Carbón activado derivado de caña de azúcar y modificado con zeolita natural para la adsorción eficiente de colorante azul de metileno: aproximaciones experimentales y teóricas

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 18031 (2022) Citar este artículo

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La introducción de carbón activado/zeolita natural (AC/NZ) como un nanoadsorbente eficiente y confiable para mejorar la adsorción del tinte azul de metileno (MB). Al calcinar residuos de caña de azúcar a diversas temperaturas, entre 500 y 900 °C, se forman carbones activados (CA). Se utilizaron tanto XRD como SEM para la caracterización de los adsorbentes preparados. Se realizaron mediciones de adsorción para la eliminación del colorante MB según el impacto del pH, la concentración inicial de MB y el tiempo de contacto. Se encontró que la capacidad máxima de adsorción de AC500/NZ para el colorante MB a 25 °C, pH 7 y una masa de AC500/NZ de 50 mg era de aproximadamente 51 mg/g a una concentración inicial de 30 ppm. El modelo cinético de pseudosegundo orden y el modelo de isoterma de Temkin describen el proceso de adsorción. El modelo de Temkin muestra que la energía de adsorción es 1,0 kcal/mol, lo que indica que el proceso de adsorción de MB a AC500/NZ ocurre físicamente. Nuestros estudios de simulación de Monte Carlo (MC) respaldaron nuestros hallazgos y mostraron que la fuerza de dispersión de Van der Waals era responsable de la adsorción física de la molécula de MB. Se cree que el adsorbente AC500/NZ es un fuerte candidato para la remediación del agua.

Debido a la rápida industrialización, cada año se vierten al lago enormes cantidades de residuos nocivos. La contaminación del agua se considera una gran amenaza para los seres humanos y otras formas de vida. Los tintes orgánicos provienen de las industrias textil, gráfica, alimentaria y del cuero1. Estos colorantes pueden provocar peligrosos problemas de salud como cáncer, dermatitis y alergia2,3. Dado que los tintes no son naturalmente biodegradables, es fundamental eliminarlos de las aguas residuales. Uno de los tintes comunes, el azul de metileno (MB), se utiliza ampliamente en aplicaciones cruciales en las industrias alimentaria, textil, cosmética y farmacéutica. La presencia de MB en el agua aumenta la demanda de oxígeno, lo que a su vez afecta a los animales acuáticos. Se han involucrado muchas técnicas en la eliminación de tintes, como la adsorción, la fotólisis, la degradación por foto-Fenton y también la fotocatálisis2,4,5,6,7,8,9. Desafortunadamente, la mayoría de estas técnicas tienen inconvenientes importantes, como alto costo operativo, largo tiempo, baja eficiencia, producción de lodos y formación de contaminantes secundarios. Entre estas técnicas, el proceso de adsorción es superior a otras técnicas debido a su alta eficiencia de eliminación, facilidad de diseño, mínima producción de residuos y bajo requerimiento de energía10,11. Además, se puede aplicar en el tratamiento de tintes en soluciones altamente concentradas. Desarrollar catalizadores heterogéneos rentables y ecológicos con alta eficiencia es el principal desafío para las aplicaciones comerciales a gran escala12.

El carbón activado (CA) es un material de carbón como el grafito con una estructura de disposición irregular e imperfecta de carbón microcristalino. El carbón activado tiene una estructura porosa que aumenta la superficie y disminuye la densidad. El aire acondicionado es uno de los mejores adsorbentes para eliminar trazas de contaminantes del aire, el suelo y el agua debido a su fuerte adsorción física13. Esto se debe a las ventajas del AC, como propiedades porosas, alta estabilidad química/térmica, área de superficie única, grupos funcionales de superficie y naturaleza fisicoquímica del AC14. Los carbones activados se preparan mediante métodos de activación física o química. Se ha informado que la activación física es más beneficiosa debido a su mayor superficie, mayores rendimientos y estructura porosa altamente desarrollada15. Los carbones activados se pueden producir a partir de diferentes desechos agrícolas como caña de azúcar, turba, lignito, madera y cáscaras de coco. El bagazo de caña de azúcar (BSC) se presenta como una excelente biomasa para la síntesis de AC debido a su disponibilidad y bajo costo. El bagazo de caña de azúcar se produce en las industrias de bioetanol, azúcar, polietileno y etanol16. La composición de SCB se compone de lignina (20-25%), hemicelulosas (25-30%) y celulosa (40-50%). La eliminación de grandes cantidades de residuos de bagazo de caña de azúcar se ha convertido en una gran contaminación ambiental y, en consecuencia, en un peligro para la salud en esa región. Como resultado, convertir SCB en AC reduce los desechos agrícolas y al mismo tiempo produce un adsorbente útil a un precio razonable17.

En el pasado se han realizado numerosos experimentos que utilizaron aire acondicionado como adsorbente para limpiar el agua. Para la adsorción de azul de metileno en la oscuridad, Amdeha et al. produjo AC/TiO218. Sin embargo, la adsorción (%) de MB alcanzó el 70% en un período de 60 min. Kuang et al. AC fabricado modificado por tres tensioactivos como adsorbente para la eliminación del azul de metileno19. La tasa de adsorción fue del 100% después de 120 minutos a pH 12. Sin embargo, el carbón activado presenta varias desventajas, como ser costoso, consumir mucho tiempo y la capacidad de los colorantes adsorbentes disminuye a medida que aumenta el número de ciclos11.

Recientemente, la zeolita natural (NZ) es uno de los materiales microporosos más deseables debido a sus propiedades químicas y físicas20. La zeolita es un mineral de aluminosilicato que contiene elementos alcalinos y alcalinotérreos dispuestos en forma tetraédrica con estructuras estructurales porosas. Tiene una superficie específica alta, buena estabilidad y propiedades hidrófilas/hidrófobas sintonizables. Además, la zeolita es económica, abundante y biocompatible. La zeolita ha atraído propiedades como un alto intercambio iónico, un excelente tamizado molecular y una buena conductividad de protones21. Estas propiedades se han aplicado en gran medida en muchos campos, incluida la protección del medio ambiente y la agricultura. Se ha utilizado en varios estudios para eliminar diferentes metales pesados22,23. Sin embargo, estudios previos mostraron una baja eficiencia para la eliminación de colorantes debido a las bajas capacidades de sorción24,25.

El propósito de este trabajo es desarrollar un nanocompuesto de carbón activado/zeolita natural (AC/NZ) como un nanoadsorbente eficaz y confiable para el tinte azul de metileno (MB) de aguas residuales. El carbón activo se puede producir a bajo costo reciclando desechos como los de caña de azúcar. Para reducir los costos de procesamiento y mejorar las estructuras y morfologías de los carbones activados (CA) producidos, se debe optimizar la temperatura de calcinación de estos materiales. Es muy importante comprender los mecanismos, la cinética y las isotermas de la reacción de adsorción. También es necesario analizar cómo diversas variables ambientales, como el pH, la concentración inicial de MB y el tiempo de contacto, afectan los procesos de adsorción. Por último, es crucial utilizar la simulación Monte Carlo (MC) para verificar el comportamiento de adsorción del MB en la superficie del nanoadsorbente mejorado.

