サトウキビ由来の活性炭を天然ゼオライトで修飾し、メチレンブルー色素を効率的に吸着: 実験的および理論的アプローチ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18031 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

メチレンブルー (MB) 色素の吸着を強化するための効率的で信頼性の高いナノ吸着剤としての活性炭/天然ゼオライト (AC/NZ) の導入。 サトウキビ廃棄物を 500 ～ 900 °C のさまざまな温度で焼成することにより、活性炭 (AC) が形成されます。 調製した吸着剤の特性評価には、XRD と SEM の両方を使用しました。 MB 色素の除去に関する吸着測定は、pH、開始時の MB 濃度、および接触時間の影響に基づいて行われました。 25 °C、pH 7、AC500/NZ 質量 50 mg における MB 色素の最大 AC500/NZ 吸着容量は、初期濃度 30 ppm で約 51 mg/g であることがわかりました。 擬似 2 次反応速度論モデルと Temkin 等温線モデルは、吸着プロセスを記述します。 Temkin モデルは、吸着エネルギーが 1.0 kcal/mol であることを示しており、MB から AC500/NZ への吸着プロセスが物理的に発生することを示しています。 私たちのモンテカルロ (MC) シミュレーション研究は私たちの発見を裏付け、ファンデルワールス分散力が MB 分子の物理吸着の原因であることを示しました。 AC500/NZ 吸着剤は、水浄化の強力な候補であると考えられています。

急速な工業化により、毎年大量の有害廃棄物が湖に投棄されています。 水の汚染は人間や他の生物にとって大きな脅威であると考えられています。 有機染料は繊維、印刷、食品、皮革産業から水中に放出されます1。 これらの染料は、がん、皮膚炎、アレルギーなどの危険な健康上の問題を引き起こす可能性があります2,3。 染料は自然に生分解性ではないため、廃水から染料を除去することが重要です。 一般的な染料の 1 つであるメチレン ブルー (MB) は、食品、繊維、化粧品、製薬業界の重要な用途に広く使用されています。 水中にMBが存在すると酸素要求量が増加し、その結果水生動物に影響を及ぼします。 色素の除去には、吸着、光分解、光フェントン分解、光触媒などの多くの技術が関与しています2、4、5、6、7、8、9。 残念ながら、これらの技術のほとんどには、高い運用コスト、長時間、低効率、汚泥の生成、二次汚染物質の生成などの重大な欠点があります。 これらの技術の中でも、吸着プロセスは、除去効率が高く、設計が容易で、廃棄物の生成が最小限に抑えられ、エネルギー要件が低いため、他の技術よりも優れています 10,11。 また、高濃度溶液中の染料の処理にも応用できます。 高効率の不均一系触媒を使用した、コスト効率が高く環境に優しい触媒を開発することは、大規模な商業用途にとっての主な課題です12。

活性炭（AC）は、微結晶炭素が不規則かつ不完全に配列した黒鉛と同様の炭素材料です。 活性炭は多孔質構造を持っており、表面積が増加し、密度が減少します。 AC は、その強力な物理吸着により、空気、土壌、水から微量汚染物質を除去するのに最適な吸着剤の 1 つです13。 これは、AC14 の多孔質特性、高い化学的/熱的安定性、独特の表面積、表面官能基、および物理化学的性質などの AC の利点によるものです。 活性炭は、物理的または化学的活性化方法によって調製されます。 物理的活性化は、表面積が大きく、収量が高く、高度に発達した多孔質構造のため、より有益であると報告されています15。 活性炭は、サトウキビ、泥炭、亜炭、木材、ココナツの殻などのさまざまな農業廃棄物から製造できます。 サトウキビバガス (SCB) は、その入手可能性と低コストにより、AC 合成に優れたバイオマスとして代表されています。 サトウキビバガスは、バイオエタノール、砂糖、ポリエチレン、エタノールの産業から生産されます16。 SCB の組成は、約リグニン (20 ～ 25%)、ヘミセルロース (25 ～ 30%)、およびセルロース (40 ～ 50%) です。 大量のサトウキビバガス廃棄物の処分は大きな環境汚染となり、その結果、その地域では健康被害が生じています。 結果として、SCB を AC に変換すると、農業廃棄物が削減され、同時に有用な吸着剤が手頃な価格で生産されます17。