Charbon actif dérivé de la canne à sucre et modifié avec de la zéolithe naturelle pour une adsorption efficace du colorant bleu de méthylène : approches expérimentales et théoriques

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18031 (2022) Citer cet article

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L'introduction de charbon actif/zéolite naturelle (AC/NZ) en tant que nanoadsorbant efficace et fiable pour améliorer l'adsorption du colorant bleu de méthylène (MB). En calcinant les déchets de canne à sucre à différentes températures entre 500 et 900 °C, des charbons actifs (CA) se forment. XRD et SEM ont été utilisés pour la caractérisation des adsorbants préparés. Des mesures d'adsorption pour l'élimination du colorant MB ont été effectuées sur l'impact du pH, de la concentration initiale de MB et du temps de contact. La capacité d'adsorption AC500/NZ maximale pour le colorant MB à 25 °C, pH 7 et une masse AC500/NZ de 50 mg s'est avérée être d'environ 51 mg/g à une concentration initiale de 30 ppm. Le modèle cinétique de pseudo-second ordre et le modèle isotherme de Temkin décrivent le processus d'adsorption. Le modèle Temkin montre que l'énergie d'adsorption est de 1,0 kcal/mol, ce qui indique que le processus d'adsorption MB à AC500/NZ se produit physiquement. Nos études de simulation Monte Carlo (MC) ont soutenu nos résultats et ont montré que la force de dispersion de Van der Waals était responsable de l'adsorption physique de la molécule MB. L'adsorbant AC500/NZ est considéré comme un concurrent sérieux pour l'assainissement de l'eau.

En raison de l'industrialisation rapide, des quantités massives de déchets nocifs sont déversées dans le lac chaque année. La contamination de l'eau est considérée comme une menace majeure pour les humains et les autres formes de vie. Les colorants organiques sont rejetés par les industries du textile, de l'imprimerie, de l'alimentation et du cuir dans l'eau1. Ces colorants peuvent causer des problèmes de santé dangereux tels que le cancer, la dermatite et les allergies2,3. Étant donné que les colorants ne sont pas naturellement biodégradables, il est crucial de les éliminer des eaux usées. L'un des colorants courants, le bleu de méthylène (MB), est largement utilisé dans des applications cruciales dans les industries alimentaire, textile, cosmétique et pharmaceutique. La présence de BM dans l'eau augmente la demande en oxygène qui, à son tour, affecte les animaux aquatiques. De nombreuses techniques ont été impliquées dans l'élimination des colorants telles que l'adsorption, la photolyse, la dégradation photo-Fenton et la photocatalyse ainsi2,4,5,6,7,8,9. Malheureusement, la plupart de ces techniques présentent des inconvénients importants tels qu'un coût opérationnel élevé, une longue durée, une faible efficacité, la production de boues et la formation de polluants secondaires. Parmi ces techniques, le processus d'adsorption est supérieur aux autres techniques en raison de son efficacité d'élimination élevée, de sa facilité de conception, de sa production minimale de déchets et de sa faible consommation d'énergie10,11. En outre, il peut être appliqué dans le traitement des colorants dans des solutions hautement concentrées. Développer des catalyseurs hétérogènes rentables et respectueux de l'environnement est le principal défi pour les applications commerciales à grande échelle12.

Le charbon actif (AC) est un matériau carboné comme le graphite avec une structure d'arrangement irrégulière et imparfaite de carbone microcristallin. Le charbon actif a une structure poreuse qui augmente la surface et diminue la densité. L'AC est l'un des meilleurs adsorbants pour éliminer les traces de contaminants de l'air, du sol et de l'eau en raison de sa forte adsorption physique13. Cela résulte des avantages de l'AC tels que les propriétés poreuses, la stabilité chimique/thermique élevée, la surface unique, les groupes fonctionnels de surface et la nature physicochimique de l'AC14. Les charbons actifs sont préparés par des méthodes d'activation physiques ou chimiques. L'activation physique a été signalée comme plus bénéfique en raison de sa plus grande surface, de ses rendements plus élevés et de sa structure poreuse très développée15. Les charbons actifs peuvent être produits à partir de différents déchets agricoles tels que la canne à sucre, la tourbe, le lignite, le bois et les coquilles de noix de coco. La bagasse de canne à sucre (SCB) est représentée comme une excellente biomasse pour la synthèse d'AC en raison de sa disponibilité et de son faible coût. La bagasse de canne à sucre est produite à partir des industries du bioéthanol, du sucre, du polyéthylène et de l'éthanol16. La composition du SCB est d'environ lignine (20–25%), hémicelluloses (25–30%) et cellulose (40–50%). L'élimination de grandes quantités de déchets de bagasse de canne à sucre est devenue une grande pollution environnementale et, par conséquent, un danger pour la santé dans cette région. En conséquence, la conversion du SCB en AC réduit les déchets agricoles tout en produisant un adsorbant utile à un prix raisonnable17.

Il y a eu de nombreuses expériences faites dans le passé qui utilisaient le courant alternatif comme adsorbant pour nettoyer l'eau. Aux fins de l'adsorption du bleu de méthylène dans l'obscurité, Amdeha et al. produit AC/TiO218. Cependant, l'adsorption (%) de MB a atteint 70% sur une période de 60 min. Kuang et al. AC fabriqué modifié par trois tensioactifs comme adsorbant pour l'élimination du bleu de méthylène19. Le taux d'adsorption était de 100% après 120 min à pH 12. Cependant, le charbon actif présente plusieurs inconvénients comme être coûteux, chronophage, et la capacité des colorants adsorbants diminue à mesure que le nombre de cycles augmente11.

Récemment, la zéolite naturelle (NZ) est l'un des matériaux microporeux les plus recherchés en raison de ses propriétés chimiques et physiques20. La zéolite est un minéral d'aluminosilicate qui contient des éléments alcalins et alcalino-terreux disposés en forme de tétraèdre avec des structures de charpente poreuses. Il a une surface spécifique élevée, une bonne stabilité et des propriétés hydrophiles/hydrophobes réglables. En outre, la zéolite est peu coûteuse, abondante et biocompatible. La zéolite a attiré des propriétés telles qu'un échange d'ions élevé, un excellent tamisage moléculaire et une bonne conductivité protonique21. Ces propriétés ont été largement appliquées dans de nombreux domaines, notamment la protection de l'environnement et l'agriculture. Il a été utilisé dans plusieurs études pour éliminer différents métaux lourds22,23. Cependant, des études antérieures ont montré une faible efficacité pour l'élimination des colorants en raison de faibles capacités de sorption24,25.

Le but de ce travail est de développer un nanocomposite charbon actif/zéolite naturelle (AC/NZ) comme nanoadsorbant efficace et fiable pour le colorant bleu de méthylène (MB) des eaux usées. Le charbon actif peut être produit à faible coût en recyclant des déchets comme les déchets de canne à sucre. Pour réduire les coûts de traitement et améliorer les structures et les morphologies des charbons actifs (CA) produits, la température de calcination de ces matériaux doit être optimisée. Comprendre les mécanismes, la cinétique et les isothermes de la réaction d'adsorption est très critique. Il est également nécessaire d'examiner comment diverses variables environnementales, telles que le pH, la concentration initiale de MB et le temps de contact, affectent les processus d'adsorption. Enfin, il est crucial d'utiliser la simulation de Monte Carlo (MC) pour vérifier le comportement d'adsorption du MB à la surface du nanoadsorbant amélioré.