Con base en la discusión anterior, se supone que la combinación de las propiedades del carbón activado con la zeolita natural es un mejor compuesto para la eliminación de tintes y el tratamiento del agua. Aquí, se sintetizó y aplicó un nanocompuesto de carbón activado/zeolita natural (AC/NZ) para la adsorción de colorante MB con alta eficiencia. Los materiales preparados se caracterizan mediante diferentes técnicas que incluyen espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), difractómetro de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX). Además, se estudia el tiempo de contacto, la concentración inicial del colorante, el pH, la cinética, la estabilidad y los mecanismos del proceso de adsorción. Durante la producción de AC se optimizó por primera vez la temperatura de carbonización de 500 a 900 °C. Se estudió la regla de uso de la zeolita como huésped para mejorar las propiedades adsorbentes de la muestra optimizada. El % de eliminación de tinte aumenta del 88,6% en el caso de AC500 al 99,2% en el caso de AC500/NZ en aproximadamente 45 min. Además, se llevó a cabo una simulación Monte Carlo (MC) para verificar el comportamiento de adsorción del MB.

De una mina de zeolita en bruto en la ciudad de Taiz se obtuvo zeolita natural (suroeste de la República de Yemen). Se trituraron unos 10 gramos de mina de Nueva Zelanda en trozos pequeños y se lavaron con agua destilada varias veces. Luego, se secó al aire y se activó mecánicamente mediante molino de bolas (MTI Corporation, modelo MSK-SFM) a 4000 rpm durante 6 h con un molino de anillos de tungsteno. El carbón activado se produjo en un laboratorio utilizando caña de azúcar residual como principal fuente de biomasa. La ceniza de SCB se adquirió en una tienda vecinal de jugo de caña de azúcar en Beni-Suef, Egipto, y tenía una longitud de 10 a 25 cm. La muestra cruda de SCB se mezcló con ácido sulfúrico y agua destilada durante 4 h. Luego se lavó minuciosamente el bagazo con agua destilada caliente y etanol antes de dejarlo secar al aire. En un horno ajustado a aproximadamente 300 °C durante 4 h, se secó el SCB. Se molió con bolas durante 5 h a 4000 rpm hasta obtener un tamaño de partícula diminuto después del secado. Luego, se colocaron 40 g del SCB resultante en un horno de mufla (Thermo Scientific Thermolyne modelo F6010) y se calentaron durante 2 h a 500, 700 y 900 °C en un ambiente de N2. Estaba etiquetado como carbono carbonizado AC500, AC700 y AC900, respectivamente. La muestra de bagazo se dejó enfriar hasta alcanzar temperatura ambiente. Luego, el sólido resultante se lavó con agua destilada varias veces para eliminar cualquier impureza y posteriormente se secó al aire.

Para la fabricación del nanocompuesto AC/NZ, se utilizó un mortero para moler completamente 3 g de AC500 con 3 g de NZ (relación de masa: 1:1) para crear un polvo fino. La mezcla se trituró y luego se dispersó en 100 ml de agua desionizada durante dos horas a 60 °C en un limpiador ultrasónico (Fisher Scientific modelo FS110D). El polvo de precipitación que se produjo después de la filtración se recogió y se horneó para secar. El proceso de fabricación del nanocompuesto AC/NZ se representa esquemáticamente en la Fig. 1.

Esquema de los pasos de síntesis de AC/NZ.

El análisis de difracción de rayos X (XRD; D8 Bruker) se empleó a 40 kV y 40 mA con una fuente de excitación Cu-Kα para identificar la cristalografía de las muestras preparadas. Se utilizó un microscopio electrónico de barrido (SEM; ZEISS EVO) para descubrir la morfología de las muestras. Se examinaron los espectros infrarrojos por transformada de Fourier (FT-IR; Vertex 70) de las muestras fabricadas para identificar los grupos funcionales de la superficie. Las propiedades ópticas de los nanopolvos se utilizaron a temperatura ambiente en el rango de 250 a 900 nm mediante un espectrofotómetro de doble haz UV-Vis (Perkin Elmer Lamba 990).

En este trabajo se sintetizó la solución colorante para azul de metileno (CI No. 52030; fórmula química: C16H18N3OS) en varias dosis. Los estudios de adsorción se realizaron en una habitación oscura a una temperatura de 25 °C durante el invierno de 2022 en la ciudad de Beni-Suef, Egipto. Los valores de pH de las soluciones de tinte iniciales se controlaron utilizando un medidor de pH y se regularon con HCl 0,1 M y NaOH 0,1 M (Jenway 3520). Todas las pruebas de adsorción de MB se han llevado a cabo a escala en modo discontinuo bajo diversas condiciones experimentales, como la concentración inicial de MB (de 5 a 30 mg/L de solución de MB), el tiempo de contacto de adsorción (hasta 45 min) y el pH (3-30 mg/L de solución de MB). 10) con agitación continua. Cada prueba se llevó a cabo en 50 ml de solución de tinte MB con la concentración inicial, la reutilización y el valor de pH deseados. Después de agregar el adsorbente (AC y AC/NZ) a la solución de MB, la mezcla se agitó magnéticamente (SciQuip, GyroStir 550H) durante 20 sa 200 rpm. La variación en la concentración de MB se aclaró a partir del pico de absorción medido con un espectrofotómetro UV/Vis (Jenway 63065). La concentración de colorante MB se observó a una longitud de onda de 664 nm dentro de intervalos periódicos regulares.

La cantidad de absorción de MB por el AC/NZ sintetizado en el tiempo t (qt (mg/g)) y en el equilibrio (qe (mg/g) y el porcentaje de eliminación de tinte MB se obtuvieron utilizando las ecuaciones (1), (2). y (3), respectivamente26,27.

cual \({\mathrm{C}}_{\mathrm{t}}\), \({\mathrm{C}}_{\mathrm{e}}\) y \({\mathrm{C} }_{0}\) son las concentraciones de MB en mg/L después del tiempo t, en equilibrio, y al inicio del proceso de adsorción, respectivamente. El volumen de MB (V) se mide en ml y m es la masa de AC/NZ en mg. Todas las mediciones de adsorción se repitieron tres veces independientes y se presentaron los valores promedio.

Se utilizan diferentes mecanismos de adsorción y modelos cinéticos, como el modelo cinético de difusión intrapartícula, Elovich simple, modelos cinéticos de pseudoprimer orden y pseudosegundo orden, para determinar el mecanismo de adsorción y el modelo cinético más adecuados para la adsorción de MB en Adsorbente AC/NZ.

