Adsorptive removal of malachite green dye from aqueous solution using Rumex abyssinicus derived activated carbon
- 1. Government of Ethiopia
- 2. University of South Africa
Description
Abstract The potential for malachite green dye saturated effluent to severely affect the environment and human health has prompted the search for effective treatment technologies. Thus, this study was conducted with the goal of developing activated carbon from Rumex abyssinicus for the adsorptive removal of malachite green dye from an aqueous solution. Unit operations such as drying, size reduction, impregnation with H 3 PO 4 , and thermal activation were used during the preparation of the activated carbon. An experiment was designed considering four main variables at their respective three levels: initial dye concentration (50, 100, and 150 mg/L), pH (3, 6, and 9), contact period (20, 40, and 60 min), and adsorbent dosage (0.05, 0.01, and 0.15 g/100 mL). Optimization of the batch adsorption process was carried out using the Response Surface methodology's Box Behnken approach. The characterization of the activated carbon was described by SEM for surface morphology with cracks and highly porous morphology, FTIR for multi-functional groups O–H at 3506.74 cm −1 and 3290.70 cm −1 , carbonyl group stretching from aldehyde and ketone (1900–1700 cm −1 ), stretching motion of aromatic ring C=C (1543.12 cm −1 ), stretching motion of –C–H (1500–1200 cm −1 ), vibrational and stretching motion of –OH (1250.79 cm −1 ), and vibrational motion of C–O–C (1049.32 cm −1 ), pHpzc of 5.1, BET for the specific surface area of 962.3 m 2 /g, and XRD for the presence of amorphous structure. The maximum and minimum dye removal efficiencies of 99.9% and 62.4% were observed at their respective experimental conditions of (100 mg/L, 0.10 mg/100 mL, pH 6, and 40 min) and (100 mg/L, 0.15 mg/100 mL, pH 3, and 20 min), respectively. Langmuir, Freundlich, Toth, and Koble-Corrigan models were used to evaluate the experimental data, in which Koble-Corrigan model was found to be the best fit with the highest value of R 2 0.998. In addition to this, the kinetic studies were undertaken using pseudo-first-order, pseudo-second-order, intraparticle diffusion, and Boyd models, and as a result, the pseudo-second-order model proved to have a better fit among the kinetic models. The kinetics and isotherm analysis revealed that the nature of the adsorption to be homogenous and monolayer surfaces driven by chemosorption. Furthermore, the thermodynamics study revealed the nature of adsorption to be feasible, spontaneous, and endothermic. On the other hand, the reusability study depicted the fact that the adsorbent can be utilized for five cycles with a negligible drop in the removal efficiencies from 99.9 to 95.2%. Finally, the low-cost, environmentally benign, and high adsorption capacity of the adsorbent material derived from Rumex abyssinicus stem could be used to treat industrial effluents.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
نبذة مختصرة دفعت إمكانية أن تؤثر النفايات السائلة المشبعة بصبغة الملكيت الخضراء بشدة على البيئة وصحة الإنسان إلى البحث عن تقنيات علاج فعالة. وهكذا، أجريت هذه الدراسة بهدف تطوير الكربون المنشط من Rumex abyssinicus للإزالة الامتزازية لصبغة الملكيت الخضراء من محلول مائي. تم استخدام عمليات الوحدة مثل التجفيف وتقليل الحجم والتشريب باستخدام H 3 PO 4 والتنشيط الحراري أثناء تحضير الكربون المنشط. تم تصميم تجربة مع الأخذ في الاعتبار أربعة متغيرات رئيسية في مستوياتها الثلاثة: تركيز الصبغة الأولي (50 و 100 و 150 مجم/لتر)، ودرجة الحموضة (3 و 6 و 9)، وفترة التلامس (20 و 40 و 60 دقيقة)، والجرعة الممتزة (0.05 و 0.01 و 0.15 جم/100 مل). تم تحسين عملية امتزاز الدُفعات باستخدام نهج صندوق بهنكن لمنهجية