Удаление органических красителей из водных растворов с помощью графенсодержащего сорбента на основе активированного рапсового биоугля: кинетика и изотермы

В статье разработан графенсодержащий сорбционный материал на основе активированного рапсового биоугля, определены физико-химические свойства сорбента и особенности его морфологического строения. Установлено, что нанокомпозит имеет аморфные характеристики с графеноподобной структурой. Морфологический анализ подтвердил образование внутреннего углеродного каркаса и внешней трехмерной многослойной графеновой структуры, которая превосходно подходит для массопереноса между загрязнителями и поверхностью адсорбента. Также целью исследований являлось определение важных параметров сорбции органических соединений – синтетических красителей конго красного (КК) и малахитового зеленого (МЗ), на разработанном материале из водных растворов в ограниченном объеме. Согласно кинетическим исследованиям, экспериментальная сорбционная емкость материала по МЗ составила 1860 мг/г (время сорбции 60 мин) и 642 мг/г по КК (время сорбции 15 мин). Теоретическая максимальная адсорбционная емкость сорбента, рассчитанная по модели Ленгмюра, достигла значений 769,23 мг/г по КК и 3333,33 мг/г по МЗ. Обнаружено, что извлечение молекул красителей контролируется реакцией второго порядка согласно модели псевдо-второго порядка и проходит преимущественно по смешанно-диффузионному механизму. Энергия активации имеет значение 0,01 кДж/моль по молекулам КК и 0,02 кДж/моль для МЗ, что подтверждает физический механизм поглощения красителей. В целом, в работе показана высокая эффективность адсорбции органических красителей на графенсодержащем сорбционном материале на основе активированного рапсового биоугля, что позволяет говорить о целесообразности его практического применения при очистке сточных вод. 

1. Wutich A, Rosinger AY, Stoler J, Jepson W, et al. Measuring human water needs. American Journal of Human Biology. 2020;32(1):e23350. DOI:10.1002/ajhb.23350

2. Berradi M, Hsissou R, Khudhair M, Assouag M, et al. Textile finishing dyes and their impact on aquatic environs. Heliyon. 2019;5(11):e02711. DOI:10.1016/j.heliyon.2019.e02711

3. Peng X, Huang D, Odoom-Wubah T, Fu D, et al. Adsorption of anionic and cationic dyes on ferromagnetic ordered mesoporous carbon from aqueous solution: equilibrium, thermodynamic and kinetics. Journal of Colloid and Interface Science. 2014;430:272-282. DOI: 10.1016/j.jcis.2014.05.035

4. Eltaweil AS, Ali Mohamed H, Abd El-Monaem EM, El-Subruiti GM. Mesoporous magnetic biochar composite for enhanced adsorption of malachite green dye: characterization, adsorption kinetics, thermodynamics and isotherms. Advanced Powder Technology. 2020;31(3): 1253-1263. DOI:10.1016/j.apt.2020.01.005

5. Wang X, Xu Q, Zhang L, Pei L, et al. Adsorption of methylene blue and congo red from aqueous solution on 3d mxene/carbon foam hybrid aerogels: a study by experimental and statistical physics modeling. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2023;11(1):109206. DOI:10.1016/j.jece.2022.109206

6. Ohemeng-Boahen G, Sewu DD, Tran HN, Woo SH. Enhanced adsorption of congo red from aqueous solution using chitosan/hematite nanocomposite hydrogel capsule fabricated via anionic surfactant gelation. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021;625:126911. DOI:10.1016/j.colsurfa.2021. 126911

7. Boretti A, Rosa L. Reassessing the projections of the world water development report. Npj Clean Water. 2019;2(1):15. DOI:10.1038/s41545-019-0039-9

8. Pichel N, Vivar M, Fuentes M. The problem of drinking water access: a review of disinfection technologies with an emphasis on solar treatment methods. Chemosphere. 2019;218:1014-1030. DOI:10.1016/j.chemosphere.2018.11.205

9. Sabzehmeidani MM, Mahnaee S, Ghaedi M, Heidari H, et al. Carbon based materials: a review of adsorbents for inorganic and organic compounds. Materials Advances. 2021;2(2):598-627. DOI:10.1039/D0MA00087F

10. Khan TA, Saud AS, Jamari SS, Rahim MHA, et al. Hydrothermal carbonization of lignocellulosic biomass for carbon rich material preparation: a review. Biomass and Bioenergy. 2019;130:105384. DOI:10.1016/j.biombioe.2019.105384

11. Dada AO, Inyinbor AA, Tokula BE, Bayode AA, et al. Zinc oxide decorated plantain peel activated carbon for adsorption of cationic malachite green dye: mechanistic, kinetics and thermodynamics modeling. Environmental Research. 2024;252:119046. DOI:10.1016/j.envres.2024.119046

12. Liu Y, Wei S, Kamali BE, Ege D, et al. Ni0.4Fe2.6O4/(Fe, Ni)-carbon core-shell magnetic mesoporous nanostructure for efficient adsorption and photocatalytic degradation of malachite green from wastewater. Journal of Water Process Engineering. 2024;59:105019. DOI:10.1016/j.jwpe.2024.105019

