تهیه و ارزیابی جاذب ارزان‌قیمت از پودر چوب کاج الداریکا (Pinus eldarica) برای حذف رنگ‌ کاتیونی متیلن-بلو از محلول آبی، مطالعات ایزوترم و سینتیک

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار ، گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

2 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد مهندسی شیمی، دانشگاه نوشیروانی بابل، بابل، ایران.

چکیده

سابقه و هدف: توسعه انسانی و رشد سریع جمعیت فشار زیادی بر کیفیت و دسترسی به منابع آب وارد می‌کند. انواع مختلفی از آلاینده‌ها وجود دارد که از صنایع مختلف به منابع آب تخلیه می‌شوند و منجر به آلودگی آب می‌شوند. رنگ‌ها از مهم‌ترین آلاینده‌های آب هستند و از صنایع مختلف مانند صنایع غذایی، دباغی، خمیر و کاغذ، نساجی و شیمیایی منشأ می‌گیرند. وقتی رنگ‌ها وارد سیستم‌های آبی می‌شوند، آب را برای استفاده نامناسب می‌کنند و اغلب تصفیه چنین آبی سخت می‌شود؛ زیرا ساختار مولکولی رنگ‌ها پیچیده است و بسیاری از رنگ‌های مورد استفاده در صنعت منشأ مصنوعی دارند که بسیار پایدار بوده و به‌سختی تجزیه می‌شوند. فناوری‌های متفاوتی برای حذف رنگ از محیط آبی مثل تجمع/دلمه‌شدگی ، تبادل یونی ، تیمار بیولوژیکی ، فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته و جذب گزارش شده است. در بین این روش‌ها، روش جذب به‌عنوان یکی از مؤثرترین تکنیک‌ها برای تصفیه پساب شناخته شده است. در این پژوهش، استفاده از پودر چوب کاج الداریکا به‌عنوان جاذب برای حذف رنگ کاتیونی متیلن‌بلو از محلول آبی با استفاده از روش جذب سطحی ناپیوسته بررسی و مطالعه شد.
مواد و روش‌ها: پودر چوب مورد استفاده به‌عنوان جاذب با اندازه مش 60، از پسماندهای چوب کاج الداریکا (Pinus eldarica) تهیه شد. به‌منظور افزایش ظرفیت جذب و فعا‌سازی جایگاه‌های جذب، پودر چوب تحت تیمار شیمیایی قلیایی با NaOH قرار گرفت.. تأثیر سه فاکتور مقدار جاذب، pH و زمان تماس جهت به دست آوردن حداکثر میزان درصد حذف (%R) رنگ بررسی شد. آنالیزهای FE-SEM، BET، XRD، FTIR جهت بررسی خواص فیزیکی-شیمیایی جاذب پودر چوب کاج تیمارشده با NaOH انجام شدند.
یافته‌ها: اصلاح شیمیایی پودر چوب توسط طبف‌سنجی FTIR اثبات شد. سطح‌فعال BET نمونه اصلاح‌شده در مقایسه با نمونه اصلاح-نشده کمی افزایش یافت که نشان‌دهنده تأثیر مثبت اصلاح انجام گرفته در آزمایش‌های شیمیایی جذب می‌باشد. با توجه به نتایج XRD مشاهده شد که پس از تیمار شیمیایی شاخص بلورینگی پودر چوب کاج افزایش یافت. تأثیر سه فاکتور مقدار جاذب، pH و زمان تماس جهت به دست آوردن حداکثر میزان درصد حذف (%R) رنگ متیلن‌بلو بررسی شد. بیشترین میزان حذف رنگ در 5/6 pH=، مقدار جاذب 24/1 گرم و زمان تماس 65 دقیقه مشاهده شد. مشاهده تصاویر FE-SEM نشان داد که مورفولوژی سطح پودر چوب تیمارشده قلیایی به‌طور قابل‌توجهی با جذب متیلن‌بلو تغییر کرد و سطح پودر چوب تیمار شده قلیایی توسط رنگ متیلن‌بلو از طریق فرآیند جذب روی آن پوشانده شد. به‌منظور تعیین مکانیسم واکنش، مدل‌های سینتیکی شبه‌مرتبه اول و شبه‌مرتبه دوم به کار رفتند. داده‌های سینتیک جذب بر روی مدل شبه مرتبه دوم برازش بهتری از خود نشان دادند که می‌توان نتیجه گرفت که ماهیت فرآیند جذب از نوع شیمیایی می‌باشد. آنالیز داده-های تعادلی توسط ایزوترم‌های فرندلیچ و لانگمایر نشان داد که پدیده جذب از هر دو مدل لانگمایر و فرندلیچ تبعیت نمود. اما با توجه به بیشتر بودن ضریب همبستگی در معادلات حاصل از مدل فرندلیچ، ایزوترم فرندلیچ مدل بهتری برای جذب رنگ متیلن‌بلو با استفاده از جاذب پودر چوب کاج می‌باشد. همچنین با توجه به نتایج، حداکثر ظرفیت جذب پیش‌بینی‌شده با استفاده از مدل لانگمایر با افزایش دما افزایش یافت.
نتیجه‌گیری: به‌طورکلی، با توجه به نتایج به‌دست‌آمده با استفاده از رنگ کاتیونی متیلن‌بلو، پودر چوب کاج به‌عنوان جاذبی مؤثر برای جذب این رنگ عمل نمود. همچنین فاکتور مقدار جاذب نسبت به زمان تماس تأثیر بیشتری بر درصد حذف رنگ متیلن‌بلو دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Preparation and evaluation of low-cost adsorbent from pine wood powder (Pinus eldarica) for removal of cationic methylene blue dye from aqueous solution: Isotherm and kinetic studies.

