Біовугілля на основі комбінованої лігноцелюлозної біомаси: синтез та адсорбція барвників
DOI:
https://doi.org/10.15421/cims.5.341Ключові слова:
метиленовий синій, кінетика адсорбції, валоризація біомаси, пористі вуглецеві матеріали, поверхневі функціональні групи, очищення стічних водАнотація
Мета. У цьому дослідженні отримано мультисировинне біовугілля (МСБ) з лігноцелюлозної біомаси — деревини тика, кокосової шкаралупи, багасу цукрової тростини, кукурудзяної соломи та лушпиння арахісу — для підвищення ефективності адсорбції метиленового синього через синергетичну взаємодію різних видів сировини. Дизайн / Метод / Підхід. МСБ синтезовано контрольованим піролізом при 500–700 °C в інертній атмосфері та охарактеризовано методами BET, SEM, FTIR, XRD, дзета-потенціалу і DLS; адсорбційні характеристики щодо метиленового синього оцінено в серійних експериментах із застосуванням кінетичних, ізотермічних і термодинамічних моделей. Результати. МСБ має питому поверхню 76,6 м² г⁻¹, ієрархічну пористу структуру та різноманітні поверхневі функціональні групи, що в сукупності підвищують ефективність адсорбції барвника. За оптимальних умов видалено понад 95% метиленового синього за 90 хвилин; адсорбція відповідає ізотермі Ленгмюра та моделі псевдодругого порядку, підтверджуючи моношарову хемосорбцію, а термодинамічний аналіз свідчить про спонтанний ендотермічний процес, зумовлений поровою дифузією, π–π-взаємодіями, водневими зв'язками та електростатичним притяганням. Теоретичне значення. Отримані результати демонструють, що інтеграція кількох видів біомаси забезпечує синергетичні фізико-хімічні властивості, недосяжні для однокомпонентного біовугілля, поглиблюючи механістичне розуміння багатокомпонентних адсорбційних систем. Практичне значення. Використання доступних відходів біомаси робить МСБ масштабованим, економічно доступним і екологічно сталим рішенням для очищення стічних вод від барвників. Оригінальність / Цінність. На відміну від традиційних однокомпонентних підходів, дослідження системно аналізує вплив інтеграції сировини на пористу структуру, поверхневу гетерогенність і механізми адсорбції, демонструючи переваги синергетичного поєднання біомаси над простою заміною сировини. Обмеження / Майбутні дослідження. Роботу виконано в лабораторному масштабі із синтетичними розчинами барвників; подальші дослідження мають охоплювати регенерацію адсорбенту, довготривалу стабільність, очищення реальних стічних вод і пілотну валідацію. Тип статті. Емпірична стаття.
Завантажити
Посилання
Ahmad, M., Lee, S. S., Dou, X., Mohan, D., Sung, J.-K., Yang, J. E., & Ok, Y. S. (2012). Effects of pyrolysis temperature on soybean stover- and peanut shell-derived biochar properties and TCE adsorption in water. Bioresource Technology, 118, 536–544. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.05.042
Ahmad, M., Rajapaksha, A. U., Lim, J. E., Zhang, M., Bolan, N., Mohan, D., Vithanage, M., Lee, S. S., & Ok, Y. S. (2014). Biochar as a sorbent for contaminant management in soil and water: A review. Chemosphere, 99, 19–33. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2013.10.071
Allen, S. J., Mckay, G., & Porter, J. F. (2004). Adsorption isotherm models for basic dye adsorption by peat in single and binary component systems. Journal of Colloid and Interface Science, 280(2), 322–333. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2004.08.078
Aziz, K. H. H., Fatah, N. M., & Muhammad, K. T. (2024). Advancements in application of modified biochar as a green and low-cost adsorbent for wastewater remediation from organic dyes. Royal Society Open Science, 11(5). https://doi.org/10.1098/rsos.232033
Bhatnagar, A., & Sillanpää, M. (2010). Utilization of agro-industrial and municipal waste materials as potential adsorbents for water treatment—A review. Chemical Engineering Journal, 157(2-3), 277–296. https://doi.org/10.1016/j.cej.2010.01.007
Chen, T., Zhang, Y., Wang, H., Lu, W., Zhou, Z., Zhang, Y., & Ren, L. (2014). Influence of pyrolysis temperature on characteristics and heavy metal adsorptive performance of biochar derived from municipal sewage sludge. Bioresource Technology, 164, 47–54. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.04.048