Sur la base de la discussion ci-dessus, la combinaison des propriétés du charbon actif avec la zéolite naturelle est supposée être un meilleur composite pour l'élimination des colorants et le traitement de l'eau. Ici, un nanocomposite charbon actif/zéolite naturelle (AC/NZ) a été synthétisé et appliqué pour l'adsorption du colorant MB avec une grande efficacité. Les matériaux préparés sont caractérisés par différentes techniques, notamment la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), le diffractomètre à rayons X (XRD), la microscopie électronique à balayage (SEM) et la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX). En outre, le temps de contact, la concentration initiale de colorant, le pH, la cinétique, la stabilité et les mécanismes du processus d'adsorption sont étudiés. La température de carbonisation a été optimisée lors de la production d'AC de 500 à 900 °C pour la première fois. La règle d'utilisation de la zéolithe comme hôte pour améliorer les propriétés adsorbantes de l'échantillon optimisé a été étudiée. Le % de décoloration passe de 88,6 % dans le cas de AC500 à 99,2 % dans le cas de AC500/NZ en environ 45 min. De plus, une simulation Monte Carlo (MC) a été réalisée pour vérifier le comportement d'adsorption du MB.

À partir d'une mine de zéolite brute dans la ville de Taiz, de la zéolite naturelle a été obtenue (sud-ouest de la République du Yémen). Environ 10 g de mine néo-zélandaise ont été broyés en petits morceaux et lavés à l'eau distillée plusieurs fois. Ensuite, il a été séché à l'air et déclenché mécaniquement par broyage à billes (MTI Corporation, modèle MSK-SFM) à 4000 tr/min pendant 6 h avec un broyeur à anneaux en tungstène. Le charbon actif a été produit dans un laboratoire utilisant des résidus de canne à sucre comme principale source de biomasse. La cendre SCB a été acquise dans un magasin de jus de canne à sucre du quartier à Beni-Suef, en Égypte, et elle avait une longueur de 10 à 25 cm. L'échantillon brut de SCB a été mélangé avec de l'acide sulfurique et de l'eau distillée pendant 4 h. La bagasse a ensuite été soigneusement lavée avec de l'eau distillée chaude et de l'éthanol avant d'être laissée sécher à l'air. Dans une étuve réglée à environ 300 °C pendant 4 h, le SCB a été séché. Il a été broyé à billes pendant 5 h à 4 000 tr/min jusqu'à une taille de particule minuscule après séchage. Ensuite, 40 g du SCB résultant ont été placés dans un four à moufle (Thermo Scientific Thermolyne modèle F6010) et chauffés pendant 2 h à 500, 700 et 900 ° C sous environnement N2. Il a été étiqueté comme carbone carbonisé AC500, AC700 et AC900, respectivement. L'échantillon de bagasse a été refroidi à température ambiante. Ensuite, le solide résultant a été lavé avec de l'eau distillée plusieurs fois pour éliminer toutes les impuretés et ensuite séché à l'air.

Pour la fabrication du nanocomposite AC/NZ, un mortier a été utilisé pour broyer soigneusement 3 g d'AC500 avec 3 g de NZ (rapport de masse : 1:1) pour créer une poudre fine. Le mélange a été broyé puis dispersé dans 100 ml d'eau déionisée pendant deux heures à 60 ° C dans un nettoyeur à ultrasons (Fisher Scientific modèle FS110D). La poudre de précipitation qui a été produite après filtrage a ensuite été recueillie et cuite pour sécher. Le processus de fabrication du nanocomposite AC/NZ est représenté schématiquement sur la figure 1.

Schéma des étapes de synthèse d'AC/NZ.

L'analyse par diffraction des rayons X (DRX; D8 Bruker) a été utilisée à 40 kV et 40 mA avec une source d'excitation Cu-Ka pour identifier la cristallographie des échantillons préparés. Un microscope électronique à balayage (SEM; ZEISS EVO) a été utilisé pour découvrir la morphologie des échantillons. Les spectres infrarouges à transformée de Fourier (FT-IR; Vertex 70) des échantillons fabriqués ont été examinés pour identifier les groupes fonctionnels de la surface. Les propriétés optiques des nanopoudres ont été utilisées à température ambiante dans la plage de 250 à 900 nm par un spectrophotomètre à double faisceau UV-Vis (Perkin Elmer Lamba 990).

La solution de colorant pour le bleu de méthylène (CI n° 52030 ; formule chimique : C16H18N3OS) a été synthétisée dans ce travail à différentes doses. Les études d'adsorption ont été menées dans une chambre noire à une température de 25 ° C pendant l'hiver 2022 à Beni-Suef City, en Égypte. Les valeurs de pH des solutions de colorant initiales ont été contrôlées à l'aide d'un pH-mètre et régulées par HCl 0,1 M et NaOH 0,1 M (Jenway 3520). Tous les tests d'adsorption de MB ont été effectués à l'échelle du mode discontinu dans diverses conditions expérimentales, telles que la concentration initiale de MB (de 5 à 30 mg/L de solution de MB), le temps de contact d'adsorption (jusqu'à 45 min) et le pH (3– 10) sous agitation continue. Chaque test a été effectué dans 50 ml de solution de colorant MB avec la concentration initiale, la réutilisation et la valeur de pH souhaitées. Après l'ajout de l'adsorbant (AC et AC/NZ) à la solution MB, le mélange a été agité magnétiquement (SciQuip, GyroStir 550H) pendant 20 s à 200 tr/min. La variation de la concentration en MB a été élucidée à partir du pic d'absorption mesuré par un spectrophotomètre UV/Vis (Jenway 63065). La concentration de colorant MB a été observée à une longueur d'onde de 664 nm à intervalles périodiques réguliers.

La quantité d'absorption de MB par l'AC/NZ synthétisé au temps t (qt (mg/g)) et à l'équilibre (qe (mg/g) et le pourcentage d'élimination du colorant MB ont été obtenus à l'aide des équations. (1), (2) et (3), respectivement26,27.

qui ${\mathrm{C}}_{\mathrm{t}}$, ${\mathrm{C}}_{\mathrm{e}}$ et ${\mathrm{C} }_{0}$ sont les concentrations de MB en mg/L après le temps t, à l'équilibre, et au début du processus d'adsorption, respectivement. Le volume MB (V) est mesuré en mL et m est la masse AC/NZ en mg. Toutes les mesures d'adsorption ont été répétées trois fois de manière indépendante et les valeurs moyennes ont été présentées.

Différents mécanismes d'adsorption et modèles cinétiques sont utilisés, tels que le modèle cinétique de diffusion intra-particules, les modèles cinétiques simples d'Elovich, de pseudo-premier ordre et de pseudo-second ordre, pour déterminer le mécanisme d'adsorption et le modèle cinétique les plus appropriés pour l'adsorption de MB dans Adsorbant AC/NZ.

