Environmentally Friendly Synthesis of Nanomaterials for Water Treatment Applications

Abstract

Abstract This work focuses on the removal of crystal violet (CV), a synthetic cationic dye widely used in the textile industry and microbiology, by adsorption onto biomaterials derived from pomegranate peels. Three adsorbents were synthesized and compared: pristine biochar (BC), MnO2-modified biochar (BC/MnO2), and MnO2- and zinc-modified biochar (BC/MnO2/Zn), the latter prepared using a green chemistry-inspired approach. The influence of key operating parameters was investigated, including adsorbent mass, pH, initial dye concentration, and temperature. The results showed that surface modification significantly enhances adsorption performance. The BC/MnO2/Zn composite proved to be the most efficient, achieving removal rates exceeding 90% at a dose as low as 0.05 g, owing to the synergistic effect of MnO2 and zinc, which increase active sites and strengthen electrostatic interactions with the cationic dye. Adsorption was favored under slightly basic conditions (pH 8–9) and increased with temperature, suggesting an endothermic process. Isotherm modeling showed that the Langmuir model best described the experimental data, indicating monolayer adsorption onto homogeneous sites. Kinetic analysis revealed that the pseudo-second-order model provided the best fit, confirming a predominant chemisorption mechanism involving chemical bonding between surface functional groups and dye molecules. Résumé Ce travail porte sur l'étude de l'élimination du violet de cristal (CV), un colorant cationique synthétique largement utilisé dans l'industrie textile et la microbiologie, par adsorption sur des biomatériaux dérivés d'écorces de grenade. Trois adsorbants ont été synthétisés et comparés : le biocharbon brut (BC), le biocharbon modifié par du MnO2 (BC/MnO2), et le biocharbon modifié par du MnO2 et du zinc (BC/MnO2/Zn), ce dernier préparé par une approche inspirée de la chimie verte. L'influence des principaux paramètres opératoires a été étudiée, notamment la masse d'adsorbant, le pH, la concentration initiale en colorant et la température. Les résultats ont montré que la modification de surface améliore considérablement les performances d'adsorption. Le composite BC/MnO2/Zn s'est révélé le plus efficace, atteignant un taux d'élimination supérieur à 90 % dès une dose de 0,05 g, grâce à l'effet synergique du MnO2 et du zinc qui multiplient les sites actifs et renforcent les interactions électrostatiques avec le colorant cationique. L'adsorption est favorisée en milieu légèrement basique (pH 8–9) et augmente avec la température, suggérant un processus endothermique. La modélisation des isothermes a montré que le modèle de Langmuir décrit le mieux les données expérimentales, indiquant une adsorption en monocouche sur des sites homogènes. L'analyse cinétique a révélé que le modèle pseudo-second ordre est le plus adapté, confirmant la prédominance d'un mécanisme de chimisorption impliquant des liaisons chimiques entre les groupements fonctionnels de surface et les molécules de colorant. الملخص وهي صبغة كاتيونية اصطناعية تسُتخدم على نطاق ،)CV( يتمحور هذا العمل حول دراسة إزالة صبغة البنفسجي البلوري واسع في صناعة النسيج والميكروبيولوجيا، باستخدام عملية الامدصاص على مواد حيوية مشتقة من قشور الرمان. تم ،)BC/2MnO( 2 و MnO والفحم الحيوي المعدّل ب ،)BC( تحضير ثلاثة مواد ماصة ومقارنتها: الفحم الحيوي الخام وهذا الأخير تم تحضيره باستخدام مقاربة الكيمياء ،)BC/2MnO/Zn( 2 والزنك MnO والفحم الحيوي المعدّل ب الخضراء. دُرِس تأثير المعاملات التشغيلية الرئيسية كجرعة المادة الماصة ودرجة الحموضة والتركيز الابتدائي للصبغة BC/2MnO/Zn ودرجة الحرارة. أظهرت النتائج أن تعديل السطح يحسّن أداء الامدصاص بشكل كبير، إذ حقق المركّب 2 والزنك. MnO أعلى كفاءة، بلغت نسبة إزالة تتجاوز 90 % بجرعة تصل إلى 0.05 غ فقط، بفضل التأثير التكاملي بين ويزداد مع ارتفاع درجة الحرارة، مما يشير إلى طبيعة ماصة )pH 8– يتحسّن الامدصاص في الوسط القاعدي الخفيف ) 9 للحرارة. بيّن نمذجة الأيزوثرمات أن نموذج لانغموير يصف البيانات بشكل أفضل، مما يدل على امدصاص أحادي الطبقة. وكشف التحليل الحركي أن نموذج الرتبة الثانية الزائفة هو الأنسب، مما يؤكد تغلب آلية الكيميسوربشن التي تتضمّن تكوين روابط كيميائية بين مجموعات سطح المادة الماصة وجزيئات الصبغة.