Chien, J. R. C., & Ganesan, J. J. (2024). Advancing sustainable approaches for the removal and recycling of toxic dyes from the aquatic environment. In Dye Chemistry-Exploring Colour From Nature to Lab. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.1005584
Crini, G. (2006). Non-conventional low-cost adsorbents for dye removal: A review. Bioresource Technology, 97(9), 1061–1085. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2005.05.001
Crini, G., & Badot, P.-M. (2008). Application of chitosan, a natural aminopolysaccharide, for dye removal from aqueous solutions by adsorption processes using batch studies: A review of recent literature. Progress in Polymer Science, 33(4), 399–447. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2007.11.001
Crini, G., & Lichtfouse, E. (2018). Advantages and disadvantages of techniques used for wastewater treatment. Environmental Chemistry Letters, 17(1), 145–155. https://doi.org/10.1007/s10311-018-0785-9
Cullity, B. D., & Stock, S. R. (2001). Elements of X-ray diffraction (3rd ed.). Prentice Hall. https://books.google.com/?id=IiXwAAAAMAAJ
Foo, K. Y., & Hameed, B. H. (2010). Insights into the modeling of adsorption isotherm systems. Chemical Engineering Journal, 156(1), 2–10. https://doi.org/10.1016/j.cej.2009.09.013
Forgacs, E., Cserháti, T., & Oros, G. (2004). Removal of synthetic dyes from wastewaters: a review. Environment International, 30(7), 953–971. https://doi.org/10.1016/j.envint.2004.02.001
Goldstein, J. I., Newbury, D. E., Michael, J. R., Ritchie, N. W., Scott, J. H. J., & Joy, D. C. (2018). Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis (4th ed.). Springer New York. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-6676-9
Gupta, V. K., & Suhas. (2009). Application of low-cost adsorbents for dye removal – A review. Journal of Environmental Management, 90(8), 2313–2342. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2008.11.017
Hassaan, M. A., Yılmaz, M., Helal, M., El-Nemr, M. A., Ragab, S., & El Nemr, A. (2023). Isotherm and kinetic investigations of sawdust-based biochar modified by ammonia to remove methylene blue from water. Scientific Reports, 13(1). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39971-0
Inyang, M., & Dickenson, E. (2015). The potential role of biochar in the removal of organic and microbial contaminants from potable and reuse water: A review. Chemosphere, 134, 232–240. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2015.03.072
Inyang, M., Gao, B., Pullammanappallil, P., Ding, W., & Zimmerman, A. R. (2010). Biochar from anaerobically digested sugarcane bagasse. Bioresource Technology, 101(22), 8868–8872. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.06.088
Josephy, P. D., & Allen-Vercoe, E. (2023). Reductive metabolism of azo dyes and drugs: Toxicological implications. Food and Chemical Toxicology, 178, 113932. https://doi.org/10.1016/j.fct.2023.113932
Langmuir, I. (1918). The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum. Journal of the American Chemical Society, 40(9), 1361–1403. https://doi.org/10.1021/ja02242a004
Lehmann, J., & Joseph, S. (Eds.). (2015). Biochar for Environmental Management. Routledge. https://doi.org/10.4324/9780203762264
Li, H., Dong, X., da Silva, E. B., de Oliveira, L. M., Chen, Y., & Ma, L. Q. (2017). Mechanisms of metal sorption by biochars: Biochar characteristics and modifications. Chemosphere, 178, 466–478. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.03.072
Liu, Y. (2009). Is the Free Energy Change of Adsorption Correctly Calculated? Journal of Chemical & Engineering Data, 54(7), 1981–1985. https://doi.org/10.1021/je800661q
Lodhi, N., Narayan Chadar, S. N., Singh Thakur, D. S., & Raikwar, A. (2024). A comprehensive study on biochar-based nanocomposites in removal of organic pollutants from wastewater. Journal of Water and Environmental Nanotechnology, 9(3), 302-317. https://doi.org/10.22090/jwent.2024.03.04
Mohan, D., Sarswat, A., Ok, Y. S., & Pittman, C. U. (2014). Organic and inorganic contaminants removal from water with biochar, a renewable, low cost and sustainable adsorbent – A critical review. Bioresource Technology, 160, 191–202. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.01.120