Les équations (4) à (7) sont utilisées pour représenter respectivement les modèles cinétiques de diffusion intra-particule, d'Elovich simple, de pseudo-premier ordre et de pseudo-second ordre28,29,30,31

où k1, k2 et ${\mathrm{k}}_{3}$ représentent les constantes de vitesse des modèles de propagation intra-particule, pseudo-premier ordre et pseudo-second ordre. Je me réfère à une constante liée à l'épaisseur de la frontière. α et β représentent le taux d'adsorption initial au temps zéro (mg/min) et l'étendue de la couverture de surface (g/mg), respectivement.

Divers modèles d'isothermes d'adsorption ont été appliqués, tels que l'isotherme d'adsorption de Langmuir, Freundlich et Temkin, pour expliquer l'isotherme de réaction de l'adsorbant AC/NZ fabriqué pour le colorant MB testé. Les trois modèles peuvent être représentés par les Eqs. (8), (9) et (10), respectivement32,33,34 :

Ici, Qo est la quantité maximale de colorant éliminée par les adsorbants AC/NZ (mg/g), KL, KF et KT représentent les constantes de Langmuir, Freundlich et la constante de liaison du modèle isotherme de Temkin, respectivement. n est la densité d'adsorption, B (= RT/b) est une constante associée à la chaleur adsorbée, R est la constante universelle des gaz et T est la température absolue.

Le facteur de séparation sans dimension (RL) pourrait être utilisé pour prédire le degré de favorabilité de l'isotherme de Langmuir pour les données d'équilibre basées sur l'équation. (11)35 :

où Cmax représente la concentration initiale maximale en MB.

L'adsorption du colorant bleu de méthylène sur le nanocomposite AC/NZ et les sites de désorption du colorant bleu de méthylène sur la surface du nanocomposite AC/NZ ont été étudiés par simulation de Monte Carlo (MC). Les structures initiales du nanocomposite AC/NZ sont issues de la littérature36. La simulation MC a été réalisée par le module Locator d'adsorption basé sur le champ de force COMPASS (potentiels moléculaires optimisés en phase condensée pour les études de simulation atomistique) en tant que champ de force et courant d'utilisation dans la section des charges37. Les principes de base de la simulation MC utilisés dans ce travail ont été décrits par Frenkel et Smit38. De plus, la simulation MD a été réalisée dans cette étude. Dans les simulations MD, les termes électrostatiques et de van der Waals ont été traités respectivement avec les méthodes d'Ewald et de groupe. Le MD a été simulé sous l'ensemble NPT pendant 1 ns, suivi de conditions isothermiques-isobares (NPT) à 1 atm et 300 K pendant 4 ns, avec un pas de temps de 1 fs. La température et la pression étaient contrôlées respectivement par un thermostat Nose et un barostat Berendsen. L'algorithme de Verlet en vitesse a été utilisé dans l'intégration des équations du mouvement39. Le contexte théorique de la simulation MD est fait selon cette étude37.

Un examen par diffraction des rayons X (DRX) a été effectué pour comprendre la structure cristalline des échantillons préparés. Les diagrammes XRD de AC500 et AC500/NZ dans la plage 2θ de 0 à 75° sont illustrés à la Fig. 2. Pour l'échantillon AC500, il existe de nombreux pics de diffraction situés à 2θ de 23,98, 36,63 et 44,38°, ce qui confirme la phase de carbonisation et préparation de charbon actif. Les larges bandes dans les diagrammes XRD caractérisent l'existence d'un ordre à courte distance dans la structure du carbone qui confirme la phase amorphe de la carbonisation.

Modèles XRD de (A) AC500 et (B) AC500/NZ.

Le large pic de diffraction observé à 23,98° correspond au (002) des réflexions hexagonales carbonées (JCPDS 50-0926)40. Le pic de faible intensité autour de 36,63° est attribué (105) au graphite cristallin (JCPDS 721-616)40. Le pic situé à 44,38° est affecté au plan 10 (recouverts 100 et 101) de l'empilement désordonné de micro-graphite41. La phase graphitique peut être avantageuse pour le transfert de charge puisque le carbone graphitique est une substance conductrice. L'absence du pic de cellulose dans le diagramme XRD confirme la décomposition de la cellulose qui indique une structure de carbone amorphe avec des feuilles de carbone aromatiques orientées de manière aléatoire. La chaîne de cellulose détruite de la canne à sucre peut améliorer l'exposition des groupes actifs qui améliorent l'interaction entre l'AC500 et le colorant contribuant à l'adsorption42.

L'échantillon AC500/NZ a montré de nombreuses raies de diffraction XRD. Les pics XRD de la zéolithe sont situés à 2θ ~ 26,74°, 29,52°, 31,00°, 31,99°, 32,97°, 39,55° et 50,28° ce qui confirme la phase monoclinique de la zéolithe. D'après la carte JCPDS 00-053-1176, ces pics correspondent aux indices de Miller (− 402), (− 531), (401), (530), (061), (220) et (532), respectivement. Les pics de la zéolite naturelle correspondent à la structure qui a été identifiée dans de nombreuses recherches antérieures43,44.

Les phases graphitiques à 36,63° et 44,38° pour AC500/NZ ont disparu suite à l'interaction entre la zéolithe et le charbon actif lors du processus de traitement thermique, ce qui a conduit à une structure graphitique désordonnée ou structure interne. Après couplage AC avec de la zéolite, le plan (002) du carbone dans le composite subit une diminution de la FWHM et un changement de position vers un angle plus petit, comme indiqué dans le tableau 1. En conséquence, les tailles de cristallites du pic (002) sont passées de 24,38 Å pour les nanoparticules AC à 927,09 pour les nanocomposites AC/NZ. De plus, les intensités des pics de diffraction du nanocomposite AC500/NZ sont devenues inférieures aux pics d'AC indiquant un changement dans la cristallinité. De plus, la microdéformation a diminué de 6,734 à 0,187 % après le chargement de zéolite sur AC. Le résultat XRD pour AC500/NZ confirme que la zéolite a été incorporée avec succès dans AC500.

Pour les molécules de colorant qui ont été adsorbées, les groupes fonctionnels à la surface des nanomatériaux peuvent servir de sites de fixation possibles. Les groupes fonctionnels précis ont été identifiés à l'aide de spectres de vibration de réseau infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Pour obtenir un spectre infrarouge sur une large plage spectrale avec des données spectrales à haute résolution, le FTIR est une méthode rapide et peu coûteuse. L'approche FTIR dépend de la fréquence à laquelle les liaisons d'une molécule sous tension vibrent45,46,47. L'échantillon absorbe le rayonnement infrarouge et ses molécules sont excitées dans un état vibratoire plus élevé lorsque la lumière infrarouge le frappe. La différence d'énergie entre les modes vibrationnels d'une molécule excitée et au repos détermine la longueur d'onde du rayonnement IR qui est absorbée par cette molécule. La composition chimique et la configuration de liaison des matériaux affectent les transitions vibrationnelles. Une empreinte moléculaire précise du matériau est créée par le spectre résultant. Les bandes infrarouges peuvent être utilisées pour identifier les parties moléculaires et les structures des matériaux biologiques et inorganiques. Cela rend FTIR utile pour une variété d'études. Comme le montre la figure 3, l'analyse FTIR a été effectuée sur des nanopoudres de zéolite naturelle et du charbon actif dans la plage 400–4000 cm -1.