Las ecuaciones (4) a (7) se utilizan para representar los modelos cinéticos de difusión intrapartícula, Elovich simple, pseudoprimer orden y pseudosegundo orden, respectivamente28,29,30,31.

donde k1, k2 y \({\mathrm{k}}_{3}\) representan constantes de velocidad de los modelos de propagación intrapartícula, de pseudoprimer orden y de pseudosegundo orden. Me refiero a una constante relacionada con el espesor del límite. α y β representan la tasa de adsorción inicial en el tiempo cero (mg/min) y el grado de cobertura de la superficie (g/mg), respectivamente.

Se han aplicado varios modelos de isoterma de adsorción, como la isoterma de adsorción de Langmuir, Freundlich y Temkin, para explicar la isoterma de reacción del adsorbente AC/NZ fabricado para el tinte MB probado. Los tres modelos pueden representarse mediante las Ecs. (8), (9) y (10), respectivamente32,33,34:

Aquí, Qo es la cantidad máxima de tinte eliminado por los adsorbentes AC/NZ (mg/g), KL, KF y KT representan las constantes de Langmuir, Freundlich y la constante de unión del modelo de isoterma de Temkin, respectivamente. n es la densidad de adsorción, B (= RT/b) es una constante asociada con el calor adsorbido, R es la constante universal de los gases y T es la temperatura absoluta.

El factor de separación adimensional (RL) podría usarse para predecir el grado de favorabilidad de la isoterma de Langmuir para los datos de equilibrio basados en la ecuación. (11)35:

donde Cmax representa la concentración máxima inicial de MB.

La adsorción del tinte azul de metileno en el nanocompuesto AC/NZ y los sitios de desorción del tinte azul de metileno en la superficie del nanocompuesto AC/NZ se estudiaron mediante simulación Monte Carlo (MC). Las estructuras iniciales del nanocompuesto AC/NZ se tomaron de la literatura36. La simulación de MC se llevó a cabo mediante un módulo localizador de adsorción basado en el campo de fuerza COMPASS (potenciales moleculares optimizados en fase condensada para estudios de simulación atomística) como campo de fuerza y uso de corriente en la sección de cargas37. Los principios básicos de la simulación MC utilizados en este trabajo han sido descritos por Frenkel y Smit38. Además, en este estudio se llevó a cabo la simulación MD. En las simulaciones MD, los términos electrostáticos y de van der Waals se trataron con los métodos de Ewald y de grupo, respectivamente. La MD se simuló en el conjunto NPT durante 1 ns, seguido de condiciones isotérmicas-isobáricas (NPT) a 1 atm y 300 K durante 4 ns, con un paso de tiempo de 1 fs. La temperatura y la presión fueron controladas por un termostato Nose y un barostato Berendsen, respectivamente. En la integración de las ecuaciones de movimiento se utilizó el algoritmo de velocidad de Verlet39. Los antecedentes teóricos de la simulación MD se realizan según este estudio37.

Se llevó a cabo un examen de difracción de rayos X (DRX) para comprender la estructura cristalina de las muestras preparadas. Los gráficos XRD de AC500 y AC500/NZ en el rango 2θ de 0 a 75° se muestran en la Fig. 2. Para la muestra AC500, hay muchos picos de difracción ubicados en 2θ de 23,98, 36,63 y 44,38°, lo que confirma la fase de carbonización y preparación de carbón activado. Las bandas anchas en los patrones XRD caracterizan la existencia de un orden de corto alcance en la estructura del carbono que confirma la fase amorfa de la carbonización.

Patrones XRD de (A) AC500 y (B) AC500/NZ.

El amplio pico de difracción observado a 23,98° corresponde al (002) de los reflejos hexagonales similares al carbono (JCPDS 50-0926)40. El pico de baja intensidad alrededor de 36,63° se atribuye (105) al grafito cristalino (JCPDS 721-616)40. El pico ubicado a 44,38° se asigna al plano 10 (superpuesto 100 y 101) de apilamiento desordenado de micrografito41. La fase grafítica puede resultar ventajosa para la transferencia de carga ya que el carbono grafítico es una sustancia conductora. La ausencia del pico de celulosa en el patrón XRD confirma la descomposición de la celulosa, lo que indica una estructura de carbono amorfa con láminas de carbono aromático orientadas aleatoriamente. La cadena de celulosa destruida de la caña de azúcar puede mejorar la exposición de grupos activos que mejoran la interacción entre AC500 y el colorante que contribuye a la adsorción42.

La muestra AC500/NZ mostró muchas líneas de difracción XRD. Los picos XRD de la zeolita se encuentran en 2θ ~ 26,74°, 29,52°, 31,00°, 31,99°, 32,97°, 39,55° y 50,28°, lo que confirma la fase monoclínica de la zeolita. Con base en la tarjeta JCPDS 00-053-1176, estos picos corresponden a los índices de Miller (−402), (−531), (401), (530), (061), (220) y (532), respectivamente. Los picos de la zeolita natural coinciden con la estructura identificada en numerosas investigaciones anteriores43,44.

Las fases grafíticas a 36,63° y 44,38° para AC500/NZ desaparecieron como resultado de la interacción entre la zeolita y el carbón activado durante el proceso de tratamiento térmico, lo que condujo a una estructura grafítica desordenada o estructura interna. Después de acoplar AC con zeolita, el plano (002) de carbono en el compuesto experimenta una disminución en FWHM y un cambio de posición hacia un ángulo más pequeño, como se muestra en la Tabla 1. Como resultado, los tamaños de cristalitos del pico (002) aumentaron de 24,38 Å para nanopartículas de CA a 927,09 para nanocompuestos de CA/NZ. Además, las intensidades de los picos de difracción del nanocompuesto AC500/NZ se volvieron menores que los picos de AC, lo que indica un cambio en la cristalinidad. Además, la microdeformación disminuyó de 6,734 a 0,187% después de cargar zeolita en AC. El resultado de XRD para AC500/NZ confirma que la zeolita se ha incorporado con éxito en AC500.

Para las moléculas de tinte que han sido adsorbidas, los grupos funcionales en la superficie de los nanomateriales pueden servir como posibles sitios de unión. Los grupos funcionales precisos se identificaron utilizando espectros de vibración de red infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Para obtener un espectro infrarrojo en un amplio rango espectral con datos espectrales de alta resolución, FTIR es un método rápido y económico. El enfoque FTIR depende de la frecuencia con la que vibran los enlaces en una molécula energizada45,46,47. La muestra absorbe la radiación IR y sus moléculas se excitan a un estado de vibración más alto cuando la luz infrarroja incide sobre ella. La diferencia de energía entre los modos de vibración de una molécula excitada y en reposo determina la longitud de onda de la radiación IR que es absorbida por esa molécula. La composición química y la configuración de enlace de los materiales afectan las transiciones vibratorias. El espectro resultante crea una huella molecular precisa del material. Las bandas infrarrojas se pueden utilizar para identificar las partes y estructuras moleculares de materiales biológicos e inorgánicos. Esto hace que FTIR sea útil para una variedad de estudios. Como se muestra en la Fig. 3, el análisis FTIR se realizó en nanopolvos de zeolita natural y carbón activado en el rango de 400 a 4000 cm −1.

