4 - Máquina de recubrimiento Inc.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 7831 (2023) Citar este artículo

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La contaminación por 4-clorofenol es una preocupación ambiental importante. En este estudio, se sintetiza carbón activado en polvo modificado con grupos amina y se investiga su eficacia para eliminar 4-clorofenoles de ambientes acuosos. Se utilizó la metodología de superficie de respuesta (RSM) y el diseño compuesto central (CCD) para investigar el efecto de diferentes parámetros, incluido el pH, el tiempo de contacto, la dosis de adsorbente y la concentración inicial de 4-clorofenol, sobre la eficiencia de eliminación de 4-clorofenol. El enfoque RSM-CCD se implementó en el software R para diseñar y analizar los experimentos. Se utilizó el análisis estadístico de varianza (ANOVA) para describir el papel de los parámetros que afectan la respuesta. Se realizaron estudios isotérmicos y cinéticos con tres modelos isotérmicos de Langmuir, Freundlich y Temkin y cuatro modelos cinéticos de pseudoprimer orden, pseudosegundo orden, Elovich e intrapartículas, tanto en forma lineal como no lineal. El adsorbente sintetizado se caracterizó mediante análisis de difracción de rayos X (XRD), espectroscopia infrarroja por transformadas de Fourier (FTIR) y microscopía electrónica de barrido (SEM). Los resultados mostraron que el carbón activado modificado sintetizado tenía una capacidad máxima de adsorción de 316,1 mg/g y exhibía una alta eficiencia en la eliminación de 4-clorofenoles. Las condiciones óptimas para la mayor eficiencia de remoción fueron una dosis de adsorbente de 0.55 g/L, tiempo de contacto de 35 min, concentración inicial de 4-clorofenol de 110 mg/L y pH de 3. El estudio termodinámico indicó que el proceso de adsorción fue exotérmica y espontánea. El adsorbente sintetizado también mostró una excelente reutilización incluso después de cinco ciclos sucesivos. Estos hallazgos demuestran el potencial del carbón activado modificado como método eficaz para eliminar los 4-clorofenoles de ambientes acuosos y contribuir al desarrollo de tecnologías de tratamiento de agua sostenibles y eficientes.

El fenol y sus derivados, incluidos los clorofenoles que contienen compuestos orgánicos sintéticos, se encuentran ubicuamente en los efluentes de industrias como la petroquímica, la producción de carbón, el caucho, el plástico, el acero y el aluminio. Estos compuestos son importantes en términos de efectos ambientales y de salud debido a su relativa estabilidad en el medio ambiente, resistencia a la descomposición biológica, capacidad de disolverse en agua y su naturaleza cancerígena1. Los compuestos de clorofenol pueden acumularse en los sedimentos y en la cadena alimentaria. Estos compuestos ingresan a los recursos hídricos y permanecen en el medio ambiente por mucho tiempo. El 4-clorofenol (C6H5ClO) es un tipo de clorofenol ampliamente utilizado en las industrias petroquímica, de insecticidas, herbicidas, colorantes industriales y farmacéutica2.

El 4-clorofenol provoca irritación de la piel y los ojos mediante el contacto con la piel y la inhalación a corto plazo; La exposición prolongada al 4-clorofenol impone daños graves al hígado, los riñones y el sistema nervioso central3. La Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (ICRA) clasificó los clorofenoles en el grupo B24, y la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. ha establecido un umbral de fenol de menos de 1 parte por mil millones (ppb) en aguas superficiales como nivel de tratamiento5. El 4-clorofenol, debido a su estabilidad frente a la mineralización, es difícil de tratar en comparación con otros clorofenoles6.

En los últimos años, se han utilizado diversas tecnologías para eliminar los 4-clorofenoles del agua potable y de las aguas residuales, incluida la oxidación química7, la purificación biológica5 y la oxidación húmeda8. Los métodos de oxidación suelen producir productos secundarios peligrosos y cantidades importantes de residuos sólidos; necesitan altos costos de eliminación y regeneración9. La eficiencia de los procesos de tratamiento biológico de aguas residuales fenólicas suele ser insatisfactoria debido a los efectos tóxicos de los clorofenoles sobre los microorganismos, la incapacidad de los sistemas biológicos para soportar cargas de choque y los largos tiempos de retención9. Los métodos químicos también requieren una gran inversión y aumentan la carga de productos químicos solubles en las aguas residuales10,11. Los métodos térmicos liberan al aire productos secundarios nocivos de la combustión incompleta, como dioxinas y humos12. Uno de los métodos más comunes desarrollados recientemente para eliminar estos compuestos es el carbón activado, que es eficiente en el método de adsorción superficial de contaminantes13.