Spectres FTIR de NZ, AC et AC500/NZ.

Pour AC, la bande dans la gamme 3405,48 cm−1 correspond à la vibration d'étirement de l'hydroxyle (O–H)48. Les bandes situées à 2920.149 et 2856.403 cm−1 indiquent un étirement aliphatique CH présent et –O–CH3 du groupe aldéhyde, respectivement49. Les bandes à 2377,34, 2309,67 et 1576,56 cm-1 font référence aux vibrations d'étirement C=C. La bande à 1101,00 cm−1 indique l'étirement C–O50. Les bandes à 1446,39 et 806,68 cm−1 sont dues au mode d'étirement du carbonate résultant généralement de C–H. Les bandes à 611,29 et 469,49 cm−1 peuvent appartenir aux vibrations d'étirement C–C.

FTIR de AC500/NZ a été montré sur la Fig. 3. Les bandes mixtes sont apparues entre AC et la zéolite. Les bandes à 2920,14, 2856,40, 2377,34, 1576,56, 1101,00 et 806,68 cm–1 disparaissent en raison de l'interaction thermique entre AC500 et la zéolite. En outre, de nombreuses nouvelles bandes apparaissent à 1639,47, 1046,25 et 793,04 cm–1 dans le spectre FTIR.

La bande à 1639,47 cm-1 a été attribuée au mode de flexion OH dû à l'eau adsorbée à la surface de la zéolithe51. La bande la plus forte à 1046,25 cm-1 a été attribuée à la bande de vibration d'étirement de la structure de Si (Al) -O dans la zéolite naturelle. Cela indique que la structure de la zéolithe n'a pas été détruite après couplage avec AC500. La bande à 793,04 cm−1 a été attribuée aux vibrations d'étirement des liaisons tétraédriques AlO4 et SiO452. De plus, étant donné que l'AC500 se trouve sur les surfaces de zéolithe, l'amplitude de transmission des bandes FT-IR pour AC500/NZ est inférieure à celle de l'AC500. De plus, par rapport à l'AC500, la majorité des bandes de l'AC500/NZ ont été quelque peu déplacées vers une position de numéro d'onde plus longue.

La vibration d'étirement du cycle aromatique (C=C), qui indique que le groupe carbonyle est conjugué au cycle aromatique, a été attribuée à une bande forte à 1580 cm-1 dans AC500. Un léger décalage vers le rouge avec augmentation de la température, à 1565 cm-1 pour AC700 et AC900, indique la formation d'une structure cyclique aromatique53, préjudiciable à l'efficacité d'adsorption du charbon actif comme nous le montrerons dans "Adsorption performance".

Les images SEM et l'analyse EDX des adsorbants AC500, NZ et AC500 / NZ sont illustrées à la Fig. 4. L'image SEM de l'AC500, Fig. 4A, montre que l'AC500 présente des particules de forme régulière arrondie agglomérées avec une surface moins poreuse qui affecte par conséquent la surface pour AC500 qui à son tour affecte sa capacité d'adsorption. L'analyse EDX (Fig. 4B) réalisée sur l'échantillon AC500 montre la présence de C (100%). L'image SEM de la zéolite, Fig. 5C, montre que des particules agglomérées, une surface rugueuse, différentes tailles de particules et des cavités poreuses à la surface, tandis que l'analyse EDX de la zéolite, Fig. 5D, montre la présence d'O (65,83 %), Si (24,42%), Al (5,91%), Na (1,69%), K (1,30%) et Ca (0,87%). Lorsque AC500 est traité avec de la zéolite, Fig. 4E, l'image SEM du nanocomposite montre que les pores des surfaces de zéolite sont recouverts de particules AC500 et convertis en particules agglomérées. Ces images ont également révélé que la zéolite recouvrait la surface de l'AC et réduisait les pores de l'AC500. La formation du nanocomposite AC500/NZ a pu être établie à partir des altérations des topographies morphologiques du nanocomposite par rapport à celles de l'AC500 et de la zéolithe. D'autre part, l'analyse EDX de AC500/NZ, Fig. 4F, montre la présence de C (28,01 %), O (50,96 %), Si (9,27 %), Al (1,55 %), Na (2,20 %), K (1,26 %), et Ca (6,57 %) qui est considéré comme une autre confirmation de la formation d'AC500/NZ.

Images SEM et analyse élémentaire EDX de (A, B) AC500, (C, D) NZ et (E, F) AC500/NZ.

(A) Absorbance optique des échantillons préparés et (B – E) Parcelles de (αhν)2 versus hν pour déterminer Eg.

Il existe de nombreuses méthodes conventionnelles de synthèse AC/Z en laboratoire. Par exemple, Prince et al.54 ont synthétisé un composite charbon actif/zéolite pour l'élimination des ions de métaux lourds par la préparation de charbon actif suivi d'un gel sec à la vapeur d'orthosilicate de tétraéthyle et d'aluminate de sodium. Sari et al.55 ont synthétisé la zéolitique en deux étapes en utilisant l'extraction de la silice de la balle de riz à 700 ° C pendant 6 h et suivie d'un procédé hydrothermique pour une solution de silice dans NaOH à 150 ° C pendant 96 h. Mengqi et al.56 ont préparé un composite charbon actif/zéolite (CZC) pour l'adsorption et l'élimination des ions Pb(II) des eaux usées. Ils ont utilisé une fusion aqueuse-alcaline en deux étapes et une méthode de réaction hydrothermique utilisant des cendres volantes (FA) comme matière première. Malheureusement, ces méthodes nécessitent une forte consommation d'énergie, un autoclave coûteux, du temps et un coût élevé des précurseurs.

Cela indique que notre travail a introduit une méthode peu coûteuse pour fabriquer des adsorbants dérivés de déchets de canne à sucre et de pierre de zéolite naturelle par broyage à boulets et techniques de carbonisation thermique. Ces techniques sont très simples, faciles, peu coûteuses et ne nécessitent aucun équipement spécial. La production mondiale de canne à sucre a atteint 60 millions de tonnes/an dans environ 124 pays. La conversion des déchets de canne à sucre en produits de valeur est très bénéfique en termes économiques et environnementaux. La production mondiale de zéolithe naturelle était estimée à plus de 3 millions de tonnes. Le coût des matières premières pour l'adsorbant AC/NZ est très faible. Après une enquête sur les sites Web de nombreuses sociétés commerciales, le prix de vente des déchets commerciaux de canne à sucre et de la zéolite naturelle granulée est d'environ 0,15 et 0,10 US$ par kilogramme, respectivement. Finalement, le coût de l'adsorbant AC/NZ conçu pour une production massive est estimé à moins de 300 US$ par tonne. Par conséquent, cet adsorbant peut être appliqué à des applications industrielles à faible coût avec une efficacité élevée pour éliminer les colorants. En outre, deux problèmes liés à la gestion des déchets et à la pollution de l'eau peuvent être résolus simultanément par cette stratégie.

mesure optique, des suspensions aqueuses des nanopoudres sont utilisées pour les études d'absorption UV-Vis. Environ 10 mg d'échantillon de nanopoudre sont dispersés dans 50 ml d'eau DI sous ultrasons pendant 120 min. après cela, 3 ml de l'échantillon de suspension dans une cuvette ont été utilisés pour la mesure de l'absorbance3. Les spectres d'absorbance optique des AC500, AC700, AC900 et AC500/NZ préparés ont été mesurés comme indiqué sur la Fig. 5.