الاستجابة السطحية. تم وصف توصيف الكربون المنشط من قبل SEM لتشكيل السطح مع الشقوق والتشكيل المسامي للغاية، FTIR للمجموعات متعددة الوظائف O - H عند 3506.74 سم -1 و 3290.70 سم -1 ، مجموعة الكربونيل الممتدة من الألدهيد والكيتون (1900-1700 سم -1 )، حركة التمدد للحلقة العطرية C=C (1543.12 سم -1 )، حركة التمدد لـ - C - H (1500–1200 سم -1 )، حركة الاهتزاز والتمدد لـ - OH (1250.79 سم -1 )، والحركة الاهتزازية لـ C - O - C (1049.32 سم -1 )، pHpzc من 5.1، الرهان لمساحة السطح المحددة 962.3 م 2 /جم، و XRD لوجود بنية غير متبلورة. لوحظت كفاءات إزالة الصبغة القصوى والدنيا بنسبة 99.9 ٪ و 62.4 ٪ في ظروفها التجريبية الخاصة بها (100 ملغ/لتر، 0.10 ملغ/100 مل، الرقم الهيدروجيني 6، و 40 دقيقة) و (100 ملغ/لتر، 0.15 ملغ/100 مل، الرقم الهيدروجيني 3، و 20 دقيقة)، على التوالي. تم استخدام نماذج Langmuir و Freundlich و Toth و Koble - Corrigan لتقييم البيانات التجريبية، حيث وجد أن نموذج Koble - Corrigan هو الأنسب بأعلى قيمة 2 0.998 راند. بالإضافة إلى ذلك، أجريت الدراسات الحركية باستخدام نماذج زائفة من الدرجة الأولى، وزائفة من الدرجة الثانية، وانتشار الجسيمات الداخلية، ونماذج بويد، ونتيجة لذلك، أثبت نموذج الدرجة الثانية الزائفة أنه أكثر ملاءمة بين النماذج الحركية. كشف التحليل الحركي ومتساوي الحرارة أن طبيعة الامتزاز هي أسطح متجانسة وأحادية الطبقة مدفوعة بالامتزاز الكيميائي. علاوة على ذلك، كشفت دراسة الديناميكا الحرارية أن طبيعة الامتزاز مجدية وعفوية وماصة للحرارة. من ناحية أخرى، وصفت دراسة إعادة الاستخدام حقيقة أنه يمكن استخدام المادة الممتزة لخمس دورات مع انخفاض ضئيل في كفاءة الإزالة من 99.9 إلى 95.2 ٪. أخيرًا، يمكن استخدام قدرة الامتزاز المنخفضة التكلفة والحميدة بيئيًا والعالية للمواد الممتزة المشتقة من جذع Rumex abyssinicus لمعالجة النفايات السائلة الصناعية.Translated Description (French)
Résumé Le potentiel de l'effluent saturé de colorant vert malachite d'affecter gravement l'environnement et la santé humaine a incité à la recherche de technologies de traitement efficaces. Ainsi, cette étude a été menée dans le but de développer du charbon actif à partir de Rumex abyssinicus pour l'élimination adsorbante du colorant vert malachite d'une solution aqueuse. Des opérations unitaires telles que le séchage, la réduction de taille, l'imprégnation avec H 3 PO 4 et l'activation thermique ont été utilisées lors de la préparation du charbon actif. Une expérience a été conçue en tenant compte de quatre variables principales à leurs trois niveaux respectifs : concentration initiale de colorant (50, 100 et 150 mg/L), pH (3, 6 et 9), période de contact (20, 40 et 60 min) et dose d'adsorbant (0,05, 0,01 et 0,15 g/100 mL). L'optimisation du processus d'adsorption par lots a été réalisée en utilisant l'approche Box Behnken de la méthodologie Response Surface. La caractérisation du charbon actif a été décrite par le MEB pour la morphologie de surface avec des fissures et une morphologie hautement poreuse, l'IRTF pour les groupes multifonctionnels O–H à 3506,74 cm −1 et 3290,70 cm −1 , le groupe carbonyle s'étirant à partir de l'aldéhyde et de la cétone (1900–1700 cm −1 ), le mouvement d'étirement du cycle aromatique C=C (1543,12 cm −1 ), le mouvement d'étirement de –C–H (1500–1200 cm −1 ), le mouvement vibratoire et d'étirement de –OH (1250,79 cm −1 ) et le mouvement vibratoire de C–O–C (1049,32 cm −1 ), pHpzc de 5,1, BET pour la surface spécifique de 962,3 m 2 /g et DRX pour la présence de structure amorphe. Les efficacités maximale et minimale d'élimination des colorants de 99,9 % et 62,4 % ont été observées dans leurs conditions expérimentales respectives de (100 mg/L, 0,10 mg/100 mL, pH 6 et 40 min) et (100 mg/L, 0,15 mg/100 mL, pH 3 et 20 min), respectivement. Les modèles de Langmuir, Freundlich, Toth et Koble-Corrigan ont été utilisés pour évaluer les données expérimentales, dans lesquelles le