La adsorción superficial con carbón activado, debido a su simplicidad y facilidad de operación14, su bajo costo, la falta de producción de lodos9 y la capacidad de reciclar materiales adsorbidos15, se considera un método aceptable en el tratamiento de agua y aguas residuales. Sin embargo, aún es necesario realizar más estudios para mejorar la eficiencia de este tipo de absorbentes mediante diversos métodos de modificación16. El uso de grupos funcionales ha sido ampliamente considerado debido a su bajo costo, simplicidad, adecuada velocidad de separación y alta eficiencia17. En este sentido, Mahaniyya et al.18 emplearon carbón activado modificado con grupos amina para adsorber cobre de soluciones acuosas. Los autores informaron que la presencia de grupos amina aumenta la eficiencia de la adsorción de cobre en carbón activado modificado (eficiencia de eliminación). Además, según la literatura, la modificación del carbón activado con grupos amina para adsorber 4,2 diclorofenol19 y el uso de biosorbentes aminados para eliminar el pentaclorofenol20 confirman la eficacia de los métodos de modificación para aumentar la eficiencia de eliminación de los contaminantes.

Por lo tanto, como la funcionalización de la superficie de la nanopartícula se usa ampliamente en aplicaciones catalíticas, este tipo de adsorbente es bienvenido para eliminar muchos compuestos orgánicos. La síntesis de estos adsorbentes puede ser beneficiosa debido a algunas ventajas como el aumento del área específica y, en consecuencia, el aumento de la capacidad de absorción del adsorbente, acortando el tiempo de reacción y aumentando la eficiencia y estabilidad21.

De acuerdo con la investigación limitada sobre el uso de carbones activados modificados para eliminar 4-clorofenoles, el presente estudio se desarrolló para sintetizar adsorbentes de carbón activado en polvo funcionalizados con grupos amina e investigar su eficiencia en la eliminación de 4-clorofenoles de ambientes acuosos. El objetivo adicional del presente estudio fue investigar el papel de los parámetros que influyen (pH, dosis de adsorbente, tiempo de contacto y concentración inicial de 4-clorofenoles) en la eficiencia de eliminación de 4-clorofenoles. El paquete RSM y el enfoque de Diseño Compuesto Central (CCD) determinaron la condición óptima. El modelado y la condición óptima del proceso se realizaron utilizando el método de superficie de respuesta en el software R y redes neuronales artificiales. La combinación de RSM y ANN puede proporcionar una herramienta poderosa para optimizar las condiciones de adsorción y predecir el rendimiento de adsorción del carbón activado modificado. Este enfoque puede conducir a una eliminación más eficiente y rentable del 4-clorofenol de los ambientes acuáticos, contribuyendo significativamente al tratamiento del agua y la remediación ambiental. Luego, los modelos resultantes se aplicaron para optimizar la adsorción de 4-clorofenoles, con diferentes parámetros que condujeron a la maximización de la eficiencia.

Todos los productos químicos utilizados en este estudio fueron de tipo analítico. Los productos químicos utilizados en este estudio, incluidos 4-clorofenoles, carbón activado en polvo, sosa cáustica, dimetilformamida y ácido clorhídrico, se obtuvieron de Merck (Alemania). Se usaron HCl (1 N) y NaOH (0,1 N) para ajustar el pH, y se usó agua desionizada (Milli Q Millipore 18,2 MΩ cm-1 de conductividad) para la preparación de todas las soluciones.

La solución madre se preparó disolviendo 1000 mg de polvo sólido de 4-clorofenol en 1 litro de agua destilada. La concentración de 4-clorofenol se midió mediante un espectrofotómetro UV visible, modelo DR 5000 ((Hatch-Lange, Inglaterra), a una longitud de onda de 280 nm20. El 4-clorofenol es un compuesto aromático clorado con fórmula química C6H5ClO. Es un Sólido cristalino de incoloro a blanco soluble en agua y solventes orgánicos. El 4-clorofenol es un contaminante ambiental tóxico y persistente que se encuentra comúnmente en aguas residuales industriales y escorrentías agrícolas. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) lo clasifica como un contaminante prioritario debido a su potencial. efectos sobre la salud y el medio ambiente22.