Toutes les nanopoudres ont montré une forte bande d'absorption dans la gamme UV inférieure à λ = 350 nm. Cette bande résulte d'un saut d'électron de la bande de valence vers la bande de conduction (CB). Ensuite, l'absorption décroît rapidement en fonction de la longueur d'onde dans le visible et le NIR. Pour les nanopoudres AC, les plages globales d'intensités d'absorption diminuent avec l'augmentation de la température de carbonisation de 500 à 900 ° C. L'échantillon nanocomposite AC500/NZ a une intensité d'absorption élevée par rapport aux autres nanopoudres. Cela est dû à l'interaction entre AC500 et NZ conduisant à une modification de la structure électronique. Par conséquent, la Nouvelle-Zélande a amélioré la capacité d'absorption de la lumière visible de la nanopoudre AC500. On observe à partir de la figure 5 que le bord d'absorption est décalé vers la longueur d'onde supérieure inférieure avec l'augmentation de la température de 500 à 900 ° C. En conséquence, l'échantillon AC500/NZ a une large bande d'absorption qui s'étend dans le spectre visible. Cela indique que cet échantillon peut absorber plus de photons dans le domaine visuel. Le coefficient d'absorption (α) a été calculé sur la base de l'absorbance mesurée (A) par l'équation suivante :

où ρ est la densité de la nanopoudre, L est la longueur de la cuvette de quartz et C est la concentration de la nanopoudre dans la suspension.

La bande interdite optique (Eg) dépend du coefficient d'absorption optique de la nanopoudre. La valeur de la bande interdite peut être déterminée à partir du modèle Tauc comme suit57.

où ${\mathrm{P}}_{0}$ est une constante indépendante. $\upnu $ est la fréquence du photon incident. h est la constante de Planck. Dans le graphique ${(\mathrm{\alpha h \nu })}^{2}$ − ($\mathrm{h \nu }$) , l'extrapolation de la portion de ligne droite est donnée par la valeur de la bande interdite ($\mathrm{Eg}$).

À partir de la Fig. 5B – E, la bande interdite a diminué avec l'augmentation de la température de carbonisation de l'AC. Les valeurs Eg se sont révélées être de 3,17, 3,20 et 3,23 eV pour les échantillons AC500, AC700 et AC900, respectivement. L'Eg pour la nanopoudre AC500/NZ était d'environ 2,23 eV en raison du bord d'absorption décalé vers le rouge. Cela peut être de nouveaux niveaux d'énergie de formation entre AC500 et NZ. Par conséquent, une combinaison d'AC500 et de NZ conduit à une énorme absorption de la lumière et à une bande interdite réduite. La bande interdite plus étroite indique que les électrons sautent plus facilement du VB au CB sous irradiation photonique. Cela suggère que l'AC500/NZ préparé peut être utile dans de nombreuses applications d'énergie solaire.

La stabilité de l'adsorbant pour le processus d'adsorption MB a été examinée, ainsi que les effets individuels et combinés des variables de processus telles que le pH de la solution de départ, la concentration initiale du colorant et le temps de contact.

L'utilisation de différentes températures de carbonisation (500, 700 et 900 ° C) a eu un effet significatif sur le comportement d'adsorption des AC pour MB grâce à la technique d'adsorption (Fig. 6). Les efficacités des AC pour l'élimination des MB ont atteint 88,6, 88,6 et 72,7 % en utilisant 50 mg d'AC500, AC700 et AC900, respectivement, en 90 min. Cette découverte a montré qu'avec l'augmentation des degrés de température de carbonisation de 500 à 900 ° C, l'élimination de MB diminue. Cela peut être attribué au retrait et au frittage du charbon à des températures élevées (supérieures à 500 °C)58. Cependant, une température élevée favorise la formation de pores dans le carbone, surtout lorsque la température atteint 500 °C59. Ceci est attribué à l'utilisation d'activateurs pour libérer le goudron du cadre réticulé60. Cependant, le processus de gazéification intense a endommagé une partie de la structure microporeuse à la température plus élevée de 900 °C, ce qui a réduit la surface et le volume des pores61. De plus, une température élevée augmente le pourcentage de cendres et de carbone fixe, ce qui réduit les matières volatiles et les rendements solides62. Par conséquent, la condition de température à 500 ° C a été choisie pour être la température de carbonisation optimale pour l'adsorption MB. On peut observer à partir de la figure 6A que ; le pourcentage d'absorption de colorant était très élevé au cours de la première étape du processus d'adsorption, et après cela, leurs taux d'augmentation sont réduits pour atteindre l'état d'équilibre après 30 min en cas d'AC500 et après 70 min en cas d'AC700 et AC900. Il a été observé aussi que; le temps de contact n'a pas d'effet marqué sur le processus d'absorption après avoir atteint l'équilibre en utilisant le sorbant nouvellement préparé.

(A) L'adsorption de 100 mL de solution de colorant MB de concentration 5 mg/L à pH7 en utilisant 50 mg AC500, AC700 et AC900 à différents moments (B) L'adsorption de 100 mL de solution de colorant MB de concentration 5 mg/L à pH7 en utilisant AC500 et AC500/NZ pendant 45 min.

Après incorporation de zéolithe dans la matrice de carbone, une amélioration de l'efficacité d'adsorption a été observée atteignant 99,2 % après 45 min. Les taux d'élimination rapides au stade précoce de la réaction sont attribués à l'existence d'une énorme densité de surface de taches actives non couvertes sur les surfaces du nanoadsorbant. En augmentant la période de contact entre l'adsorbant et l'adsorbat, les points chauds sont convertis en sites entièrement occupés par les molécules MB. En conséquence, des forces de répulsion s'établissent entre les molécules de MB adsorbées à la surface des adsorbants et les molécules de MB dans la phase liquide en vrac63. L'imprégnation de zéolite dans une matrice de carbone provoque une augmentation de l'efficacité d'adsorption du colorant MB, comme le montre la figure 6B. Cela pourrait être lié à la charge négative sur la structure de l'adsorbant qui augmente sa capacité d'adsorption du colorant MB cationique64. Le % de décoloration passe de 88,6 % dans le cas de AC500 à 99,2 % dans le cas de AC500/NZ en environ 45 min.