Espectros FTIR de NZ, AC y AC500/NZ.

Para AC, la banda en el rango 3405,48 cm-1 corresponde a la vibración de estiramiento del hidroxilo (O – H) 48. Las bandas ubicadas en 2920,149 y 2856,403 cm-1 indican el estiramiento alifático del CH presente y –O–CH3 del grupo aldehído, respectivamente49. Las bandas en 2377,34, 2309,67 y 1576,56 cm-1 se refieren a las vibraciones de estiramiento C=C. La banda a 1101,00 cm-1 indica el estiramiento C-O50. Las bandas en 1446,39 y 806,68 cm-1 se deben al modo de estiramiento de carbonatos que comúnmente resulta de C-H. Las bandas en 611,29 y 469,49 cm-1 pueden pertenecer a vibraciones de estiramiento C-C.

El FTIR de AC500/NZ se muestra en la Fig. 3. Han aparecido bandas mixtas entre AC y zeolita. Las bandas en 2920,14, 2856,40, 2377,34, 1576,56, 1101,00 y 806,68 cm–1 desaparecen debido a la interacción térmica entre AC500 y la zeolita. Además, aparecen muchas bandas nuevas en 1639,47, 1046,25 y 793,04 cm–1 en el espectro FTIR.

La banda de 1639,47 cm-1 se asignó al modo de flexión OH debido al agua adsorbida en la superficie de la zeolita51. La banda más fuerte a 1046,25 cm-1 se asignó a la banda de vibración de estiramiento de la estructura de Si (Al)-O en la zeolita natural. Esto indica que la estructura de la zeolita no fue destruida después del acoplamiento con AC500. La banda a 793,04 cm-1 se atribuyó a las vibraciones de estiramiento de los enlaces tetraédricos de AlO4 y SiO452. Además, debido a que AC500 se encuentra en superficies de zeolita, la amplitud de transmitancia de las bandas FT-IR para AC500/NZ es menor que en AC500. Además, en comparación con AC500, la mayoría de las bandas en AC500/NZ se movieron un poco hacia una posición de número de onda más largo.

La vibración de estiramiento del anillo aromático (C=C), que indica que el grupo carbonilo está conjugado con el anillo aromático, se atribuyó a una banda fuerte a 1580 cm-1 en AC500. Un ligero corrimiento al rojo con el aumento de temperatura, a 1565 cm-1 para AC700 y AC900, indicó la formación de una estructura de anillo aromático53, que es perjudicial para la eficiencia de adsorción del carbón activado, como mostraremos en "Rendimiento de adsorción".

Las imágenes SEM y el análisis EDX de los adsorbentes AC500, NZ y AC500/NZ se ilustran en la Fig. 4. La imagen SEM de AC500, Fig. 4A, muestra que AC500 exhibe partículas aglomeradas, redondeadas y de forma regular con una superficie menos porosa que, en consecuencia, afecta el área de superficie del AC500, lo que a su vez afecta su capacidad de adsorción. El análisis EDX (Fig. 4B) realizado en la muestra AC500 muestra la presencia de C (100%). La imagen SEM de la zeolita, Fig. 5C, ilustró partículas aglomeradas, superficie rugosa, diferentes tamaños de partículas y cavidades porosas en la superficie, mientras que el análisis EDX de la zeolita, Fig. 5D, muestra la presencia de O (65,83%), Si. (24,42%), Al (5,91%), Na (1,69%), K (1,30%) y Ca (0,87%). Cuando el AC500 se trata con zeolita, Fig. 4E, la imagen SEM del nanocompuesto muestra que los poros en las superficies de la zeolita se cubren con partículas de AC500 y se convierten en partículas aglomeradas. Estas imágenes revelaron también que la zeolita recubría la superficie de AC y reducía los poros de AC500. La formación del nanocompuesto AC500/NZ podría establecerse a partir de alteraciones en las topografías morfológicas del nanocompuesto en comparación con las del AC500 y la zeolita. Por otro lado, el análisis EDX de AC500/NZ, Fig. 4F, muestra la presencia de C (28,01%), O (50,96%), Si (9,27%), Al (1,55%), Na (2,20%), K (1,26%) y Ca (6,57%), lo que se considera otra confirmación de la formación de AC500/NZ.

Imágenes SEM y análisis elemental EDX de (A,B) AC500, (C,D) NZ y (E,F) AC500/NZ.

(A) Absorbancia óptica de muestras preparadas y (B – E) Gráficos de (αhν)2 versus hν para determinar, por ejemplo.

Existen muchos métodos convencionales para la síntesis de AC/Z en el laboratorio. Por ejemplo, Prince et al.54 sintetizaron un compuesto de carbón activado/zeolita para la eliminación de iones de metales pesados mediante la preparación de carbón activado y posterior gel seco asistido por vapor de ortosilicato de tetraetilo y aluminato de sodio. Sari et al.55 sintetizaron zeolítica en dos pasos utilizando la extracción de sílice de la cáscara de arroz a 700 °C durante 6 h y seguido de un proceso hidrotermal para solución de sílice en NaOH a 150 °C durante 96 h. Mengqi et al.56 prepararon un compuesto de carbón activado/zeolita (CZC) para la adsorción y eliminación de iones Pb(II) de aguas residuales. Utilizaron un método de reacción hidrotermal y de fusión acuoso-álcali en trazas de dos pasos utilizando cenizas volantes (FA) como materia prima. Desafortunadamente, estos métodos requieren un alto consumo de energía, un autoclave costoso, mucho tiempo y un alto costo de precursores.

Esto indica que nuestro trabajo introdujo un método económico para fabricar adsorbentes derivados de desechos de caña de azúcar y piedra de zeolita natural mediante técnicas de molienda de bolas y carbonización térmica. Estas técnicas son muy sencillas, fáciles, económicas y no requieren ningún equipo especial. La producción mundial de caña de azúcar ha alcanzado los 60 millones de toneladas anuales en unos 124 países. Convertir los residuos de la caña de azúcar en productos valiosos es muy beneficioso desde el punto de vista económico y medioambiental. Se estima que la producción mundial de zeolita natural supera los 3 millones de toneladas. El precio de las materias primas para el adsorbente AC/NZ es muy bajo. Después de una encuesta en los sitios web de muchas empresas comerciales, el precio de venta de los desechos comerciales de caña de azúcar y la zeolita natural granulada es de aproximadamente 0,15 y 0,10 dólares estadounidenses por kilogramo, respectivamente. Al final, se estima que el coste del adsorbente AC/NZ diseñado para una producción masiva será inferior a 300 dólares estadounidenses por tonelada. Por lo tanto, este adsorbente se puede aplicar industrialmente a un bajo costo y con una alta eficiencia para eliminar colorantes. Además, esta estrategia puede resolver simultáneamente dos cuestiones relacionadas con la gestión de residuos y la contaminación del agua.