El carbón activado es una forma de carbón altamente porosa con una gran superficie y alta microporosidad, lo que lo convierte en un adsorbente eficaz para una amplia gama de compuestos orgánicos e inorgánicos. Se puede funcionalizar con grupos amina tratándolo con aminas que reaccionan con los grupos funcionales de la superficie del carbón activado para formar carbón funcionalizado con amina. Los grupos amina en la superficie del carbón activado pueden interactuar con las moléculas de 4-clorofenol a través de enlaces de hidrógeno e interacciones electrostáticas, lo que lleva a la adsorción de 4-clorofenol de ambientes acuosos. Se ha demostrado que el carbón activado funcionalizado con amina tiene mayor capacidad de adsorción y selectividad por 4-clorofenol que el carbón activado no funcionalizado. Se utilizó el procedimiento de unir grupos amino modificados para convertir el PAC en un intercambiador de iones. Los pasos de síntesis del intercambiador de iones se llevaron a cabo en dos partes separadas de la siguiente manera.

Para preparar la solución de amina intermedia, se agregaron 39 ml de epiclorhidrina y 76 ml de trimetilamina a 75 ml de dimetilformamida (DMF) (como disolvente) a 80 °C durante 120 minutos en un evaporador23.

Para sintetizar MAC, se colocaron en el evaporador 10 g de PAC y 30 ml de solución de amina intermedia preparada en el paso anterior y 10 ml de piridina (como catalizador del proceso) durante 2 h a 60 °C. Después de la filtración, el producto resultante se lavó con 500 ml de solución de HCl 0,1 M. Se usó una solución de NaOH 0,1 M para eliminar los productos químicos restantes. Al final del MAC, se lavó una cantidad suficiente con agua bidestilada hasta que el efluente resultante alcanzó un pH neutro y el producto final se secó a 50 °C durante 24 h. La muestra obtenida fue carbón activado modificado (MAC) y se utilizó como adsorbente23,24.

Las propiedades MAC modificadas se caracterizaron mediante análisis XRD (difractómetro de rayos X modelo PW1800, Países Bajos) a una longitud de onda de 1,541 angstroms (0,1541 nm) en el rango de radiación de Cu, voltaje de 40 kV y corriente de 30 mA, y rango de escaneo ( 2Ɵ) de 10 a 80 grados. La estructura de la superficie y la morfología de los adsorbentes naturales y modificados se examinaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) utilizando un microscopio Philips XL30 con un voltaje de aceleración de 15 kV (Philips XL30, Philips Países Bajos). Fourier identificó los grupos funcionales de superficie PAC y MAC que transforman la espectroscopía infrarroja (FTIR, espectro 3, PerkinElmer, América) en el rango de 400 a 4000 cm-1.

Se determinó el efecto de las variables influyentes pH, tiempo de retención (min), dosis de adsorbente (g/L) y concentración inicial (mg/L) como variables de entrada sobre la eficiencia del carbón activado en polvo funcionalizado con grupos amina en la eliminación de 4-clorofenol. investigada como variable de respuesta. El paquete RSM y el método de aproximación CCD determinaron la condición óptima utilizando el software R versión 3.3.2.0 (2016-10-31)25. Se estandarizaron las variables predictivas y luego se ajustó el modelo RSM jerárquico con todos los términos de primer orden, todos los términos cuadráticos puros y todas las interacciones bidireccionales. Los niveles de los parámetros que influyeron fueron los siguientes: concentración inicial de 4-clorofenol (20 a 200 mg/l), tiempo de contacto (10 a 60 min), pH (3 a 11) y dosis de adsorbente (0,1 a 1 g/l). . Las variables utilizadas en el presente estudio y sus niveles se dan en la Tabla 1.