Les variations du pourcentage d'élimination et de la quantité de MB adsorbée avec le temps en utilisant l'adsorbant AC500/NZ à différentes concentrations initiales de MB sont illustrées sur les figures 7A, B, respectivement. On peut observer à partir de la Fig. 7 que ; la capacité d'adsorption et le pourcentage d'absorption de colorant étaient très élevés au cours de la première étape du processus d'adsorption, et après cela, leurs taux d'augmentation sont réduits pour atteindre l'état d'équilibre à la fin. Il a été observé aussi que; le temps de contact n'a pas d'effet marqué sur le processus d'absorption après avoir atteint l'équilibre en utilisant le sorbant nouvellement préparé. Les pourcentages d'adsorption maximaux pour le colorant MB avec des concentrations initiales de 5, 15, 20, 25 et 30 ppm sont respectivement de 99,2, 97, 93, 88,5 et 85 %, comme le montre la figure 7A. Les taux d'élimination rapide au stade précoce de la réaction sont attribués à l'existence d'une énorme densité de surface de taches actives non couvertes sur les surfaces du nano adsorbant. En augmentant la période de contact entre l'adsorbant et l'adsorbat, les points chauds sont convertis en sites entièrement occupés par les molécules MB. En conséquence, des forces de répulsion s'établissent entre les molécules de MB adsorbées à la surface des adsorbants et les molécules de MB dans la phase liquide en vrac63.

Effet des concentrations de colorant MB et du temps de contact sur (A) le pourcentage d'élimination du colorant et (B) la quantité de colorant adsorbée à 25 ° C et pH 7 par 50 mg d'adsorbant AC500/NZ.

Les quantités de MB adsorbées sont augmentées en augmentant la concentration initiale de MB comme le montre la figure 7B. Cela pourrait être attribué à l'augmentation du gradient de concentration avec l'élévation de la concentration initiale de MB. En conséquence, une croissance suffisante des forces de traction s'est produite, surmontant ainsi la résistance au transfert de masse entre l'adsorbat MB et l'adsorbant AC500/NZ65,66. Les capacités d'adsorption maximales se sont avérées être de 9,92, 29,1, 37,2, 44,2 et 51 (mg/g) pour le colorant MB avec des concentrations initiales de 5, 15, 20, 25 et 30 ppm, respectivement, à 25 °C, pH 7, et masse AC500/NZ de 50 mg67,68.

Le pH initial de la solution MB peut jouer un rôle important dans la régulation des performances de l'adsorbant en raison de son impact sur la dissociation/ionisation de l'adsorbant AC500/NZ et de son impact sur les surfaces de l'adsorbant69. Ainsi, les charges électrostatiques sur les sorbants AC500/NZ et le sorbate MB sont fortement affectées par le pH de la solution. La figure 8a illustre l'influence du pH de départ sur le pourcentage d'élimination du colorant MB en utilisant l'adsorbant AC500/NZ. Pour des concentrations initiales de 5 mg/L et une masse d'adsorbant de 5 mg par 50 mL de solution, à un pH de 3, 5, 7 et 10, le pourcentage d'élimination du colorant MB était de 93, 95, 97 et 99,2 % , respectivement. Le pourcentage d'élimination inférieur a été obtenu à pH 3, ce qui peut être attribué à la mobilité élevée des ions H+ et à la protonation de surface de l'adsorbant. Ainsi, le % d'élimination de MB diminue en raison de la compétition entre les molécules de MB et les ions H+ tout au long du processus d'adsorption70. Mais à des valeurs de pH élevées, pH 5, 7 et 10, l'élévation relative du pourcentage d'élimination de MB par AC500/NZ est attribuée à la diminution de la concentration en ions H+71.

Effets (a) de pH différents et (b) de réutilisabilité sur le processus d'adsorption de 5 mg/L de colorant MB sur 50 mg d'adsorbant AC500/NZ.

La figure 8b indique que les tests de réutilisation AC500/NZ pour l'élimination du MB ont été répétés dix fois en utilisant le même adsorbant et le même dosage. La force d'élimination de l'adsorbant utilisé variait considérablement au cours des dix cycles d'adsorption, selon les résultats. L'activité de l'AC500/adsorption NZ a diminué après le dixième essai, passant d'environ 99,2 % au premier cycle à 95 % au dernier. La baisse du pourcentage d'élimination de MB pourrait être attribuée à l'agglomération des molécules de MB à la surface de l'adsorbant AC500/NZ, qui protège la surface et les pores de l'adsorbant des molécules de MB dissoutes, entraînant une diminution de la capacité d'adsorption72. Le résultat a révélé une haute performance jusqu'à 10 courses consécutives avec une excellente efficacité. Ainsi, AC500/NZ est un adsorbant prometteur pour le colorant MB. La réutilisabilité de l'adsorbant a déterminé la disponibilité commerciale pour les applications industrielles.

La signification statistique du coefficient de corrélation (R2) de l'ajustement linéaire Ce/qe & Ce, log(qe) & log (Ce) et qe & Ln (Ce) est un critère d'ajustement de l'ajustement des données à Langmuir, Freundlich et isothermes de Temkin, en conséquence. Les valeurs estimées de KT, KF, KL, Qo, B, 1/n et R2 ont été déterminées à partir de la Fig. 9A–C et rapportées dans le tableau 2. Ce tableau montre que l'adsorption MB sur l'adsorbant AC500/NZ ne suit ni Langmuir ni Diagrammes isothermes de Freundlich. Une propriété physico-chimique importante caractérisant l'interaction des surfaces solides avec les liquides et les gaz est l'énergie de liaison des espèces adsorbées. La détermination de l'énergie de liaison est généralement effectuée indirectement en mesurant la chaleur d'adsorption. Le modèle isotherme Tempkin peut être utilisé pour cette proposition en mesurant la chaleur d'adsorption ''valeurs B'' selon le modèle isotherme Tempkin. L'adsorption physique se produit si la chaleur d'adsorption est inférieure à 1,0 kcal/mol. De plus, avec une valeur de 20 à 50 kcal/mol, une chimisorption se produit. Si la chaleur d'adsorption se situe entre les deux (1–20 kcal/mol), la physisorption et la chimisorption sont impliquées dans l'adsorption73. Le modèle isotherme Temkin a la plus grande valeur R2, donc le modèle isotherme Temkin est le modèle qui juge le processus d'adsorption MB. À 25 °C, le R2 calculé à l'aide des isothermes de Langmuir était de 0,9878 et la valeur RL pour l'isotherme d'adsorption de Langmuir est inférieure à un, ce qui indique que l'adsorption MB est avantageuse dans les conditions actuellement étudiées74. La capacité d'adsorption anticipée la plus élevée d'AC500/NZ est de 53,4 mg/g, telle que déterminée par l'isotherme d'adsorption de Langmuir. Les valeurs B du modèle Temkin étaient inférieures à 1,0 kcal/mol, ce qui suggère que le processus d'adsorption de MB sur AC500/NZ a lieu physiquement à la concentration étudiée75.

Parcelles d'isothermes d'adsorption pour l'adsorption du colorant MB par 50 mg d'AC500/NZ à 25 °C et pH initial de la solution 7 ; (A) Modèle des isothermes de Langmuir, (B) Modèle des isothermes de Freundlich et (C) Modèle des isothermes de Temkin.

