ЕФЕКТИВНИЙ БІОСОРБЕНТ ДЛЯ ОЧИЩЕННЯ ВОДИ, ОТРИМАНИЙ З ВИРОБНО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ВІДХОДІВ: ДОСЛІДЖЕННЯ АДСОРБЦІЇ СИНТЕТИЧНИХ ФАРБНИКІВ
DOI:
https://doi.org/10.15407/scine17.06.083Ключові слова:
целюлоза, синтетичні барвники, переробка відходів, адсорбція, кінетика, термодинаміка, абрикосові кісточки, шкаралупа волоського горіхаАнотація
Вступ. Ефективна утилізація харчових відходів, зокрема горіхової шкаралупи та плодових кісточок, є важливим питанням забезпечення сталого природокористування. Ця вторинна сировина є джерелом цінних полімерних матеріалів — целюлози та лігніну.
Проблематика. Враховуючи потужності харчової промисловості України та кількість накопичених відходів, розвиток технологій переробки біомаси є важливою науково-практичною проблемою.
Мета. Дослідження адсорбційних властивостей хімічно-модифікованого біосорбенту на основі рослинної сировини щодо різних класів синтетичних барвників. Оцінка доцільності виробництва біосорбенту та ефективності його
застосування у очистці води.
Матеріали та методи. Лігноцелюлозний сорбент (ЛЦС) було синтезовано з недеревної сировини шляхом хімічної модифікації з використанням фосфорної кислоти з додаванням сечовини у водному середовищі. Інфрачервона спектроскопія Фур'є та стандартні методи аналізу рослинної сировини використано для визначення фізико-хімічних характеристик ЛЦС. Досліджено адсорбцію аніонних (метилоранж, алізариновий червоний S, еозин Y), катіонних (метиленовий синій, нейтральний червоний) та неіоногенних (аніліновий жовтий) барвників на ЛЦС з водного розчину.
Результати. Адсорбційна ємність ЛЦС щодо катіонних барвників (47,0—53,3 мг/г) вища, ніж для аніонних (22,2—36,9 мг/г) та неіоногенних (4,7 мг/г). Кінетика адсорбції адекватно описується рівнянням псевдодругого порядку.
Адсорбція всіх класів барвників є термодинамічно можливим, спонтанним ендотермічним процесом. Рідкий побічний
продукт виробництва містить 15% Нітрогену і 10% Фосфору, тому його можна використовувати як комплексне мінеральне добриво.
Висновки. Запропонований спосіб переробки харчових відходів передбачає отримання ефективного сорбенту та рідкого NР-добрива. Біосорбент видаляє з води катіонні та аніонні полютанти, тому його можна розглядати як перспективний біосорбент для очистки води.
Посилання
Halysh, V., Sevastyanova, O., Riazanova, A. V., Pasalskiy, B., Budnyak, T., Lindström, M. E., Kartel, M. (2018). Walnut shells as a potential low-cost lignocellulosic sorbent for dyes and metal ions. Cellulose, 25, 4729-4742.
https://doi.org/10.1007/s10570-018-1896-y
Queirós, C. S. G. P., Cardoso, S., Lourenço, A., Ferreira, J., Miranda, I., Lourenço, M. J. V., Pereira, H. (2019). Characterization of walnut, almond, and pine nut shells regarding chemical composition and extract composition. Biomass Conversion and Biorefinery, 10, 175-188. https://doi.org/10.1007/s13399-019-00424-2
Angin, D. (2014). Utilization of activated carbon produced from fruit juice industry solid waste for the adsorption of Yellow 18 from aqueous solutions. Bioresource Technology, 168, 259-266. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.02.100
Jahanban-Esfahlan, A., Ostadrahimi, A., Tabibiazar, M., Amarowicz, R. (2019). A comprehensive review on the chemical constituents and functional uses of walnut (Juglans spp.) husk. International Journal of Molecular Sciences, 20, 3920. https://doi.org/10.3390/ijms20163920
Bordbar, M., Mortazavimanesh, N. (2016). Green synthesis of Pd/walnut shell nanocomposite using Equisetum arvense L. leaf extract and its application for the reduction of 4-nitrophenol and organic dyes in a very short time. Environmental Science and Pollution Research, 24, 4093-4104. https://doi.org/10.1007/s11356-016-8183-y
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
Shah, J., Rasul Jan, M., Haq, A., Khan, Y. (2013). Removal of Rhodamine B from aqueous solutions and wastewater by walnut shells: kinetics, equilibrium and thermodynamics studies. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 7, 428- 436. https://doi.org/10.1007/s11705-013-1358-x
Hokkanen, S., Bhatnagar, A., Sillanpää, M. (2016). A review on modification methods to cellulose-based adsorbents to improve adsorption capacity. Water Research, 91, 156-173. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.01.008
Li, S., Zeng, Z., Xue, W. (2019). Kinetic and equilibrium study of the removal of reactive dye using modified walnut shell. Water Science & Technology, 80, 874-883. https://doi.org/10.2166/wst.2019.324