Oliveira, F. R., Patel, A. K., Jaisi, D. P., Adhikari, S., Lu, H., & Khanal, S. K. (2017). Environmental application of biochar: Current status and perspectives. Bioresource Technology, 246, 110–122. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.08.122
Qiao, Y., He, C., Zhang, C., Jiang, C., Yi, K., & Li, F. (2019). Comparison of adsorption of biochar from agricultural wastes on methylene blue and Pb2+. BioResources, 14(4), 9766–9780. https://doi.org/10.15376/biores.14.4.9766-9780
Sun, K., Kang, M., Zhang, Z., Jin, J., Wang, Z., Pan, Z., Xu, D., Wu, F., & Xing, B. (2013). Impact of Deashing Treatment on Biochar Structural Properties and Potential Sorption Mechanisms of Phenanthrene. Environmental Science & Technology, 47(20), 11473–11481. https://doi.org/10.1021/es4026744
Tan, X.-f., Liu, Y.-g., Gu, Y.-l., Xu, Y., Zeng, G.-m., Hu, X.-j., Liu, S.-b., Wang, X., Liu, S.-m., & Li, J. (2016). Biochar-based nano-composites for the decontamination of wastewater: A review. Bioresource Technology, 212, 318–333. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.04.093
Thakur, D. S., & Chadar, S. N. (2025a). Sugarcane bagasse-derived nanobiochar via optimized pyrolysis: Synthesis, characterizations and application. Progress in Petrochemical Science, 7(4). https://crimsonpublishers.com/pps/fulltext/PPS.000669.php
Thakur, D. S., & Chadar, S. N. (2025b). Synthesis and characterization of coconut shell-based nanobiochar produced by controlled pyrolysis for dye adsorption from wastewater. Research & Development in Material Science, 22(2). https://doi.org/10.31031/rdms.2025.22.001034
Thakur, D. S., Chadar, S., Lodhi, N., & Raikwar, A. (2024). Overview of Biochar-Based Nanocomposite Materials: A Comparative Analysis. Research & Development in Material Science, 21(1). https://doi.org/10.31031/rdms.2024.21.001003
Thommes, M., Kaneko, K., Neimark, A. V., Olivier, J. P., Rodriguez-Reinoso, F., Rouquerol, J., & Sing, K. S. W. (2015). Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry, 87(9-10), 1051–1069. https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117
Tran, H. N., You, S.-J., Hosseini-Bandegharaei, A., & Chao, H.-P. (2017). Mistakes and inconsistencies regarding adsorption of contaminants from aqueous solutions: A critical review. Water Research, 120, 88–116. https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.04.014
Uchimiya, M., Lima, I. M., Thomas Klasson, K., Chang, S., Wartelle, L. H., & Rodgers, J. E. (2010). Immobilization of heavy metal ions (CuII, CdII, NiII, and PbII) by broiler litter-derived biochars in water and soil. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 58(9), 5538–5544. https://doi.org/10.1021/jf9044217
Wang, J., & Wang, S. (2019). Preparation, modification and environmental application of biochar: A review. Journal of Cleaner Production, 227, 1002–1022. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.04.282
Weber, K., & Quicker, P. (2018). Properties of biochar. Fuel, 217, 240–261. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.12.054
Yaashikaa, P. R., Kumar, P. S., Varjani, S., & Saravanan, A. (2020). A critical review on the biochar production techniques, characterization, stability and applications for circular bioeconomy. Biotechnology Reports, 28, e00570. https://doi.org/10.1016/j.btre.2020.e00570
Yang, F., Li, H., Wang, B., Fan, W., Gu, X., Cao, Y., & Hu, S. (2024). Effect of cellulose-lignin ratio on the adsorption of U(VI) by hydrothermal charcoals prepared from Dendrocalamus farinosus. Frontiers in Environmental Science, 12. https://doi.org/10.3389/fenvs.2024.1451496
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Категорії
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Deshraj Singh Thakur, Santosh Narayan Chadar (Author)
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Всі статті, опубліковані в журналі Challenges and Issues of Modern Science, ліцензовані за ліцензією Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY). Це означає, що ви можете:
- Поширювати, копіювати та передавати статтю
- Адаптувати, реміксувати та створювати похідні роботи на основі статті
за умови, що ви надаєте належне посилання на оригінальну роботу, вказуєте ім'я авторів, назву статті, журнал та наявність ліцензії CC BY. Будь-яке використання матеріалів не повинно припускати схвалення авторами або журналом використаного матеріалу.