Sous diverses concentrations de colorant de départ et pour examiner le modèle de cinétique d'adsorption le plus approprié, l'adsorption du colorant MB sur l'adsorbant AC500/NZ a été abordée. Les figures 10A à C représentent les graphiques linéaires de pseudo-premier ordre, de pseudo-second ordre et de cinétique d'Elovich en traçant ln (qe - qt) en fonction de t, $\frac{\mathrm{t}}{{\mathrm{ q}}_{\mathrm{t}}}$ & t, et qt & ln (t), dans l'ordre. A partir des tracés linéaires, les valeurs des paramètres de cinétique d'adsorption tels que α, β, qe, k2 et k3, en plus de R2 ont été obtenues et présentées dans le tableau 3. Pour tous les modèles cinétiques étudiés, les valeurs des coefficients de régression dans le tableau 3 ont confirmé que la loi de vitesse de pseudo-second ordre est le modèle cinétique par lequel l'adsorption de MB sur AC500/NZ se déroule. Le modèle cinétique de pseudo-second ordre a la valeur de coefficient de corrélation la plus élevée, démontrant que l'adsorption de MB sur l'adsorbant AC500/NZ suit presque le modèle de taux de pseudo-second ordre. La bonne approximation entre la capacité d'adsorption calculée et la capacité d'adsorption expérimentale est une autre preuve de ce résultat. Le mécanisme d'adsorption pseudo-secondaire se déroule en deux étapes. Étape de diffusion externe au cours de laquelle les molécules MB se déplacent de tous les côtés du fluide jusqu'à la surface de l'AC500/NZ externe. La deuxième étape implique la fixation et l'adsorption des molécules d'adsorbat MB à la surface de l'adsorbant AC500/NZ.

Cinétique de sorption du colorant MB à 25 °C et pH 7 par 50 mg d'adsorbant ; (A) Pseudo-premier ordre, (B) Pseudo-deuxième ordre, (C) Modèle cinétique d'Elovich et (D) Adsorption intra-particules.

Pour comprendre le processus cinétique d'adsorption et les étapes de contrôle de la vitesse, les données pratiques sont ajustées pour la diffusion intra-particule de Weber. La figure 10D représente l'ajustement linéaire de qt par rapport à t1/2. La droite obtenue propose que le modèle de diffusion intra-particules soit applicable dans le cas d'étude. Les valeurs de K1 et I, Tableau 3, sont obtenues à partir de la pente et de l'ordonnée à l'origine de l'ajustement linéaire, respectivement. L'ordonnée à l'origine I ≠ zéro signifie que le modèle de diffusion intra-particules de Weber n'est pas la seule voie de schéma de vitesse pour estimer la cinétique de la réaction d'adsorption76. L'intersection I sur la figure 10D fait référence à l'effet de couche limite. La contribution de l'adsorption de surface dans l'étape de contrôle du débit augmente avec l'augmentation de la valeur d'interception76.

Le charbon actif, la zéolite et le composite charbon actif/zéolite ont été utilisés pour adsorber de nombreux matériaux nocifs. À cet égard, Xiaoqin et al.77 ont fabriqué un composite charbon actif/zéolite (AC/Z) en utilisant des déchets de poudre de lithium-silicium comme adsorbant pour l'élimination du bleu de méthylène avec une capacité d'adsorption d'environ 15,49 mg/g. Hameed et al.78 ont préparé un composite mésoporeux charbon actif/zéolite (AC/Z) par activation par NaOH chimiquement facilitée et traitement hydrothermique avec de la cendre de palmier à huile comme substrat. La capacité d'adsorption maximale pour l'élimination du colorant MB est d'environ 47,95 mg/g avec une concentration initiale de colorant de 50 ppm à 30 °C. La capacité d'adsorption maximale pour l'élimination du colorant MB en utilisant de la zéolite naturelle traitée avec du NaOH, de la zéolite commerciale et des zéolites modifiées au dodécylsulfate de sodium (SDS) est d'environ 47,3, 22,0 et 5,6 mg/g respectivement20,79,80. Selhan et al.81 ont obtenu des charbons actifs à partir de déchets de biomasse par activation à l'acide sulfurique avec une capacité d'adsorption d'environ 16,4 mg/g pour le BM. De plus, Hamid et al. préparé82,83,84,85,86 de nombreux adsorbants tels que le charbon actif, la zéolite/chitosane et le chitosane/sépiolite pour l'élimination du colorant MB. Leurs résultats ont montré que la capacité d'adsorption avec une concentration initiale de colorant de 50 ppm à 30 °C n'était pas supérieure à 53,70 mg/g. Cette valeur est inférieure à notre résultat qui est de 51,0 mg/g pour AC500/NZ avec une faible concentration initiale de 30 ppm à 25 °C.

La figure 11A résume la configuration la plus basse résultant de l'adsorption du colorant bleu de méthylène sur la surface du nanocomposite AC/NZ dans un état sec (sans solvant). Le tableau 4 montre le colorant MB absorbé sur les énergies d'adsorption (Eads), d'interaction (Eint) et de déformation (Edef) de la surface du nanocomposite AC/NZ ainsi que les configurations substrat-adsorbat (dEads/dNi), dans lesquelles l'un des composants de l'adsorbat a été éliminé. Différents sites donneurs et accepteurs pour les liaisons hydrogène (HBs) peuvent être trouvés dans la molécule de colorant MB. En conséquence, l'atome d'hydrogène du nanocomposite AC/NZ et l'atome d'azote de la molécule de colorant bleu de méthylène ont formé une liaison hydrogène à une distance de 2,61 Ǻ. De plus, comme le montre la figure 11A, l'atome d'oxygène du nanocomposite AC/NZ a une connexion hydrogène avec l'atome d'hydrogène de la molécule de colorant bleu de méthylène à une distance de 1,80 Ǻ. L'adsorption du colorant bleu de méthylène sur la surface du nanocomposite AC/NZ est exothermique, énergétiquement avantageuse et spontanée en raison de la présence des interactions intermoléculaires, selon les résultats du colorant bleu de méthylène Eads absorbé sur la surface du nanocomposite AC/NZ est négatif . De plus, il a été constaté que le colorant MB était absorbé à la surface du nanocomposite AC/NZ en mode parallèle, confirmant les interactions puissantes entre le colorant bleu de méthylène et les atomes de la surface. L'adsorption du colorant MB sur la surface du nanocomposite AC/NZ peut être attribuée à la contribution des électrons d'azote et d'oxygène, selon l'analyse des structures moléculaires du colorant bleu de méthylène et de la surface (adsorption chimique). De plus, l'adsorption physique du colorant bleu de méthylène sur la surface du nanocomposite AC/NZ peut être attribuée aux forces de dispersion de Van Der Waals, qui appuient les résultats obtenus expérimentalement.

Les configurations d'adsorption (A) et la conformation de simulation (B) du colorant MB adsorbé sur la surface du nanocomposite AC/NZ, obtenues à partir de la simulation MC ; et (C) instantanés MD à 5000 ps de l'adsorption du colorant bleu de méthylène sur la surface du nanocomposite AC/NZ, la longueur de la liaison est en Angströms.