Para la medición óptica, se utilizan suspensiones acuosas de nanopolvos para los estudios de absorción UV-Vis. Se dispersan aproximadamente 10 mg de muestra de nanopolvo en 50 ml de agua desionizada mediante ultrasonidos durante 120 min. después de eso, se usaron 3 ml de la muestra de suspensión en una cubeta para medir la absorbancia3. Los espectros de absorbancia óptica de los AC500, AC700, AC900 y AC500/NZ preparados se midieron como se muestra en la Fig. 5.

Todo el nanopolvo mostró una fuerte banda de absorción en el rango UV por debajo de λ = 350 nm. Esta banda resulta de un salto de electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción (CB). Luego, la absorción disminuye rápidamente en función de la longitud de onda en la región visible y NIR. Para los nanopolvos de CA, los rangos generales de intensidades de absorción disminuyen al aumentar la temperatura de carbonización de 500 a 900 °C. La muestra de nanocompuesto AC500/NZ tiene una alta intensidad de absorción en comparación con otros nanopolvos. Esto se debe a la interacción entre AC500 y NZ que conduce a la modificación de la estructura electrónica. Por lo tanto, Nueva Zelanda ha mejorado la capacidad de absorción de luz visible del nanopolvo AC500. Se observa en la Fig. 5 que el borde de absorción se desplaza hacia una longitud de onda más baja al aumentar la temperatura de 500 a 900 °C. Como resultado, la muestra AC500/NZ tiene una amplia banda de absorción que se extiende hasta el espectro visible. Esto indica que esta muestra puede absorber más fotones en el rango visual. El coeficiente de absorción (α) se calculó basándose en la absorbancia medida (A) mediante la siguiente ecuación:

donde ρ es la densidad del nanopolvo, L es la longitud de la cubeta de cuarzo y C es la concentración del nanopolvo en la suspensión.

La banda prohibida óptica (Eg) depende del coeficiente de absorción óptica del nanopolvo. El valor de la banda prohibida se puede determinar a partir del modelo Tauc de la siguiente manera57.

donde \({\mathrm{P}}_{0}\) es una constante independiente. \(\upnu \) es la frecuencia del fotón incidente. h es la constante de Planck. En la gráfica \({(\mathrm{\alpha h \nu })}^{2}\) − (\(\mathrm{h \nu }\)), la extrapolación de la porción de línea recta se da como valor de banda prohibida (\(\mathrm{Eg}\)).

En las figuras 5B-E, la banda prohibida disminuyó con el aumento de la temperatura de carbonización de AC. Se encontró que los valores de Eg eran 3,17, 3,20 y 3,23 eV para las muestras AC500, AC700 y AC900, respectivamente. El Eg para el nanopolvo AC500/NZ fue de aproximadamente 2,23 eV como resultado del borde de absorción desplazado al rojo. Estos pueden ser niveles de energía de nueva formación entre AC500 y NZ. Por lo tanto, una combinación de AC500 y NZ produce una gran absorción de luz y una banda prohibida reducida. La banda prohibida más estrecha indica que los electrones saltan más fácilmente del VB al CB bajo irradiación de fotones. Esto sugiere que el AC500/NZ preparado puede ser útil en muchas aplicaciones de energía solar.

Se examinó la estabilidad del adsorbente para el proceso de adsorción de MB, así como los efectos individuales y combinados de las variables del proceso, como el pH inicial de la solución, la concentración inicial de tinte y el tiempo de contacto.

El uso de diferentes temperaturas de carbonización (500, 700 y 900 °C) tuvo un efecto significativo en el comportamiento de adsorción de AC para MB a través de la técnica de adsorción (Fig. 6). Las eficiencias de los AC para la eliminación de MB alcanzaron 88,6, 88,6 y 72,7% utilizando 50 mg de AC500, AC700 y AC900, respectivamente, en 90 minutos. Este hallazgo demostró que al aumentar los grados de temperatura de carbonización de 500 a 900 °C, la eliminación de MB disminuye. Esto puede atribuirse a la contracción y sinterización del carbón a altas temperaturas (por encima de 500 °C)58. Sin embargo, la temperatura elevada favorece la formación de poros en el carbono, especialmente cuando la temperatura alcanza los 500 °C59. Esto se atribuye al uso de activadores para liberar alquitrán de la estructura reticulada60. Sin embargo, el intenso proceso de gasificación dañó una parte de la estructura microporosa a la temperatura más alta de 900 °C, lo que redujo la superficie y el volumen de los poros61. Además, la temperatura elevada aumenta el porcentaje de cenizas y carbono fijo, lo que reduce los rendimientos de materia volátil y sólidos62. Por lo tanto, se eligió la temperatura de 500 °C como temperatura de carbonización óptima para la adsorción de MB. Se puede observar en la Fig. 6A que; el porcentaje de absorción de tinte fue muy alto durante la primera etapa del proceso de adsorción y después de eso, sus tasas crecientes se reducen para alcanzar el estado de equilibrio después de 30 minutos en el caso de AC500 y después de 70 minutos en el caso de AC700 y AC900. Se observó también que; El tiempo de contacto no tiene ningún efecto marcado en el proceso de absorción después de alcanzar el equilibrio utilizando el sorbente recién preparado.

(A) La adsorción de 100 ml de solución de tinte MB de concentración 5 mg/L a pH7 usando 50 mg de AC500, AC700 y AC900 en diferentes momentos (B) La adsorción de 100 ml de solución de tinte MB de concentración 5 mg/L a pH7 usando AC500 y AC500/NZ durante 45 min.

Después de la incorporación de zeolita en la matriz de carbono, se observó una mejora en la eficiencia de adsorción alcanzando el 99,2% después de 45 min. Las rápidas tasas de eliminación en la etapa inicial de la reacción se deben a la existencia de una enorme densidad superficial de puntos activos descubiertos en las superficies del nanoadsorbente. Al aumentar el período de contacto entre el adsorbente y el adsorbato, los puntos calientes se convierten en sitios completamente ocupados por moléculas de MB. Como resultado, se establecen fuerzas de repulsión entre las moléculas de MB adsorbidas en la superficie de los adsorbentes y las moléculas de MB en la fase líquida a granel63. La impregnación de zeolita en una matriz de carbono provoca un aumento en la eficiencia de adsorción del tinte MB como se muestra en la Fig. 6B. Esto podría estar relacionado con la carga negativa en la estructura adsorbente que aumenta su capacidad para la adsorción del colorante MB catiónico64. El % de eliminación de tinte aumenta del 88,6% en el caso de AC500 al 99,2% en el caso de AC500/NZ en aproximadamente 45 min.