Ojo, T. A., Ojedokun, A. T., Bello, O. S. (2017). Functionalization of powdered walnut shell with phosphoric acid for Congo red dye removal. Particulate Science and Technology, 11, 74-85. https://doi.org/10.1080/02726351.2017.1340914
Namal, O. O., Kalipci, E. (2018). Adsorption kinetics of methylene blue using alkali and microwave-modified apricot stones. Separation Science and Technology, 54, 1722-1738. https://doi.org/10.1080/01496395.2018.1541469
Abdolali, A., Guo, W. S., Ngo, H. H., Chen, S. S., Nguyen, N. C., Tung, K. L. (2014). Typical lignocellulosic wastes and by-products for biosorption process in water and wastewater treatment: A critical review. Bioresource Technology, 160, 57-66. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.12.037
Jahanban-Esfahlan, A., Jahanban-Esfahlan, R., Tabibiazar, M., Roufegarinejad, L., Amarowicz, R. (2020). Recent advances in the use of walnut (Juglans regia L.) shell as a valuable plant-based bio-sorbent for the removal of hazardous materials. RSC Advances, 10, 7026-7047. https://doi.org/10.1039/C9RA10084A
Ben Arfi, R., Karoui, S., Mougin, K. Ghorbal, A. (2017). Adsorptive removal of cationic and anionic dyes from aqueous solution by utilizing almond shell as bioadsorbent. Euro-Mediterranean Journal for Environmental Integration, 2, 20. https://doi.org/10.1007/s41207-017-0032-y
Değermenci, G. D., Değermenci, N., Ayvaoğlu, V., Durmaz, E., Çakır, D., Akan, E. (2019). Adsorption of reactive dyes on lignocellulosic waste; Characterization, Equilibrium, Kinetic and Thermodynamic Studies. Journal of Cleaner Production, 225, 1220-1229. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.03.260
Hashemian, S., Shayegan, J. (2014). A comparative study of cellulose agricultural wastes (almond shell, pistachio shell, walnut shell, tea waste and orange peel) for adsorption of violet b dye from aqueous solutions. Oriental Journal of Chemistry, 30, 2091-2098. https://doi.org/10.13005/ojc/300478
Soldatkina, L., Zavrichko, M. (2018). Equilibrium, kinetic, and thermodynamic studies of anionic dyes adsorption on corn stalks modified by cetylpyridinium bromide. Colloids Interfaces, 3, 4. https://doi.org/10.3390/colloids3010004
Suteu, D., Zaharia, C., Malutan, T. (2012). Equilibrium, kinetic, and thermodynamic studies of Basic Blue 9 dye sorption on agro-industrial lignocellulosic materials. Central European Journal of Chemistry, 10, 1913-1926.
https://doi.org/10.2478/s11532-012-0122-2
Ben'ko, E. M., Lunin, V. V. (2018). Adsorption of methylene blue on lignocellulosic plant materials. Russian Journal of Physical Chemistry A, 92, 1794-1798. https://doi.org/10.1134/S0036024418090066
Yagub, M. T., Sen, T. K., Afroze, S., Ang, H. M. (2014). Dye and its removal from aqueous solution by adsorption: A review. Advances in Colloid and Interface Science, 209, 172-184. https://doi.org/10.1016/j.cis.2014.04.002
Tang, R., Dai, C., Li, C., Liu, W., Gao, S., Wang, C. (2017). Removal of methylene blue from aqueous solution using agricultural residue walnut shell: equilibrium, kinetic, and thermodynamic studies. Journal of Chemistry, 1-10.
https://doi.org/10.1155/2017/8404965
Miyah, Y., L ahrichi, A., Idrissi, M., Khalil, A., Zerrouq, F. (2018). Adsorption of methylene blue dye from aqueous solutions onto walnut shells powder: equilibrium and kinetic studies. Surfaces and Interfaces, 11, 74-81.
https://doi.org/10.1016/j.surfin.2018.03.006
Namal, O. O., Kalipci, E. (2019). Adsorption kinetics of methylene blue removal from aqueous solutions using potassium hydroxide (KOH) modified apricot kernel shells. International Journal of Environmental Analytical Chemistry, 1-17. https://doi.org/10.1080/03067319.2019.1656721
Salleh, M. A. M., Mahmoud, D. K., Abdul Karim, W. A. W., Idris, A. (2011). Cationic and anionic dye adsorption by agricultural solid wastes: A comprehensive review. Desalination, 280(1-3), 1-13. https://doi.org/10.1016/j.desal.2011.07.019
Rangabhashiyam, S., Anu, N., Selvaraju, N. (2013). Sequestration of dye from textile industry wastewater using agricultural waste products as adsorbents. Journal of Environmental Chemical Engineering, 1(4), 629-641.
https://doi.org/10.1016/j.jece.2013.07.014
Adegoke, K. A., Bello, O. S. (2015). Dye sequestration using agricultural wastes as adsorbents. Water Resources and Industry, 12, 8-24. https://doi.org/10.1016/j.wri.2015.09.002
Cao, J.-S., Lin, J.-X., Fang, F., Zhang, M. T., Hu, Z. R. (2014). A new absorbent by modifying walnut shell for the remo val of anionic dye: Kinetic and thermodynamic studies. Bioresource Technology, 163, 199-205.