modèle de Koble-Corrigan s'est avéré être le meilleur ajustement avec la valeur la plus élevée de R 2 0,998. En plus de cela, les études cinétiques ont été entreprises en utilisant des modèles de diffusion intraparticulaire, de pseudo premier ordre, de pseudo second ordre et de Boyd, et par conséquent, le modèle de pseudo second ordre s'est avéré mieux adapté aux modèles cinétiques. L'analyse cinétique et isotherme a révélé que la nature de l'adsorption était des surfaces homogènes et monocouches entraînées par chimiosorption. De plus, l'étude thermodynamique a révélé que la nature de l'adsorption était réalisable, spontanée et endothermique. D'autre part, l'étude de réutilisabilité a montré que l'adsorbant peut être utilisé pendant cinq cycles avec une baisse négligeable des rendements d'élimination de 99,9 à 95,2 %. Enfin, la capacité d'adsorption faible coût, sans danger pour l'environnement et élevée du matériau adsorbant dérivé de la tige de Rumex abyssinicus pourrait être utilisée pour traiter les effluents industriels.Translated Description (Spanish)
Resumen El potencial de los efluentes saturados de colorante verde malaquita para afectar gravemente el medio ambiente y la salud humana ha impulsado la búsqueda de tecnologías de tratamiento eficaces. Por lo tanto, este estudio se realizó con el objetivo de desarrollar carbón activado de Rumex abyssinicus para la eliminación adsortiva del colorante verde malaquita de una solución acuosa. Durante la preparación del carbón activado se utilizaron operaciones unitarias como secado, reducción de tamaño, impregnación con H 3 PO 4 y activación térmica. Se diseñó un experimento considerando cuatro variables principales en sus respectivos tres niveles: concentración inicial de colorante (50, 100 y 150 mg/L), pH (3, 6 y 9), período de contacto (20, 40 y 60 min) y dosis de adsorbente (0.05, 0.01 y 0.15 g/100 mL). La optimización del proceso de adsorción por lotes se llevó a cabo utilizando el enfoque Box Behnken de la metodología Response Surface. La caracterización del carbón activado fue descrita por SEM para morfología superficial con grietas y morfología altamente porosa, FTIR para grupos multifuncionales O–H a 3506.74 cm −1 y 3290.70 cm −1 , grupo carbonilo que se extiende desde aldehído y cetona (1900–1700 cm −1 ), movimiento de estiramiento del anillo aromático C=C (1543.12 cm −1 ), movimiento de estiramiento de –C–H (1500–1200 cm −1 ), movimiento vibracional y de estiramiento de –OH (1250.79 cm −1 ) y movimiento vibracional de C–O–C (1049.32 cm −1 ), pHpzc de 5.1, BET para el área superficial específica de 962.3 m 2 /g y XRD para la presencia de estructura amorfa. Las eficiencias de eliminación de colorante máxima y mínima de 99.9% y 62.4% se observaron en sus respectivas condiciones experimentales de (100 mg/L, 0.10 mg/100 mL, pH 6 y 40 min) y (100 mg/L, 0.15 mg/100 mL, pH 3 y 20 min), respectivamente. Se utilizaron modelos de Langmuir, Freundlich, Toth y Koble-Corrigan para evaluar los datos experimentales, en los que se encontró que el modelo de Koble-Corrigan era el mejor ajuste con el valor más alto de R 2 0,998. Además de esto, los estudios cinéticos se realizaron utilizando modelos de pseudo-primer orden, pseudo-segundo orden, difusión intraparticular y Boyd, y como resultado, el modelo de pseudo-segundo orden demostró tener un mejor ajuste entre los modelos cinéticos. El análisis de cinética e isoterma reveló que la naturaleza de la adsorción es homogénea y las superficies monocapa son impulsadas por la quimiosorción. Además, el estudio de termodinámica reveló que la naturaleza de la adsorción es factible, espontánea y endotérmica. Por otro lado, el estudio de reutilización representó el hecho de que el adsorbente se puede utilizar durante cinco ciclos con una caída insignificante en las eficiencias de eliminación de 99.9 a 95.2%. Finalmente, la capacidad de adsorción de bajo costo, ambientalmente benigna y alta del material adsorbente derivado del tallo de Rumex abyssinicus podría usarse para tratar efluentes industriales.Files