La simulation MD a été utilisée pour étudier l'influence de la présence de molécules de solvant d'eau sur l'adsorption du colorant bleu de méthylène sur la surface du nanocomposite AC/NZ, dans laquelle la configuration du colorant bleu de méthylène absorbé sur la surface du nanocomposite AC/NZ obtenue à partir de MC la simulation a été simulée dans de l'eau explicite à l'aide de MD. La figure 11B représente la conformation simulée finale du colorant bleu de méthylène absorbé sur le nanocomposite AC/NZ. Lors des simulations, les molécules d'eau de la solution aqueuse étaient libres de migrer et d'interagir avec le colorant bleu de méthylène et le nanocomposite AC/NZ. L'instantané MD à 5000 ps de l'adsorption du colorant bleu de méthylène absorbé sur le nanocomposite AC / NZ est illustré à la figure 11B. Étant donné que le colorant MB possède plusieurs sites donneurs et accepteurs HB, il a créé un certain nombre de liaisons hydrogène avec les atomes du nanocomposite AC/NZ. De plus, les atomes d'hydrogène hydroxyle de la molécule de colorant MB ont été utilisés pour générer des HB avec les atomes d'oxygène du nanocomposite AC/NZ. La figure 11C montre que dans l'eau, la molécule de colorant bleu de méthylène a établi des liaisons de coordination avec les atomes du nanocomposite AC/NZ. Des liaisons hydrogène intramoléculaires (HB) entre les groupes fonctionnels de la molécule de colorant bleu de méthylène et des liaisons hydrogène (HB) entre le colorant bleu de méthylène et les molécules d'eau ont été trouvées dans les systèmes d'eau. Selon la simulation MD, le colorant bleu de méthylène interagit toujours avec les atomes du nanocomposite AC/NZ même en présence de molécules d'eau. La fonction de distribution radiale (RDF) a été calculée à partir de la simulation MD pour mieux comprendre la stabilité du complexe de surface nanocomposite colorant MB-AC/NZ dans l'eau explicitement. Ce RDF peut nous aider à comprendre l'interaction entre la molécule de colorant MB et la surface du nanocomposite AC/NZ. RDF est expliqué comme la probabilité de localiser la particule "B" dans la plage (r + dr) de la particule A et est généralement exprimé en g (r). La production de liaisons hydrogène avec l'eau et l'interaction du colorant de la molécule de colorant bleu de méthylène avec la surface du nanocomposite AC/NZ ont toutes deux été étudiées à l'aide de cette méthode. Les RDF entre la molécule de colorant bleu de méthylène et les atomes de surface du nanocomposite AC/NZ sont illustrés à la Fig. 12. Comme observé à la Fig. 12, les liaisons formées par l'atome d'azote du colorant MB et le groupe hydroxyle à la surface du Le nanocomposite AC / NZ (N (colorant bleu de méthylène) - H – O (surface du nanocomposite AC / NZ)) a une longueur de liaison de 2,28 Å. Les liaisons entre l'atome d'hydrogène du colorant bleu de méthylène et l'atome d'oxygène de la surface nanocomposite AC/NZ (O(surface nanocomposite AC/NZ)-HC(colorant bleu de méthylène)) ont une longueur de liaison de 2,55 Å. Ces deux interactions, qui ont eu lieu à des intensités élevées, ont démontré que le bleu de méthylène et le nanocomposite AC/NZ interagissent fortement. Les RDF montrent que même en présence de molécules d'eau, le colorant bleu de méthylène interagit toujours avec la surface du nanocomposite AC/NZ.

Les RDF pour les sites d'interaction du colorant MB avec les atomes de surface du nanocomposite AC/NZ en présence d'eau à 5 ns.

En résumé, l'utilisation de déchets de canne à sucre comme matière première principale permet la préparation réussie du composite composé de zéolite et de charbon actif. Pour le colorant MB à partir de solutions aqueuses, le nanocomposite nouvellement créé a démontré une efficacité notable. Le rétrécissement et le frittage du charbon à des températures élevées peuvent être la raison pour laquelle la température de carbonisation du courant alternatif a été conçue pour être de 500 ° C. Le pH, la durée et les concentrations de colorant n'étaient que quelques-unes des variables qui ont été ajustées pour le processus d'adsorption. Le meilleur modèle cinétique pour l'adsorption de MB, tel que déterminé par les tests cinétiques, était de pseudo-second ordre. Les valeurs des paramètres isothermiques déterminées ont soutenu la bonne interaction entre le colorant MB et AC500/NZ ainsi qu'un fort mécanisme d'échange d'ions lors de l'adsorption MB. Le modèle Temkin offrait le meilleur ajustement pour les isothermes. Enfin, la création directe d'un composite de charbon actif zéolite à partir de déchets de canne à sucre pourrait à la fois atteindre l'objectif de traiter les eaux usées avec des déchets de canne à sucre et offrir une solution viable au problème de l'accumulation de ces déchets. L'analyse des structures moléculaires dérivées de la simulation MC du MB adsorbé sur les surfaces de surface des nanocomposites AC/NZ indique que l'adsorption peut être liée aux forces de dispersion de Van Der Waals, ce qui appuie les résultats expérimentaux. En présence de molécules d'eau, le MB s'adsorbe à la surface du nanocomposite AC/NZ, selon la modélisation MD.

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Laboratoire de recherche en science des matériaux, Département de chimie, Faculté des sciences, Université Beni-Suef, Beni-Suef, Égypte

Fatma Mohamed, Shimaa Kotb Zaki, Maysaa Sayed Abd-Elsamy, Radwa Sayed, Nermein Khalid, Sara Saad & Sara Omar

Laboratoire de nanophotonique et applications, Département de physique, Faculté des sciences, Université Beni-Suef, Beni-Suef, 62514, Egypte

Fatma Mohamed, Mohamed Shaban, Mohamed Zayed, Nermein Khalid, Ashour M. Ahmed & Abanoub Gerges

Département de physique, Faculté des sciences, Université islamique de Médine, 42351, PO Box: 170, AlMadinah Almonawara, Arabie saoudite

Mohamed Chaban

Département de physique, Collège des sciences, Université islamique Imam Mohammad Ibn Saud (IMSIU), Riyad, 11623, Arabie saoudite

Ashour M. Ahmed

Faculté des sciences, Micro-analyse et recherche environnementale et Centre de services communautaires, Université Beni-Suef, Beni Suef, Egypte

HR Abdel-Mageed

Département des sciences fondamentales, Faculté de médecine buccale et dentaire, Université Nahda Beni-Suef (NUB), Beni Suef, 11787, Égypte

NK Soliman

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FM : conceptualisation, méthodologie, analyse formelle, rédaction manuscrite. MS : analyse formelle, conceptualisation, supervision, rédaction-révision et édition. SK : analyse formelle, méthodologie. MS : analyse formelle, méthodologie. RS : analyse formelle, rédaction manuscrite. MZ : méthodologie. NK : analyse formelle, méthodologie. SS : analyse formelle, méthodologie. SO : analyse formelle, méthodologie. AMA : écriture manuscrite. AG : analyse formelle, méthodologie.HRAEl-M. : calcul théorique. NKS : écriture manuscrite.

Correspondance à Fatma Mohamed.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Mohamed, F., Shaban, M., Zaki, SK et al. Charbon actif dérivé de la canne à sucre et modifié avec de la zéolithe naturelle pour une adsorption efficace du colorant bleu de méthylène : approches expérimentales et théoriques. Sci Rep 12, 18031 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22421-8

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Reçu : 17 juin 2022

Accepté : 14 octobre 2022

Publié: 27 octobre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-22421-8

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Charbon actif dérivé de la canne à sucre et modifié avec de la zéolithe naturelle pour une adsorption efficace du colorant bleu de méthylène : approches expérimentales et théoriques