Las variaciones en el porcentaje de eliminación y la cantidad de MB adsorbido con el tiempo usando el adsorbente AC500/NZ a diferentes concentraciones iniciales de MB se muestran en las Fig. 7A, B, respectivamente. Se puede observar en la Fig. 7 que; la capacidad de adsorción y el porcentaje de absorción de tinte fueron muy altos durante la primera etapa del proceso de adsorción, y después de eso, sus tasas crecientes se reducen para alcanzar el estado de equilibrio al final. Se observó también que; El tiempo de contacto no tiene ningún efecto marcado en el proceso de absorción después de alcanzar el equilibrio utilizando el sorbente recién preparado. Los porcentajes máximos de adsorción para el tinte MB con concentraciones iniciales de 5, 15, 20, 25 y 30 ppm son 99,2, 97, 93, 88,5 y 85%, respectivamente, como se ve en la Fig. 7A. Las rápidas tasas de eliminación en la etapa inicial de la reacción se atribuyen a la existencia de una enorme densidad superficial de puntos activos descubiertos en las superficies del nanoadsorbente. Al aumentar el período de contacto entre el adsorbente y el adsorbato, los puntos calientes se convierten en sitios completamente ocupados por moléculas de MB. Como resultado, se establecen fuerzas de repulsión entre las moléculas de MB adsorbidas en la superficie de los adsorbentes y las moléculas de MB en la fase líquida a granel63.

Efecto de las concentraciones de tinte MB y el tiempo de contacto sobre (A) el % de eliminación de tinte y (B) la cantidad de tinte adsorbido a 25 °C y pH 7 por 50 mg de adsorbente AC500/NZ.

Las cantidades de MB adsorbido aumentan aumentando la concentración inicial de MB como se muestra en la Fig. 7B. Esto podría atribuirse al aumento en el gradiente de concentración con la elevación de la concentración inicial de MB. Como resultado, se ha producido un crecimiento suficiente de las fuerzas de tiro, superando así la resistencia a la transferencia de masa entre el adsorbato de MB y el adsorbente AC500/NZ65,66. Se encontró que las capacidades máximas de adsorción eran 9,92, 29,1, 37,2, 44,2 y 51 (mg/g) para el tinte MB con concentraciones iniciales de 5, 15, 20, 25 y 30 ppm, respectivamente, a 25 °C, pH 7, y AC500/NZ masa de 50 mg67,68.

El pH inicial de la solución de MB puede desempeñar un papel importante en la regulación del rendimiento del adsorbente debido a su impacto en la disociación/ionización del adsorbente AC500/NZ y su impacto en las superficies del adsorbente69. Por tanto, las cargas electrostáticas de los sorbentes AC500/NZ y del sorbato MB se ven muy afectadas por el pH de la solución. La Figura 8a muestra la influencia del pH inicial en el % de eliminación de tinte MB usando el adsorbente AC500/NZ. Para concentraciones iniciales de 5 mg/L y masa de adsorbente de 5 mg por 50 mL de solución, a pH de 3, 5, 7 y 10, se observó que el porcentaje de eliminación del colorante MB era 93, 95, 97 y 99,2%. , respectivamente. El menor porcentaje de eliminación se obtuvo a pH 3, lo que puede atribuirse a la alta movilidad de los iones H+ y a la protonación de la superficie del adsorbente. Así, el % de eliminación de MB disminuye debido a la competencia entre las moléculas de MB y los iones H+ durante todo el proceso de adsorción70. Pero a valores de pH elevados, pH 5, 7 y 10, la elevación relativa en el% de eliminación de MB por AC500/NZ se atribuye a la disminución de la concentración de iones H+71.

Efectos de (a) diferente pH y (b) reutilización en el proceso de adsorción de 5 mg/L de colorante MB en 50 mg del adsorbente AC500/NZ.

La Figura 8b indica que las pruebas de reutilización de AC500/NZ para la eliminación de MB se repitieron diez veces usando el mismo adsorbente y dosis. Según los hallazgos, la fuerza de eliminación del adsorbente utilizado varió sustancialmente a lo largo de los diez ciclos de adsorción. La actividad del AC500/adsorción NZ disminuyó después de la décima ejecución, cayendo de aproximadamente el 99,2 % en el primer ciclo al 95 % en el último. La caída en el porcentaje de eliminación de MB podría atribuirse a la aglomeración de moléculas de MB en la superficie del adsorbente AC500/NZ, que protege la superficie del adsorbente y los poros de las moléculas de MB disueltas, lo que resulta en una disminución en la capacidad de adsorción72. El resultado reveló un alto rendimiento hasta 10 carreras consecutivas con excelente eficiencia. Por tanto, AC500/NZ es un adsorbente prometedor para el tinte MB. La reutilización del adsorbente determinó la disponibilidad comercial para aplicaciones industriales.

La significancia estadística del coeficiente de correlación (R2) del ajuste lineal Ce/qe & Ce, log(qe) & log (Ce) y qe & Ln (Ce) es un criterio para ajustar el ajuste de datos a Langmuir, Freundlich y Isotermas de Temkin, correspondientemente. Los valores estimados de KT, KF, KL, Qo, B, 1/n y R2 se determinaron a partir de las figuras 9A a C y se informaron en la Tabla 2. Esta tabla muestra que la adsorción de MB en el adsorbente AC500/NZ no sigue la norma Langmuir ni la Patrones de isotermas de Freundlich. Una propiedad fisicoquímica importante que caracteriza la interacción de superficies sólidas con líquidos y gases es la energía de enlace de las especies adsorbidas. La determinación de la energía de enlace generalmente se realiza indirectamente midiendo el calor de adsorción. El modelo de isoterma de Tempkin se puede utilizar para esta propuesta midiendo el calor de adsorción "valores B" según el modelo de isoterma de Tempkin. La adsorción física ocurre si el valor del calor de adsorción es inferior a 1,0 kcal/mol. Además, con un valor de 20 a 50 kcal/mol se produce quimisorción. Si el valor del calor de adsorción está entre los dos (1-20 kcal/mol), tanto la fisisorción como la quimisorción están involucradas en la adsorción73. El modelo isotérmico de Temkin tiene el valor R2 más grande, por lo que el modelo isotérmico de Temkin es el modelo que juzga el proceso de adsorción de MB. A 25 °C, el R2 calculado usando las isotermas de Langmuir fue 0,9878, y el valor RL para la isoterma de adsorción de Langmuir es menor que uno, lo que indica que la adsorción de MB es ventajosa en las condiciones que ahora se están investigando74. La capacidad de adsorción más alta prevista de AC500/NZ es 53,4 mg/g, según lo determinado por la isoterma de adsorción de Langmuir. Los valores B del modelo de Temkin fueron inferiores a 1,0 kcal/mol, lo que sugiere que el proceso de adsorción de MB en AC500/NZ tiene lugar físicamente en la concentración bajo investigación75.

Gráficas de isotermas de adsorción para la adsorción de colorante MB por 50 mg de AC500/NZ a 25 °C y pH inicial de la solución 7; (A) Modelo de isotermas de Langmuir, (B) Modelo de isotermas de Freundlich y (C) Modelo de isotermas de Temkin.