s41598-023-41957-x.pdf.pdf
Files
(1.6 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:dc4b769918828ca5ad83c2bf3979301f
|
1.6 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- الإزالة الامتزازية للصبغة الخضراء للملكيت من المحلول المائي باستخدام الكربون المنشط المشتق من Rumex abyssinicus
- Translated title (French)
- Élimination par adsorption du colorant vert malachite de la solution aqueuse à l'aide de charbon actif dérivé de Rumex abyssinicus
- Translated title (Spanish)
- Eliminación adsortiva del colorante verde malaquita de la solución acuosa utilizando carbón activado derivado de Rumex abyssinicus
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4386521314
- DOI
- 10.1038/s41598-023-41957-x
References
- https://openalex.org/W1983591322
- https://openalex.org/W2018783922
- https://openalex.org/W2023157709
- https://openalex.org/W2053471413
- https://openalex.org/W2053863942
- https://openalex.org/W2105553854
- https://openalex.org/W2197036175
- https://openalex.org/W2538780366
- https://openalex.org/W2580171038
- https://openalex.org/W2592979561
- https://openalex.org/W2885288681
- https://openalex.org/W2895620432
- https://openalex.org/W2899936294
- https://openalex.org/W2915060971
- https://openalex.org/W2932763919
- https://openalex.org/W2997433498
- https://openalex.org/W3012904076
- https://openalex.org/W3015947102
- https://openalex.org/W3041791548
- https://openalex.org/W3045045277
- https://openalex.org/W3082080946
- https://openalex.org/W3082726082
- https://openalex.org/W3093833507
- https://openalex.org/W3102283426
- https://openalex.org/W3110622671
- https://openalex.org/W3119248628
- https://openalex.org/W3120042704
- https://openalex.org/W3174340228
- https://openalex.org/W3177632427
- https://openalex.org/W3179764048
- https://openalex.org/W3184771049
- https://openalex.org/W3190457843
- https://openalex.org/W3214251244
- https://openalex.org/W3214956670
- https://openalex.org/W3217796693
- https://openalex.org/W4200196608
- https://openalex.org/W4214616492
- https://openalex.org/W4221093786
- https://openalex.org/W4224275867
- https://openalex.org/W4225541694
- https://openalex.org/W4237690620
- https://openalex.org/W4282842347
- https://openalex.org/W4282974829
- https://openalex.org/W4283780356
- https://openalex.org/W4286208443
- https://openalex.org/W4291950215
- https://openalex.org/W4292324150
- https://openalex.org/W4296301717
- https://openalex.org/W4297200154
- https://openalex.org/W4302424656
- https://openalex.org/W4303684837
- https://openalex.org/W4309065636
- https://openalex.org/W4313550400
- https://openalex.org/W4317569502
- https://openalex.org/W4319310648
- https://openalex.org/W4319720039
- https://openalex.org/W4321480611
- https://openalex.org/W4322502141
- https://openalex.org/W4323654796
- https://openalex.org/W4327601345
- https://openalex.org/W4328142714
- https://openalex.org/W4362521540
- https://openalex.org/W4367297108
- https://openalex.org/W4367624168
- https://openalex.org/W4375861618
- https://openalex.org/W4378651907
- https://openalex.org/W4379144071
- https://openalex.org/W4380569189
- https://openalex.org/W4381094922
- https://openalex.org/W4381250183
- https://openalex.org/W4381620442
- https://openalex.org/W4384407563
- https://openalex.org/W4384663669
- https://openalex.org/W4385191458
- https://openalex.org/W4385658846
- https://openalex.org/W4388730551