13. Das T, Debnath A, Manna MS. Adsorption of malachite green by aegle marmelos-derived activated biochar: novelty assessment through phytotoxicity tests and economic analysis. Journal of the Indian Chemical Society. 2024;101(9):101219. DOI:10.1016/j.jics.2024.101219

14. Chen L, Mi B, He J, Li Y, et al. Functionalized biochars with highly-efficient malachite green adsorption property produced from banana peels via microwaveassisted pyrolysis. Bioresource Technology. 2023;376: 128840. DOI:10.1016/j.biortech.2023.128840

15. Altun T, Ecevit H. Adsorption of malachite green and methyl violet 2b by halloysite nanotube: batch adsorption experiments and box-behnken experimental design. Materials Chemistry and Physics. 2022;291: 126612. DOI:10.1016/j.matchemphys.2022.126612

16. Sirach R, Dave PN. β-cyclodextrin polymer/zinc ferrite nanocomposite: synthesis, characterization, and adsorption application for the removal of malachite green and Congo red. Journal of Hazardous Materials Advances. 2023;10:100300. DOI:10.1016/j.hazadv.2023.100300

17. Leudjo Taka A, Fosso-Kankeu E, Pillay K, Yangkou Mbianda X. Metal nanoparticles decorated phosphorylated carbon nanotube/cyclodextrin nanosponge for trichloroethylene and Congo red dye adsorption from wastewater. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2020;8(3):103602. DOI:10.1016/j.jece.2019.103602

18. Gopalakrishnan S, Kannan P, Balasubramani K, Rajamohan N, et al. Sustainable remediation of toxic Congo red dye pollution using bio based carbon nanocomposite: modelling and performance evaluation. Chemosphere. 2023;343:140206. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2023.140206

19. Abegunde SM, Olasehinde EF, Adebayo MA. Green synthesis of ZnO nanoparticles using nauclea latifolia fruit extract for adsorption of Congo red. Hybrid Advances. 2024;5:100164. DOI: 10.1016/j.hybadv.2024. 100164

20. Rao R, Huang Y, Zhang H, Hu C, et al. A simple melamine-assisted cellulose pyrolysis synthesis of magnetic and mesoporous n-doped carbon composites with excellent adsorption of Congo red. Separation and Purification Technology. 2024;347:127678. DOI:10.1016/j.seppur.2024.127678

21. Li N, Yan X, Dai W, Lv B, et al. Adsorption properties and mechanism of sepiolite to graphene oxide in aqueous solution. Arabian Journal of Chemistry. 2023;16(4):104595. DOI:10.1016/j.arabjc.2023.104595

22. Ali I, Burakov AE, Burakova IV, Kuznetsova TS, et al. Facile and economic preparation of graphene hydrothermal nanocomposite from sunflower waste: kinetics, isotherms and thermodynamics for Cd(II) and Pb(II) removal from water. Journal of Molecular Liquids. 2024;407:125179. DOI:10.1016/j.molliq.2024.125179

23. Adel M, El-Maghraby A, El-Shazly O, El-Wahidy EWF, Mohamed MAA. Synthesis of few-layer graphene-like nanosheets from glucose: New facile approach for graphene-like nanosheets large-scale production. Journal of Materials Research. 2016;31:455-467. DOI:10.1557/jmr.2016.25

24. Ni Z, Wang Y, Yu T, Shen Z. Raman spectroscopy and imaging of graphene. Nano Research. 2008;1(4):273-291. DOI: 10.1007/s12274-008-8036-1

25. Qiu H, Lv L, Pan B, Zhang Q, et al. Critical review in adsorption kinetic models. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 2009;10(5):716-724. DOI:10.1631/jzus.A0820524

26. Naghizadeh A, Ghasemi F, Derakhshani E, Shahabi H. Thermodynamic, kinetic and isotherm studies of sulfate removal from aqueous solutions by graphene and graphite nanoparticles. Desalination and Water Treatment. 2017;80:247-254. DOI:10.5004/dwt.2017.20891

27. Vigdorowitsch M, Pchelintsev A, Tsygankova L, Tanygina E. Freundlich isotherm: an adsorption model complete framework. Applied Sciences. 2021;11(17):8078. DOI:10.3390/app11178078

28. Kadum AHK, Burakova IV, Mkrtchyan ES, Ananyeva OA, et al. Sorption kinetics of organic dyes methylene blue and malachite green on highly porous carbon material. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2023;8(2):130-140. DOI:10.17277/jamt.2023.02.pp.130-140

29. Hameed BH, Tan IAW, Ahmad AL. Adsorption isotherm, kinetic modeling and mechanism of 2,4,6trichlorophenol on coconut husk-based activated carbon. Chemical Engineering Journal. 2008;144(2):235244. DOI: 10.1016/j.cej.2008.01.028