رنگ‌هاي مصنوعي مانند متيلن‌بلو (MB) به‌سبب ماهيت سمي، پايداري شيميايي و مقاومت در برابر تجزيه زيستي، از آلاينده‌هاي خطرناك آب به‌شمار مي‌آيند و سلامت اكوسيستم‌هاي آبي و انسان را تهديد مي‌كنند. در اين پژوهش، يك جاذب كامپوزيتي نوين با ادغام هيدروچار به‌دست‌آمده از زيست‌توده سماق با نانوذرات فريت مس (CuFe₂O₄) از طريق مسير سنتز هيدروترمال و سپس اصلاح سطحي با سديم دودسيل‌سولفات (SDS) براي بهبود ويژگي‌هاي بين‌سطحي تهيه شد. طراحي آزمايش به روش باكس–بنكن به‌منظور بهينه‌سازي شرايط سنتز انجام شد و اثر متغيرهاي اصلي شامل pH، دما و دوز سماق بر ظرفيت جذب ارزيابي گرديد. مواد سنتز شده با روش‌هاي FESEM، XRD، FTIR، BET،VSM و UV–Vis به‌طور جامع شناسايي شدند. ارزيابي‌هاي ساختاري و مورفولوژيك نشان داد كه اصلاح سطح با SDS باعث پخش‌شدن بهتر نانوذرات، افزايش زبري سطح و رشد چشمگير سطح ويژه از m²/g 5/50 بهm²/g 7/73 شده است. آزمايش‌هاي جذب ناپيوسته نشان داد كه كامپوزيت هيدروچار–فريت مس اصلاح‌شده با SDS عملكرد خوبي در حذف MB دارد و در شرايط بهينه، ظرفيت جذب تاmg/g 7/368 را محقق مي‌كند. رفتار جذب به‌شدت تحت تأثير pH، زمان تماس و دوز جاذب بود و بيشترين ظرفيت جذب در شرايط كمي قليايي رخ داد؛ به‌طوري‌كه در 9pH= ظرفيت mg/g 445 به‌دست آمد. تحليل¬ها نشان داد كه مدل شبه‌مرتبه دوم (PSO) بهترين توصيف از سينتيك را ارائه مي‌كند. در مقابل، داده‌هاي تعادلي بيشترين انطباق را با همدما فروندليچ نشان دادند كه حاكي از ناهمگني سطح و جذب چندلايه‌اي است. متغيرهاي ترموديناميكي ΔG<‎0 )، ΔH‎>0، (ΔS‎>0 نيز به خودبه‌خودي بودن و گرماگير بودن فرايند جذب همراه با افزايش آنتروپي بين‌سطحي دلالت دارند. مهم‌تر آن‌كه آزمايش‌هاي جذب و واجذب پايداري مناسب جاذب را نشان دادند؛ به‌نحوي‌كه پس از پنج چرخه جذب–واجذب، 7/84 درصد از ظرفيت جذب اوليه حفظ شد. در مجموع، كامپوزيت هيدروچار–فريت مس اصلاح‌شده با SDS يك جاذب كم‌هزينه، كارا، قابل جداسازي مغناطيسي و قابل استفاده مجدد است و پتانسيل بالايي براي كاربرد عملي در تصفيه پساب صنعتي دارد.

1404/08/19

Investigation of effective factors in improving the performance of hydrochar-ferrite metal hybrid adsorbent

10/22/2023 12:00:00 AM

Synthetic dyes such as methylene blue (MB) are considered hazardous water pollutants due to their toxic nature, chemical stability, an‎d resistance to biodegradation, posing serious threats to both aquatic ecosystems an‎d human health. In this study, a novel composite adsorbent was synthesized by integrating hydrochar derived from sumac biomass with copper ferrite (CuFe₂O₄) nanoparticles through a hydrothermal route, followed by surface modification using sodium dodecyl sulfate (SDS) to enhance interfacial characteristics. Experimental design based on the Box–Behnken method was employed to optimize the synthesis conditions, while the effects of key variables including pH, temperature, an‎d biomass dosage on adsorption capacity were systematically eva‎luated. The synthesized materials were comprehensively characterized using FESEM, XRD, FTIR, BET, VSM, an‎d UV–Vis analyses. Structural an‎d morphological eva‎luations revealed that surface modification with SDS led to improved nanoparticle dispersion, enhanced surface roughness, an‎d a significant increase in specific surface area from 50.5 to 73.7 m²/g. Batch adsorption experiments demonstrated that the SDS-modified hydrochar–copper ferrite composite exhibited excellent performance for MB removal, achieving a maximum adsorption capacity of 368.7 mg/g under optimized conditions. The adsorption behavior was strongly influenced by pH, contact time, an‎d adsorbent dosage, with the highest uptake occurring under mildly alkaline conditions; at pH = 9, a capacity of 445 mg/g was obtained. Kinetic analysis indicated that the pseudo-second-order (PSO) model best described the adsorption process, while equilibrium data were more consistent with the Freundlich isotherm, suggesting surface heterogeneity an‎d multilayer adsorption. Thermodynamic parameters (ΔG <‎ 0, ΔH ‎> 0, ΔS ‎> 0) confirmed the spontaneous an‎d endothermic nature of the adsorption process, accompanied by increased interfacial entropy. Furthermore, adsorption–desorption tests verified the reusability an‎d stability of the composite; even after five consecutive cycles, 84.7% of the initial adsorption capacity was retained. Overall, the SDS-modified hydrochar–CuFe₂O₄ composite represents a low-cost, efficient, magnetically separable, an‎d reusable adsorbent with great potential for practical application in the treatment of industrial wastewater.

هيدروچار , فريت مس , كامپوزيت , جذب سطحي , اصلاح سطحي , رنگ كاتيوني

Hydrochar , Copper ferrite , Composite , Adsorption process , Surface modification , cationic dye

Reza Heidari

Dr. Reza norouzbeigi