RSM incluye un conjunto de técnicas experimentales utilizadas para investigar la relación entre factores experimentales y respuestas medidas, y las respuestas determinadas corresponden a uno o más ítems seleccionados. Esta técnica primero predice la relación entre las variables dependientes (respuesta) y las variables independientes. En el siguiente paso, el comportamiento de las variables y la respuesta se especifican mediante la ecuación. (1)26:

donde k es el número de variables de entrada, β0 es el término constante, βi los coeficientes de las variables lineales, xi son las variables de entrada, βii los coeficientes del parámetro cuadrático, βij los coeficientes de interacción entre variables de entrada y \(\upvarepsilon \) el error asociado con los experimentos. El diseño experimental se realizó mediante el software R utilizando el método CCD, el cual incluyó 44 experimentos (Tabla 2).

El método ANN fue el otro enfoque utilizado para modelar y predecir el 4-clorofenol según el conjunto de datos presentado en la Tabla 2. El método ANN se inspira en funciones importantes del sistema nervioso humano para aproximarse a comportamientos complejos del sistema. Además, tiene una notable capacidad en clasificación, entrenamiento y validación de datos. En el estudio actual, se estableció la estructura matemática flexible del método del perceptrón multicapa con un algoritmo de entrenamiento de retropropagación de Levenberg-Marquardt (Fig. 4) para que el modelo ANN revele relaciones no lineales complicadas.

Como se ve en la Fig. 4, la arquitectura de ANN estaba formada por tres capas: una capa de entrada con cinco neuronas, una capa oculta y una capa de salida con una neurona. El número de neuronas en la capa oculta se optimizó según los resultados de MSE más bajo y R2 más grande del ajuste entre el conjunto de datos experimental y de predicción. Estas medidas estadísticas se exploraron para probar y probar errores en diferentes números de 1 a 20 neuronas. Las funciones de transferencia en capas ocultas y de salida se seleccionaron como funciones sigmoideas y de línea recta. El conjunto de datos tabulado en la Tabla 2 se agrupa aleatoriamente en tres conjuntos, incluidos datos de capacitación (70%), validación (15%) y prueba (15%). Además, todos los datos se normalizaron, entre 0,1 y 0,9, para mejorar la calidad de los datos de entrenamiento y minimizar los problemas computacionales. La ecuación (2) se utiliza para la normalización.

donde yi es el valor de salida normalizado, y xmax y xmin, denotan los valores máximo y mínimo de las variables de entrada, respectivamente. El modelo ANN se preparó utilizando Neural Network Toolbox (MATLAB, 2013).

Además del enfoque CCD-RSM, las variables independientes se optimizaron utilizando la técnica ANN-GA. El enfoque de optimización GA se realizó en la caja de herramientas MATLAB GA. Para ello se escribe en un archivo script la ecuación establecida a partir del modelo ANN. En la caja de herramientas MATLAB GA, los niveles alto y bajo de los parámetros del proceso, como se observa en la Tabla 2, se agregaron al límite inferior y superior, y la configuración predeterminada se mantuvo sin cambios a menos que se especificara. Finalmente, los resultados de optimización obtenidos de ambos enfoques (CCD-RSM y ANN-GA) se compararon con los experimentos de control para encontrar el mejor enfoque.

La calibración del espectrofotómetro fue un paso crucial para medir con precisión la concentración de 4-clorofenol en el estudio. El uso de una solución madre con un rango de concentración de 20 a 200 mg/L y la repetición de todas las concentraciones tres veces aseguró la precisión de la calibración. La curva estándar resultante tuvo un alto coeficiente de determinación (R2 = 0,999), lo que indica una fuerte correlación entre la adsorción y la concentración de 4-clorofenol. La medición precisa de la concentración de 4-clorofenol fue esencial para determinar la eficiencia del carbón activado modificado para eliminar el 4-clorofenol de ambientes acuosos22.

Para comprobar la isoterma de adsorción se añadieron 0,77 g del MAC a diferentes concentraciones (mg/L) de 4-clorofenol (20, 10, 110, 75, 144, 200, 220) al pH óptimo y durante 43 min en un agitador a 150 rpm. Finalmente, se midió la concentración final del contaminante mediante un espectrofotómetro. Se utilizó la ecuación (3)24,27 para determinar la capacidad de adsorción en equilibrio (qe) de 4-clorofenol MAC, expresada en términos de mg (4-CP)/g MAC.

donde qe es la cantidad de 4-clorofenol adsorbido (mg/g), C0 es la concentración inicial de 4-clorofenol (mg/L), Ce es la concentración final de 4-clorofenol en el tiempo t, V es el volumen del solución (L), y xads es una masa de adsorbente (g). La Tabla 3 muestra las relaciones de isotermas utilizadas en el estudio. Esta sección utilizó relaciones lineales para ajustar modelos isotérmicos a hallazgos experimentales28.

