Published December 30, 2022 | Version v1
Publication Open

Preparation of nano zero-valent aluminum for one-step removal of methylene blue from aqueous solutions: cost analysis for scaling-up and artificial intelligence

Creators

  • 1. Zewail City of Science and Technology
  • 2. Badr University in Cairo

Description

Abstract Methylene blue (MB) is a heterocyclic aromatic dye that is difficult to biodegrade due to its complex chemical structure. In this study, chemically prepared nano zero-valent aluminum (nZVAl) was investigated for the first time for one-step removal of MB from aqueous solutions under different experimental factors (pH, dosage, time, MB concentration, stirring rate, temperature, detergents, and ionic strength). The prepared nZVAl material was characterized using XRD, TEM, SEM, EDS, and FTIR. Results indicated that at an initial MB concentration of 10 mg/L, pH 10, nZVAl dosage 1.0 g/L, stirring rate 200 rpm, and temperature 30 °C, the removal efficiency of approximately 99.0% was achieved within an equilibrium time of 90 min. An improvement in MB removal efficiency was observed in the presence of inorganic salts, while the presence of detergents resulted in a reduction in MB removal efficiency. The isotherm adsorption data were best fitted by the Freundlich isotherm model ( R 2 : 0.9569), while the kinetic data were well described by the pseudo-second-order (PSO) model ( R 2 : 0.9999). Based on the thermodynamic study, the MB adsorption process is physically diffusion-controlled. The adsorption of MB onto nZVAl was accurately described using an artificial neural network (ANN) with a structure of 11–10–1 and R 2 of 0.97. The overall cost of scaling up the adsorption unit to be used for MB removal from aqueous solutions under the optimum conditions is about US$1.31/m 3 . Consequently, this study opens the door for other researchers to test nZVAl in treating real textile wastewater.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

ملخص أزرق الميثيلين (MB) هو صبغة عطرية غير متجانسة الحلقات يصعب تحللها بيولوجيًا بسبب تركيبها الكيميائي المعقد. في هذه الدراسة، تم فحص الألومنيوم النانوي الصفري التكافؤ المعد كيميائياً (nZVAl) لأول مرة لإزالة خطوة واحدة من MB من المحاليل المائية تحت عوامل تجريبية مختلفة (الرقم الهيدروجيني، الجرعة، الوقت، تركيز MB، معدل التحريك، درجة الحرارة، المنظفات، والقوة الأيونية). تم تمييز مادة nZVAl المحضرة باستخدام XRD و TEM و SEM و EDS و FTIR. أشارت النتائج إلى أنه عند تركيز MB الأولي البالغ 10 مجم/لتر، ودرجة الحموضة 10، وجرعة nZVAl 1.0 جم/لتر، ومعدل التقليب 200 دورة في الدقيقة، ودرجة الحرارة 30 درجة مئوية، تم تحقيق كفاءة الإزالة بنسبة 99.0 ٪ تقريبًا في غضون وقت توازن قدره 90 دقيقة. ولوحظ تحسن في كفاءة إزالة بروميد الميثيل في وجود الأملاح غير العضوية، في حين أدى وجود المنظفات إلى انخفاض كفاءة إزالة بروميد الميثيل. تم تركيب بيانات الامتزاز متساوية الحرارة بشكل أفضل من خلال نموذج Freundlich متساوي الحرارة ( R 2 : 0.9569)، في حين تم وصف البيانات الحركية بشكل جيد من خلال نموذج شبه الترتيب الثاني (PSO) ( R 2 : 0.9999). بناءً على الدراسة الديناميكية الحرارية، يتم التحكم في عملية امتزاز MB فعليًا بالانتشار. تم وصف امتزاز MB على nZVAl بدقة باستخدام شبكة عصبية اصطناعية (ANN) بهيكل 11-10-1 و R 2 من 0.97. تبلغ التكلفة الإجمالية لتوسيع نطاق وحدة الامتزاز التي سيتم استخدامها لإزالة MB من المحاليل المائية في ظل الظروف المثلى حوالي 1.31 دولار أمريكي/م 3 . وبالتالي، فإن هذه الدراسة تفتح الباب أمام باحثين آخرين لاختبار nZVAl في معالجة مياه الصرف الصحي النسيجية الحقيقية.