نویسندگان [English]

  • Mozhdeh Mashkour 1
  • Neda Rahmati 2
1 Assistant professor of Department of Paper Science and Engineering, Faculty of Wood and Paper EngineeringAssistant Professor, Department of Paper Science and Engineering, Faculty of Wood and Paper Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
2 Master's degree in Chemical Engineering, Noshirvani University of Babol, Babol, Iran.
چکیده [English]

Background and Objective: Human development and rapid population growth exert significant pressure on the quality and accessibility of water resources. Various types of pollutants discharged from different industries into water sources lead to water pollution. Dyes are among the most important water pollutants, originating from various industries such as food, tanning, pulp and paper, textile, and chemical industries. When dyes enter water systems, they render the water unfit for use and often make its treatment difficult; this is because the molecular structure of dyes is complex, and many dyes used in industry are synthetic, highly stable, and resistant to degradation. Various technologies have been reported for dye removal from aqueous environments, such as coagulation/flocculation, ion exchange, biological treatment, advanced oxidation processes, and adsorption. Among these methods, the adsorption process is recognized as one of the most effective techniques for wastewater treatment. In this research, the use of Pinus eldarica wood powder as an adsorbent for the removal of cationic dye from aqueous solution using a batch adsorption method was investigated.
Materials and Methods: The wood powder used as the adsorbent, with a mesh size of 60, was prepared from the waste of Pinus eldarica wood. To increase the adsorption capacity and activate the adsorption sites, the wood powder was subjected to alkaline chemical treatment with NaOH. The cationic dye Methylene Blue was used. The effects of three factors—adsorbent dosage, pH, and contact time—were investigated to obtain the maximum removal percentage (%R). FE-SEM, BET, XRD, and FTIR analyses were performed to study the physico-chemical properties of the NaOH-treated pine wood powder adsorbent.
Findings: Chemical modification of the wood powder was confirmed by FTIR spectroscopy. The BET surface area of the modified sample slightly increased compared to the unmodified sample, indicating the positive impact of the modification on the chemical adsorption tests. According to the XRD results, the crystallinity index of the pine wood powder increased after chemical treatment. The influence of the three factors (adsorbent dosage, pH, and contact time) on obtaining the maximum removal percentage (%R) of Methylene Blue was studied. The highest dye removal was observed at pH=6.5, an adsorbent dosage of 1.24 grams, and a contact time of 65 minutes. FE-SEM images showed that the surface morphology of the alkali-treated wood powder changed significantly after Methylene Blue adsorption, and the surface was covered by the dye via the adsorption process. To determine the reaction mechanism, pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetic models were applied. The adsorption kinetic data were better fitted by the pseudo-second-order model, suggesting that the nature of the adsorption process is chemical. Analysis of the equilibrium data using Freundlich and Langmuir isotherms showed that the adsorption phenomenon followed both models. However, given the higher correlation coefficient from the Freundlich model equations, the Freundlich isotherm was a better model for the adsorption of Methylene Blue using the pine wood powder adsorbent. Furthermore, according to the results, the maximum adsorption capacity predicted by the Langmuir model increased with rising temperature.
Conclusion: In general, based on the results obtained using the cationic dye Methylene Blue, pine wood powder acted as an effective adsorbent for its adsorption. Also, the adsorbent dosage factor had a greater influence on the Methylene Blue removal percentage than the contact time.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Methylene blue
  • Pine wood powder
  • Surface adsorption
  • Isotherm
  • Kinetic