La tendencia de adsorción del contaminante al adsorbente se puede evaluar utilizando un parámetro adimensional (RL) llamado factor de equilibrio, derivado de la ecuación de Langmuir (Ec. 4)21:

Ci es la concentración inicial del contaminante (mg/L) y KL es la constante de Langmuir (L/mg). Los valores de RL se pueden interpretar basándose en los datos de la Tabla 418.

Se utilizaron cuatro modelos cinéticos de pseudoprimer orden, pseudosegundo orden y pseudosegundo orden para determinar los coeficientes cinéticos de eliminación de 4-clorofenol de MAC (Tabla 5)26,29.

La energía libre de Gibbs (∆G0), las variaciones de entalpía (∆H0) y la entropía (∆S0) resultantes de la adsorción se calcularon mediante estudio termodinámico. Estos parámetros proporcionan información importante sobre los cambios energéticos inherentes, la naturaleza y la espontaneidad de la reacción de adsorción11,30. El coeficiente de distribución termodinámica (Kd) se requiere para determinar los parámetros termodinámicos obtenidos de la siguiente manera31:

Aquí Qmax (mg/g) yb (mg/L) representan la capacidad de adsorción de MAC y la concentración de 4-clorofenol en el equilibrio, respectivamente. Y n asigna a una constante. Las ecuaciones (6) y (7) proporcionan los parámetros ∆G°, ∆H° y ∆S°32.

donde R está dedicada a la constante de los gases (8,314 J mol-1 K-1), y T denota la temperatura de la solución de reacción (°K), que difería en el rango de 288-328 °K.

Este estudio utilizó el software R, versión 3.3.2.0 (31-10-2016), para determinar el número de pruebas experimentales, método RSM, modelado y optimización20.

Se utilizó el análisis de difracción de rayos X (XRD) para investigar los compuestos químicos tanto en el carbón activado en polvo (PAC) como en el carbón activado modificado con grupos amina (MAC). El análisis XRD se realizó a Ɵ = 10–109° a 25 °C con radiación de Cu, un voltaje de 40 kW y una corriente de 30 mA, con un rango de escaneo de 5 a 65°. La Figura 1 muestra el patrón XRD del polvo PAC y MAC.

Análisis XRD para PAC (rojo) y MAC (azul).

Según la Fig. 1, los picos en 2Ɵ iguales a 24,59 y 43,64 indicaron ligeros cambios en los picos y el ancho de banda de la estructura cristalina de MAC en comparación con el adsorbente antes de la modificación. Muestra que la superficie del adsorbente ha sido modificada y las nanopartículas de carbono activas tienen una estructura pura y cristalina.

Como puede verse, la superficie MAC (Fig. 2b) es más suave y aterciopelada que la PAC (2a), lo que indica el efecto notable y significativo de la modificación de la superficie con grupos amina. El adsorbente natural (Fig. 2a) tiene superficies uniformes y es mucho más fuerte que el absorbente modificado, liso y sin corrosión. Mientras que en el caso del MAC modificado con grupos amina, la superficie es más blanda y presenta fragmentos y porosidad. Se observa que es causado por el efecto de los grupos amina sobre la estructura absorbente33,34. La modificación de la superficie con grupos amina en la superficie MAC condujo a una mayor eficiencia de eliminación que la PAC. Esto podría deberse a que los grupos amina en la superficie MAC proporcionaron sitios de adsorción activos adicionales o mejoraron las interacciones químicas entre el adsorbente y el adsorbato. Entonces, si bien la superficie de MAC Surface puede haber sido más suave, la presencia de grupos amina la convirtió en un adsorbente más eficaz en general26,35.

SEM (a) Carbón activado en bruto. (b) carbón activado modificado (MAC).

La espectroscopia infrarroja se realiza basándose en la adsorción de radiación y la investigación de las transiciones vibratorias de moléculas e iones poliatómicos. La Figura 3 muestra el espectro FTIR de polvo PAC y MAC.