Bajo diversas concentraciones iniciales de colorante y para examinar el modelo de cinética de adsorción más adecuado, se abordó la adsorción del colorante MB en el adsorbente AC500/NZ. Las Figuras 10A a C representan los gráficos lineales de pseudoprimer orden, pseudosegundo orden y cinética de Elovich trazando ln (qe – qt) versus t, \(\frac{\mathrm{t}}{{\mathrm{ q}}_{\mathrm{t}}}\) & t, y qt & ln (t), en orden. A partir de las gráficas lineales, los valores de los parámetros cinéticos de adsorción como α, β, qe, k2 y k3, además de R2, se obtuvieron y se presentaron en la Tabla 3. Para todos los modelos cinéticos estudiados, los valores de los coeficientes de regresión en la Tabla 3 Confirmó que la ley de velocidad de pseudo segundo orden es el modelo cinético mediante el cual se produce la adsorción de MB en AC500/NZ. El modelo cinético de pseudosegundo orden tiene el valor de coeficiente de correlación más alto, lo que demuestra que la adsorción de MB en el adsorbente AC500/NZ casi sigue el modelo de tasa de pseudosegundo orden. La buena aproximación entre la capacidad de adsorción calculada y la capacidad de adsorción experimental es otra prueba de este hallazgo. El mecanismo de adsorción pseudosecundaria se produce en dos pasos. Etapa de difusión externa durante la cual las moléculas de MB viajan desde todos los lados del fluido hasta la superficie del AC500/NZ exterior. La segunda etapa implica la unión y adsorción de las moléculas de MB adsorbato a la superficie del adsorbente AC500/NZ.

Cinética de sorción del colorante MB a 25 °C y pH 7 por 50 mg de adsorbente; (A) Pseudoprimer orden, (B) Pseudosegundo orden, (C) Modelo cinético de Elovich y (D) Sorción intrapartícula.

Para comprender el proceso cinético de adsorción y los pasos de control de velocidad, los datos prácticos se adaptan a la difusión intrapartícula de Weber. La Figura 10D representa el ajuste lineal de qt frente a t1/2. La línea recta obtenida propone que el modelo de difusión intrapartícula es aplicable en el caso de estudio. Los valores de K1 e I, Tabla 3, se obtienen de la pendiente y la intersección del ajuste lineal, respectivamente. La intersección I ≠ cero significa que el modelo de difusión intrapartícula de Weber no es la única ruta para calcular la velocidad a la hora de estimar la cinética de la reacción de adsorción76. La intersección I en la Fig. 10D se refiere al efecto de capa límite. La contribución de la adsorción superficial en la etapa de control de velocidad aumenta al aumentar el valor de intercepción76.

El carbón activado, la zeolita y el compuesto de carbón activado/zeolita se utilizaron para adsorber muchos materiales nocivos. En este sentido, Xiaoqin et al.77 fabricaron un compuesto de carbón activado/zeolita (AC/Z) utilizando residuos de polvo de litio-silicio como adsorbente para la eliminación del azul de metileno con una capacidad de adsorción de aproximadamente 15,49 mg/g. Hameed et al.78 prepararon un compuesto mesoporoso de carbón activado/zeolita (AC/Z) mediante activación con NaOH facilitada químicamente y tratamiento hidrotermal con ceniza de palma aceitera como sustrato. La capacidad máxima de adsorción para la eliminación del colorante MB es de aproximadamente 47,95 mg/g con una concentración inicial de colorante de 50 ppm a 30 °C. La capacidad máxima de adsorción para la eliminación del colorante MB utilizando zeolita natural tratada con NaOH, zeolita comercial y zeolitas modificadas con dodecilsulfato de sodio (SDS) es de aproximadamente 47,3, 22,0 y 5,6 mg/g respectivamente20,79,80. Selhan et al.81 obtuvieron carbones activados a partir de biomasa residual mediante activación con ácido sulfúrico con una capacidad de adsorción de aproximadamente 16,4 mg/g para MB. Además, Hameed et al. preparó82,83,84,85,86 muchos adsorbentes como carbón activado, zeolita/quitosano y quitosano/sepiolita para la eliminación del tinte MB. Sus resultados mostraron que la capacidad de adsorción con una concentración inicial de colorante de 50 ppm a 30 °C no superaba los 53,70 mg/g. Este valor es menor que nuestro resultado, que es 51,0 mg/g para AC500/NZ con una concentración inicial baja de 30 ppm a 25 °C.

La Figura 11A resume la configuración más baja que resultó de la adsorción de tinte azul de metileno en la superficie del nanocompuesto AC/NZ en condición seca (sin disolvente). La Tabla 4 muestra el tinte MB absorbido en las energías de adsorción (Eads), interacción (Eint) y deformación (Edef) de la superficie del nanocompuesto AC/NZ, así como las configuraciones sustrato-adsorbato (dEads/dNi), en las que uno de los componentes adsorbato ha sido eliminado. En la molécula de colorante MB se pueden encontrar diferentes sitios donantes y aceptores para enlaces de hidrógeno (HB). Como resultado, el átomo de hidrógeno del nanocompuesto AC/NZ y el átomo de nitrógeno de la molécula de tinte azul de metileno han formado un enlace de hidrógeno a una distancia de 2,61 Ǻ. Además, como se muestra en la Fig. 11A, el átomo de oxígeno del nanocompuesto AC/NZ tiene una conexión de hidrógeno con el átomo de hidrógeno de la molécula de tinte azul de metileno a una distancia de 1,80 Ǻ. La adsorción del tinte azul de metileno en la superficie del nanocompuesto AC/NZ es exotérmica, energéticamente ventajosa y espontánea debido a la presencia de interacciones intermoleculares, según los resultados del tinte azul de metileno de Eads absorbido en la superficie del nanocompuesto AC/NZ es negativo. . Además, se descubrió que el tinte MB se absorbía en la superficie del nanocompuesto AC/NZ en modo paralelo, lo que confirma las potentes interacciones entre el tinte azul de metileno y los átomos de la superficie. La adsorción del colorante MB sobre la superficie del nanocompuesto AC/NZ puede atribuirse a la contribución de los electrones de nitrógeno y oxígeno, según el análisis de las estructuras moleculares del colorante azul de metileno y de la superficie (adsorción química). Además, la adsorción física del tinte azul de metileno sobre la superficie del nanocompuesto AC/NZ se puede atribuir a las fuerzas de dispersión de Van Der Waals, que respaldan los hallazgos obtenidos experimentalmente.

Las (A) configuraciones de adsorción y (B) la conformación de simulación del tinte MB adsorbido en la superficie del nanocompuesto AC/NZ, obtenidas a partir de la simulación MC; y (C) instantáneas MD a 5000 ps de la adsorción del tinte azul de metileno en la superficie del nanocompuesto AC/NZ, la longitud del enlace está en Angstroms.