Translated Description (French)

Résumé Le bleu de méthylène (MB) est un colorant aromatique hétérocyclique difficile à biodégrader en raison de sa structure chimique complexe. Dans cette étude, l'aluminium nano zéro-valent (nZVAl) préparé chimiquement a été étudié pour la première fois pour l'élimination en une étape du MB des solutions aqueuses sous différents facteurs expérimentaux (pH, dosage, temps, concentration de MB, vitesse d'agitation, température, détergents et force ionique). Le matériau nZVAl préparé a été caractérisé en utilisant XRD, TEM, SEM, EDS et FTIR. Les résultats ont indiqué qu'à une concentration initiale de MB de 10 mg/L, un pH de 10, une dose de nZVAl de 1,0 g/L, une vitesse d'agitation de 200 tr/min et une température de 30 °C, l'efficacité d'élimination d'environ 99,0 % a été atteinte dans un temps d'équilibre de 90 min. Une amélioration de l'efficacité d'élimination du MB a été observée en présence de sels inorganiques, tandis que la présence de détergents a entraîné une réduction de l'efficacité d'élimination du MB. Les données d'adsorption isotherme ont été mieux adaptées par le modèle d'isotherme de Freundlich ( R 2 : 0,9569), tandis que les données cinétiques ont été bien décrites par le modèle de pseudo-seconde-ordre (PSO) ( R 2 : 0,9999). Sur la base de l'étude thermodynamique, le processus d'adsorption du MB est physiquement contrôlé par diffusion. L'adsorption de MB sur le nZVAl a été décrite avec précision en utilisant un réseau neuronal artificiel (RNA) avec une structure de 11–10–1 et R 2 de 0,97. Le coût global de la mise à l'échelle de l'unité d'adsorption à utiliser pour l'élimination du MB des solutions aqueuses dans des conditions optimales est d'environ 1,31 USD/m 3 . Par conséquent, cette étude ouvre la porte à d'autres chercheurs pour tester nZVAl dans le traitement des eaux usées textiles réelles.

Translated Description (Spanish)

Resumen El azul de metileno (MB) es un colorante aromático heterocíclico que es difícil de biodegradar debido a su compleja estructura química. En este estudio, se investigó por primera vez el nanoaluminio de valencia cero (nZVAl) preparado químicamente para la eliminación en un solo paso de MB de soluciones acuosas bajo diferentes factores experimentales (pH, dosis, tiempo, concentración de MB, velocidad de agitación, temperatura, detergentes y fuerza iónica). El material nZVAl preparado se caracterizó utilizando XRD, TEM, SEM, EDS y FTIR. Los resultados indicaron que a una concentración inicial de MB de 10 mg/L, pH 10, dosis de nZVAl de 1.0 g/L, velocidad de agitación de 200 rpm y temperatura de 30 °C, la eficiencia de eliminación de aproximadamente el 99.0% se logró dentro de un tiempo de equilibrio de 90 min. Se observó una mejora en la eficiencia de eliminación de MB en presencia de sales inorgánicas, mientras que la presencia de detergentes dio como resultado una reducción en la eficiencia de eliminación de MB. Los datos de adsorción isoterma se ajustaron mejor mediante el modelo isotermo de Freundlich ( R 2 : 0.9569), mientras que los datos cinéticos se describieron bien mediante el modelo de pseudo-segundo orden (PSO) ( R 2 : 0.9999). Con base en el estudio termodinámico, el proceso de adsorción de MB está físicamente controlado por difusión. La adsorción de MB en nZVAl se describió con precisión utilizando una red neuronal artificial (ANN) con una estructura de 11–10–1 y R 2 de 0.97. El costo total de la ampliación de la unidad de adsorción que se utilizará para la eliminación de MB de las soluciones acuosas en las condiciones óptimas es de aproximadamente US$ 1.31/m 3 . En consecuencia, este estudio abre la puerta para que otros investigadores prueben nZVAl en el tratamiento de aguas residuales textiles reales.

Files

s13201-022-01837-7.pdf.pdf

Files (2.8 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:3aba9cf2649aae70c41de960860e2ff9
2.8 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تحضير ألومنيوم نانو صفر التكافؤ لإزالة خطوة واحدة من أزرق الميثيلين من المحاليل المائية: تحليل التكلفة لتوسيع النطاق والذكاء الاصطناعي
Translated title (French)
Préparation de l'aluminium nano zéro-valent pour l'élimination en une étape du bleu de méthylène des solutions aqueuses : analyse des coûts pour la mise à l'échelle et l'intelligence artificielle
Translated title (Spanish)
Preparación de nanoaluminio de valencia cero para la eliminación en un solo paso de azul de metileno de soluciones acuosas: análisis de costes para la ampliación e inteligencia artificial

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4313369165
DOI
10.1007/s13201-022-01837-7

Is supplement to
https://openalex.org/W970908920 (Other)
https://openalex.org/W3157080598 (Other)
https://openalex.org/W2965789274 (Other)
https://openalex.org/W2902794965 (Other)
https://openalex.org/W2308100574 (Other)
https://openalex.org/W2188124141 (Other)
https://openalex.org/W2072393323 (Other)
https://openalex.org/W2045773155 (Other)
https://openalex.org/W2039224841 (Other)
https://openalex.org/W2031036744 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W1580813800
  • https://openalex.org/W1964533553
  • https://openalex.org/W1967107719
  • https://openalex.org/W1968068573
  • https://openalex.org/W1974220999
  • https://openalex.org/W1976527789
  • https://openalex.org/W1977876351
  • https://openalex.org/W1987149520
  • https://openalex.org/W1990462066
  • https://openalex.org/W1995444692
  • https://openalex.org/W1996301393
  • https://openalex.org/W2003309920
  • https://openalex.org/W2011793144
  • https://openalex.org/W2015151074
  • https://openalex.org/W2022068158
  • https://openalex.org/W2022339418
  • https://openalex.org/W2023935971
  • https://openalex.org/W2026752224
  • https://openalex.org/W2028499970
  • https://openalex.org/W2039523450
  • https://openalex.org/W2041357509
  • https://openalex.org/W2044171367
  • https://openalex.org/W2047840659
  • https://openalex.org/W2052352034
  • https://openalex.org/W2053489710
  • https://openalex.org/W2055245776
  • https://openalex.org/W2061658066
  • https://openalex.org/W2070519249
  • https://openalex.org/W2071921435
  • https://openalex.org/W2088267603
  • https://openalex.org/W2092941746
  • https://openalex.org/W2103357391
  • https://openalex.org/W2105632469
  • https://openalex.org/W2112017750
  • https://openalex.org/W2129048021
  • https://openalex.org/W2157632156
  • https://openalex.org/W2164777866
  • https://openalex.org/W2169657303
  • https://openalex.org/W2300474821
  • https://openalex.org/W2330712624
  • https://openalex.org/W2337428000
  • https://openalex.org/W2345233629
  • https://openalex.org/W2395583769
  • https://openalex.org/W2435807817
  • https://openalex.org/W2493549324
  • https://openalex.org/W2508604439
  • https://openalex.org/W2580930337
  • https://openalex.org/W2594908501
  • https://openalex.org/W2596786404
  • https://openalex.org/W2599026141
  • https://openalex.org/W2600756984
  • https://openalex.org/W2755410454
  • https://openalex.org/W2769877141
  • https://openalex.org/W2775688388
  • https://openalex.org/W2792863542
  • https://openalex.org/W2794214893
  • https://openalex.org/W2807903823
  • https://openalex.org/W2809470067
  • https://openalex.org/W2831970769
  • https://openalex.org/W2887366144
  • https://openalex.org/W2908385067
  • https://openalex.org/W2923243288
  • https://openalex.org/W2954091831
  • https://openalex.org/W2972503947
  • https://openalex.org/W2980182901
  • https://openalex.org/W2985186771
  • https://openalex.org/W2996264715
  • https://openalex.org/W3004985068
  • https://openalex.org/W3048553897
  • https://openalex.org/W3120345890
  • https://openalex.org/W3120867007
  • https://openalex.org/W3170221297
  • https://openalex.org/W3173706249
  • https://openalex.org/W3184461222
  • https://openalex.org/W3198022550
  • https://openalex.org/W3199965456
  • https://openalex.org/W3204192444
  • https://openalex.org/W3206495906
  • https://openalex.org/W3208393825
  • https://openalex.org/W3213751777
  • https://openalex.org/W3214766418
  • https://openalex.org/W4200434973
  • https://openalex.org/W4213084176
  • https://openalex.org/W4225327653
  • https://openalex.org/W4226362381
  • https://openalex.org/W4238327694
  • https://openalex.org/W4281618540
  • https://openalex.org/W4281619180
  • https://openalex.org/W4281751788
  • https://openalex.org/W4281764543
  • https://openalex.org/W4281836128
  • https://openalex.org/W4283515656
  • https://openalex.org/W4297989819