مراجع

  1. Ataeefard, M. (2014). Influence of paper surface characteristics on digital printing quality. Surface engineering.30: 7. 529-534.
  2. Altay, B.N., Huq, A., Aksoy, B., Hailstone, R., Demir, M., Aydemir, C., ... & Williams, S. (2023). Enhanced internal coating structure and light reflectance of coated papers: a sludge valorization process. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 11: 13. 5303-5314.
  3. Rastogi, V.K., & Samyn, P. (2015). Bio-based coatings for paper applications. Coatings. 5: 4. 887-930.
  4. Barikani, M. (2018). Biodegradable polymers and their role in sustainable development. Polym Adv Technol. 29: 1. 47-58.
  5. Jiang, T., Duan, Q., Zhu, J., Liu, H., & Yu, L. (2020). Starch-based biodegradable materials: Challenges and opportunities. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research. 3: 1. 8-18.
  6. Song, Z., Pan, Y., & Xiao, H. (2013). Effects of zein emulsion application on improving the water and water vapour barrier properties of paper. Nordic Pulp & Paper Research Journal. 28: 3. 381-385.
  7. Gadakh, D., Dashora, P., & Wadhankar, G., (2020). A review paper on graphene coated fibres. Graphene. 8: 4. 53-74.
  8. You, X., Wang, H., He, J., & Qi, K. (2025). Fluorine-free superhydrophobic breathable membranes with lotus-leaf/corncob-like composite structure for highly water-resistant fabrics. Chemical Engineering Journal. 506, 160214.
  9. Mousavi, S.M.M., Afra, E., Tajvidi, M., Bousfield, D.W., & Dehghani-Firouzabadi, M. (2018). Application of cellulose nanofibril (CNF) as coating on paperboard at moderate solids content and high coating speed using blade coater. Progress in Organic Coatings. 122: 207-218.
  10. Tihminlioglu, F., Atik, İ.D., & Özen, B. (2010). Water vapour and oxygen-barrier performance of corn–zein coated polypropylene films. Journal of Food Engineering. 96: 3. 342-347.
  11. Asgher, M., Qamar, S.A., Bilal, M., & Iqbal, H.M. (2020). Bio-based active food packaging materials: Sustainable alternative to conventional petrochemical-based packaging materials. Food Research International. 137, 109625.
  12. Wu, F., Misra, M., & Mohanty, A.K. (2021). Challenges and new opportunities in barrier performance of biodegradable polymers for sustainable packaging. Progress in Polymer Science. 117, 101395.
  13. Mujtaba, M., Lipponen, J., Ojanen, M., Puttonen, S., & Vaittinen, H. (2022). Trends and challenges in the development of bio-based barrier coating materials for paper/cardboard food packaging; a review. Science of The Total Environment. 851, 158328.
  14. Rastogi, V.K., & Samyn, P. (2015). Bio-based coatings for paper applications. Coatings. 5: 4. 887-930.
  15. Asadi Khansari, A., , Dehghani Firouzabadi, M., & Resalati, H. (2017). Double coating effects of latex and MFC on barrier and printability properties in paper, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Faculty of Wood and Paper Engineering. 228p.
  16. Ebrahimpour Kasmani, J., Mahdavi, S., & Samariha, S., (2014). Improvement of physical properties and printability of wood containing paper by light weight coating. Journal of Color Science and Technology. 7: 265-274.
  1. Mohammadi, E., Rezanezhad, S., & Asadpour, G. (2021). Evaluation of strength, optical and antibacterial properties of treated papers by chitosan and nano zinc oxide. Iranian Journal of Wood and Paper Industries. 12: 12. 145-162.
  2. Zhang, M., Hao, N., Song, S., Wang, J., Wu, Y., & Li, L. (2014). Investigation of the mixed refining of a novel fly ash-based calcium Silicate filler with fiber. Bioresources. 9: 3. 5175-5183.
  3. Tayeb, A.H., Amini, E., Ghasemi, S., & Tajvidi, M. (2018). Cellulose nanomaterials—Binding properties and applications: A review. Molecules. 23: 10. 2684.
  1. Kumar, N., & Bhardwaj, N. (2011). Influence of particle size distribution of calsum carbonate pigments on coated paper whiteness. Journal of Coatings Technology and Research. 8: 5. 613-618.
  2. Çiçekler, M., Sozbir, T., & Tutus, A., (2023). Improving the optical properties and filler content of white top testliners by using a size press. ACS omega. 8: 23. 21000-21007.
  1. Liu, H., Shi, H., Wang, Y., Wu, W., & Ni, Y. (2014). Interactions of lignin with optical brightening agents and their effect on paper optical properties. Industrial & Engineering Chemistry Research. 53: 8. 3091-3096.
  1. Soltany, Z., Farahmand Borujeni, H., & Abed-Esfahani, A. (2016). Investigating the impact of honey additive on Iranian traditional ink. Journal of Colour Science and Technology. 10: 1. 43-54.
پژوهش‌های علوم و فناوری چوب و جنگل

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 05 آذر 1404

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار