalorgánica como adsorbente eficaz de fármacos procedentes de aguas residuales. Madre. Hoy Común. 31, 103514 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

de Lima, LFS, Coelho, CR, Gomes, GHM & Mohallem, NDS Monolitos mesoporosos de Nb2O5/SiO2 sintetizados mediante proceso sol-gel utilizando hidrato de oxalato de niobato de amonio como agente porógeno. J. Sol-Gel Ciencia. Tecnología. 93, 168-174 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Kahsay, MH Síntesis y caracterización de nanopartículas de ZnO utilizando extracto acuoso de Becium grandiflorum para actividad antimicrobiana y adsorción de azul de metileno. Aplica. Ciencia del agua. 11, 1-12 (2021).

Artículo de Google Scholar

Kara, HT, Anshebo, ST, Sabir, FK y Workineh, GA Eliminación de tinte azul de metileno de aguas residuales utilizando nanocelulosa modificada periodizada. En t. J. química. Ing. https://doi.org/10.1155/2021/9965452 (2021).

Artículo de Google Scholar

Mulushewa, Z., Dinbore, WT y Ayele, Y. Eliminación de azul de metileno de aguas residuales textiles utilizando caolín y zeolita-x sintetizados a partir de caolín etíope. Reinar. Anal. Sanar. Toxico. 36, e2021007 (2021).

Artículo de Google Scholar

Nguyen, VT y cols. Aerogeles de nanocelulosa y óxido de grafeno para la adsorción y eliminación de azul de metileno de un ambiente acuoso. ACS Omega 7(1), 1003–1013. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c05586 (2022).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Kassahun, E., Tibebu, S., Tadesse, Y. y Awish, N. Optimización de la síntesis de carbón activado extraído de llantas de desecho para obtener rendimiento de adsorbente y eliminación de azul de metileno debajo de la superficie de respuesta. Adv. Madre. Ciencia. Ing. https://doi.org/10.1155/2022/2325213 (2022).

Artículo de Google Scholar

Mekuria, D., Diro, A., Melak, F. y Asere, TG Eliminación por adsorción de tinte azul de metileno utilizando materiales de desecho biológico: salvado de cebada y hoja de nervadura central de ensete. J. química. https://doi.org/10.1155/2022/4849758 (2022).

Artículo de Google Scholar

Descargar referencias

Nos gustaría agradecer a la Universidad de Ciencia y Tecnología de Addis Abeba, el Leather Institute Development Industries, la Universidad de Sudáfrica, la Facultad de Ciencias, Ingeniería y Tecnología y el Instituto de Nanotecnología y Sostenibilidad del Agua, Florida Science Campus, 1710, Johannesburgo, Sudáfrica. para soportes e instalaciones de laboratorio.

No se adquiere financiación para este estudio y solo se proporcionaron instalaciones.

Instituto de Nanotecnología y Sostenibilidad del Agua (iNanoWS), Facultad de Ciencias, Ingeniería y Tecnología, Universidad de Sudáfrica, Florida Science Campus, Johannesburgo, 1710, Sudáfrica

Jemal Fito, Abera Demeke Ambaye, Welldone Moyo y Thabo Nkambule

Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería y Tecnología, Universidad Wachemo, Hosanna, Etiopía

Micah Abewaa

Centro de Investigación y Desarrollo de la Industria del Cuero y Productos de Cuero, Addis Abeba, Etiopía

Ashagrie Mengistu

Departamento de Ingeniería Ambiental, Universidad de Ciencia y Tecnología de Addis Abeba, Addis Abeba, Etiopía

Kenatu en Anga

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

Conceptualización, MA y JF; metodología, MA y JF; software, MA y AM; y validación, JF, KA, WM y TN; análisis formal, JF y TN; investigación, maestría; curación de datos, JF, KA y TN; redacción: preparación del borrador original, JF, MA, ADA, WM y TN; redacción: revisión y edición, JF, ADA, WM y TN; y; visualización y supervisión, JF, WM y TN Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Micah Abewa.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado al autor(es) original(es) y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Fito, J., Abewaa, M., Mengistu, A. et al. Adsorción de azul de metileno de aguas residuales industriales textiles utilizando carbón activado desarrollado en la planta Rumex abyssinicus. Informe científico 13, 5427 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32341-w

Descargar cita

Recibido: 31 de enero de 2023

Aceptado: 26 de marzo de 2023

Publicado: 03 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32341-w

Cualquier persona con la que comparta el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Química BMC (2023)

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.

Blog

Adsorción de azul de metileno a partir de aguas residuales industriales textiles utilizando carbón activado desarrollado en la planta Rumex abyssinicus