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.04.046
Gurr, E. (19 71). Synthetic dyes in biology, medicine and chemistry. London, UK: Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-123-09650-0.X5001-7
Chen, W., Yu, H., Liu, Y. (2011). Preparation of millimeter-long cellulose I nanofibers with diameters of 30-80 nm from bamboo fibers. Carbohydrate Polymers, 86(2), 453-461. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2011.04.061
Zheng, D., Zhang, Y., Guo, Y., Yue, J. (2019). Isolation and characterization of nanocellulose with a novel shape from walnut (Juglans Regia L.) shell agricultural waste. Polymers, 11, 1130. https://doi.org/10.3390/polym11071130
Demirbas, E., Kobya, M., Sulak, M. T. (2008). Adsorption kinetics of a basic dye from aqueous solutions onto apricot stone activated carbon. Bioresource Technology, 99(13), 5368-5373. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.11.019
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
Saadi, R., Saadi, Z., Fazaeli, R., Fard, N. E. (2015). Monolayer and multilayer adsorption isotherm models for sorption from aqueous media. Korean Journal of Chemical Engineering, 32, 787-799.
https://doi.org/10.1007/s11814-015-0053-7
Qiu, H., Lv, L., Pan, B. C., Zhang, Q., Zhang, W., Zhang, Q. (2009). Critical review in adsorption kinetic models. Journal of Zhejiang University, 10, 716-724. https://doi.org/10.1631/jzus.A0820524
Al-Ghouti, M., Da'ana, D. (2020). Guidelines for the use and interpretation of adsorption isotherm models: A review. Journal of Hazardous Materials, 393, 122383. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.122383
Corbett, D., Kohan, N., Machado, G., Jing, C., Nagardeolekar, A., Bujanovic, B. (2015). Chemical composition of apricot pit shells and effect of hot-water extraction. Energies, 8, 9640-9654. https://doi.org/10.3390/en8099640
Ilczyszyn, M. M., Ratajczak, H., Barnes, A. J. (1992). Polarized infrared and Raman spectra of urea-phosphoric acid and urea-arsenic acid single crystals. Journal of Raman Spectroscopy, 23, 1-13. https://doi.org/10.1002/jrs.1250230102
Illy, N., Fache, M., Ménard, R., Negrell, C., Caillol S., David, G. (2015). Phosphorylation of bio-based compounds: the state of the art. Polymer Chemistry, 6, 6257-6291. https://doi.org/10.1039/C5PY00812C
Ahn, B., Choi, U., Kwon, O. (2000). Electro-rheological properties of anhydrous ER suspensions based on phosphoric ester cellulose particles. Polymer International, 49, 567-573. https://doi.org/10.1002/1097-0126(200006)49:6<567::AID-PI416>3.0.CO;2-T
Ghazi Mokri, H. S., Modirshahla, N., Behnajady, M. A., Vahid, B. (2015). Adsorption of C.I. Acid Red 97 dye from aqueous solution onto walnut shell: kinetics, thermodynamics parameters, isotherms. International Journal of Environmental Science and Technology, 12, 1401-1408. https://doi.org/10.1007/s13762-014-0725-6
Dahri, M. K., Kooh, M. R. R., Lim, L. B. L. (2014). Water remediation using low cost adsorbent walnut shell for removal of malachite green: Equilibrium, kinetics, thermodynamic and regeneration studies. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2(3), 1434-1444. https://doi.org/10.1016/j.jece.2014.07.008
Deniz, F. (2014). Effective removal of Maxilon Red GRL from aqueous solutions by walnut shell: Nonlinear kinetic and equilibrium models. Environmental Progress & Sustainable Energy, 33, 396-401. https://doi.org/10.1002/ep.11797
Aydin, H., Baysal, G., Bulut, Y. (2009). Utilization of walnut shells (Juglans regia) as an adsorbent for the removal of acid dyes. Desalination and Water Treatment. 2, 141-150. https://doi.org/10.5004/dwt.2009.251
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 Положення про авторські права Автори, які публікуються у журналі «Наука та інновації», погоджуються на такі умови: Автори зберігають авторські права та надають журналу право першої публікації. Автори можуть вступати в окремі, додаткові договірні угоди для не ексклюзивного розповсюдження надрукованої у журналі «Наука та інновації» версії своєї роботи (статті) (наприклад, розмістити її в інституційному сховищі або опублікувати в своїй книзі), із підтвердженням її первинної публікації у журналі «Наука та інновації». Авторам дозволено розміщувати свою роботу в Інтернеті (наприклад, в інституційних сховищах або на їх веб-сайті).
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