La simulación MD se utilizó para investigar la influencia de la presencia de moléculas de disolvente de agua en la adsorción del tinte azul de metileno en la superficie del nanocompuesto AC/NZ, en la que la configuración del tinte azul de metileno absorbido en la superficie del nanocompuesto AC/NZ obtenida de MC La simulación se simuló en agua explícita utilizando MD. La Figura 11B representa la conformación simulada final del tinte azul de metileno absorbido en el nanocompuesto AC/NZ. Durante las simulaciones, las moléculas de agua de la solución acuosa quedaron libres para migrar e interactuar con el tinte azul de metileno y el nanocompuesto AC/NZ. En la Fig. 11B se muestra una instantánea MD a 5000 ps de la adsorción del tinte azul de metileno absorbido en el nanocompuesto AC/NZ. Dado que el tinte MB tiene varios sitios donantes y aceptores de HB, ha creado varios enlaces de hidrógeno con los átomos del nanocompuesto AC/NZ. Además, los átomos de hidrógeno de hidroxilo de la molécula de tinte MB se utilizaron para generar HB con los átomos de oxígeno del nanocompuesto AC/NZ. La Figura 11C muestra que en agua, la molécula de tinte azul de metileno estableció enlaces de coordinación con los átomos del nanocompuesto AC/NZ. En los sistemas acuáticos se han encontrado tanto enlaces de hidrógeno intramoleculares (HB) entre los grupos funcionales de la molécula de tinte azul de metileno como enlaces de hidrógeno (HB) entre el tinte azul de metileno y las moléculas de agua. Según la simulación del MD, el tinte azul de metileno todavía interactúa con los átomos del nanocompuesto AC/NZ incluso en presencia de moléculas de agua. La función de distribución radial (RDF) se calculó a partir de la simulación MD para obtener más información sobre la estabilidad del complejo de superficie nanocompuesto de tinte MB-AC/NZ en agua explícitamente. Este RDF puede ayudarnos a comprender la interacción entre la molécula de tinte MB y la superficie del nanocompuesto AC/NZ. RDF se explica como la probabilidad de localizar la partícula “B” dentro del rango (r + dr) de la partícula A y generalmente se expresa como g(r). Utilizando este método se investigaron la producción de enlaces de hidrógeno con agua y la interacción de la molécula de tinte azul de metileno con la superficie del nanocompuesto AC/NZ. Los RDF entre la molécula de tinte azul de metileno y los átomos de la superficie del nanocompuesto AC/NZ se muestran en la Fig. 12. Como se observa en la Fig. 12, los enlaces formados por el átomo de nitrógeno del tinte MB y el grupo hidroxilo en la superficie del El nanocompuesto AC/NZ (N (tinte azul de metileno) - H – O (superficie del nanocompuesto AC/NZ)) tiene una longitud de enlace de 2,28 Å. Los enlaces entre el átomo de hidrógeno del tinte azul de metileno y el átomo de oxígeno de la superficie del nanocompuesto AC/NZ (O (superficie del nanocompuesto AC/NZ) -HC (tinte azul de metileno)) tienen una longitud de enlace de 2,55 Å. Estas dos interacciones, que tuvieron lugar a altas intensidades, demostraron que el azul de metileno y el nanocompuesto AC/NZ interactúan fuertemente. Los RDF muestran que incluso en presencia de moléculas de agua, el tinte azul de metileno todavía interactúa con la superficie del nanocompuesto AC/NZ.

Los RDF para los sitios de interacción del tinte MB con los átomos de la superficie del nanocompuesto AC/NZ en presencia de agua a 5 ns.

En resumen, el uso de desechos de caña de azúcar como materia prima principal permite la preparación exitosa del compuesto hecho de zeolita y carbón activado. Para el tinte MB a partir de soluciones acuosas, el nanocompuesto recién creado demostró una eficiencia notable. La contracción y sinterización del carbón a altas temperaturas puede ser la razón por la cual la temperatura de carbonización del aire acondicionado se diseñó para ser de 500 °C. El pH, la duración y las concentraciones de tinte fueron solo algunas de las variables que se ajustaron para el proceso de adsorción. El mejor modelo cinético para la adsorción de MB, según lo determinado por las pruebas cinéticas, fue el de pseudosegundo orden. Los valores de los parámetros isotérmicos determinados respaldaron la buena interacción entre el colorante MB y AC500/NZ, así como un fuerte mecanismo de intercambio iónico durante la adsorción de MB. El modelo de Temkin ofreció el mejor ajuste para las isotermas. Finalmente, la creación sencilla de un compuesto de carbón activado con zeolita a partir de desechos de caña de azúcar podría lograr el objetivo de tratar las aguas residuales con desechos de caña de azúcar y ofrecer una solución viable al problema de la acumulación de estos desechos. El análisis de las estructuras moleculares derivadas de la simulación MC del MB adsorbido en las superficies de los nanocompuestos AC/NZ indica que la adsorción puede estar relacionada con las fuerzas de dispersión de Van Der Waals, lo que respalda los hallazgos experimentales. En presencia de moléculas de agua, MB se adsorbe en la superficie del nanocompuesto AC/NZ, según el modelado MD.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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

Laboratorio de Nanofotónica y Aplicaciones, Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad Beni-Suef, Beni-Suef, 62514, Egipto

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

Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad Islámica de Medina, 42351, Apartado postal: 170, AlMadinah Almonawara, Arabia Saudita

Mohamed Shaban

Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad Islámica Imam Mohammad Ibn Saud (IMSIU), Riad, 11623, Arabia Saudita

Ashour Ahmed

Facultad de Ciencias, Microanálisis e Investigación Ambiental y Centro de Servicios Comunitarios, Universidad Beni-Suef, Beni Suef, Egipto

HR Abd El-Mageed

Departamento de Ciencias Básicas, Facultad de Medicina Bucal y Dental, Universidad Nahda Beni-Suef (NUB), Beni Suef, 11787, Egipto

NK Solimán

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FM: conceptualización, metodología, análisis formal, redacción del manuscrito. MS: análisis formal, conceptualización, supervisión, redacción-revisión y edición. SK: análisis formal, metodología. MS: análisis formal, metodología. RS: análisis formal, redacción del manuscrito. MZ: metodología. NK: análisis formal, metodología. SS: análisis formal, metodología. SO: análisis formal, metodología. AMA: escritura manuscrita. AG: análisis formal, metodología.HRAEl-M.: cálculo teórico. NKS: escritura manuscrita.

Correspondencia a Fatma Mohamed.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Mohamed, F., Shaban, M., Zaki, SK et al. Carbón activado derivado de caña de azúcar y modificado con zeolita natural para una adsorción eficiente de colorante azul de metileno: aproximaciones experimentales y teóricas. Representante científico 12, 18031 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22421-8

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Recibido: 17 de junio de 2022

Aceptado: 14 de octubre de 2022

Publicado: 27 de octubre de 2022

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

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