Análisis FTIR para PAC (azul) y MAC) naranja.

La técnica FTIR se utiliza comúnmente como un método potente y desarrollado para determinar la estructura y medición de especies químicas. Además, este método se utiliza principalmente para identificar compuestos orgánicos porque los espectros de estos compuestos suelen ser complejos y tienen una gran cantidad de picos máximos y mínimos, que pueden usarse con fines comparativos36. Cuando los grupos amina se introducen en la superficie del carbón activado, creando el MAC, se deben esperar nuevos picos en los espectros FTIR. Estos picos corresponden a los grupos funcionales amina (NH2) injertados en la superficie del carbono. Es posible que vea picos de alrededor de 3300 a 3500 cm-1 (vibraciones de estiramiento N-H) y de 1300 a 1600 cm-1 (vibraciones de flexión C-N). Como se ve en la Fig. 3, el pico creado alrededor de la banda de 1364 cm-1 está relacionado con la presencia de grupos amina (vibraciones de estiramiento C – N) recubiertos sobre el carbón activo. Por tanto, se puede decir que los grupos amina están bien cubiertos en el carbón activado33,34.

Se realizó el enfoque RSM y CCD para encontrar los puntos óptimos26. Este estudio utilizó el enfoque RSM-CCD y la prueba ANOVA para validar el modelo. La Tabla 6 resume los resultados obtenidos del análisis estadístico de parámetros operativos. Los valores previstos obtenidos del modelo también se dan en esta tabla. Los resultados del modelo mostraron que el modelo presentado no es muy diferente de los resultados reales obtenidos; los valores de R2 obtenidos de la correlación entre los resultados obtenidos y los valores previstos para la adsorción de 4-CP fueron 0,9738. Además, se utilizó una prueba ANOVA para evaluar los efectos de interacción y regresión del modelo para eliminar el 4-clorofenol de ambientes acuáticos. Los coeficientes de las variables codificadas indicaron que excepto los parámetros ((concentración de adsorbente-tiempo), (concentración de adsorbente -pH), (tiempo-pH)), todos los componentes del modelo tienen un Valor P menor a 0.05, lo que significa que la mayoría de los componentes del modelo son estadísticamente significativos37.

La Tabla 7 muestra el análisis de varianza (ANOVA) del modelo de primer y segundo orden y los efectos de interacción de la eliminación de 4-clorofenol del ambiente acuático.

Se encontró que el valor R2 del modelo predicho era 0,9738. Este valor muestra que el modelo predicho es significativo y puede usarse para mostrar la relación entre las variables independientes y la respuesta24. Además, el valor R2 ajustado para este modelo fue 0,9611. En otras palabras, el 0,9611% de los cambios variables de la eliminación de 4-clorofenol pueden justificarse utilizando este modelo.

El análisis ANOVA indicó que los valores de P relacionados con los términos de primer orden (FO), los términos cuadráticos puros (PQ) y las interacciones bidireccionales (TWI) son todos <0,05. Además, el valor P de la prueba de falta de ajuste es 0,3409875 y es > 0,05, lo que significa que el modelo con todos los términos de primer orden, todos los términos cuadráticos puros y todas las interacciones bidireccionales se ajusta bien a los datos en general. . Además, el valor de R2 ajustado para este modelo fue igual al 96,11 % (Tabla 7), lo que indica que el 96,11 % de los cambios variables de la eliminación de 4-clorofenol se pueden justificar mediante el uso de este modelo. La diferencia entre R2 y R2 ajustado fue de 0,1, lo que indica una buena calidad del modelo19. La ecuación cuadrática relacionada con el modelo CCD para la absorción de 4-clorofenol en MAC se puede definir como Ec. (8):

El modelo ANN se utilizó para predecir la eficiencia de eliminación de acuerdo con los datos de la Tabla 4. Las variables operativas y la eficiencia de adsorción se utilizaron como entradas y salidas del modelo ANN. Las métricas estadísticas de MSE y R2 varían según los cambios en la cantidad de neuronas en la capa oculta. Los parámetros MSE y R2 mostraron los valores más bajos y más grandes, respectivamente, cuando el número de neuronas en la capa oculta se estableció en 10. La topología y el rendimiento del modelo ANN para entrenamiento, validación, pruebas y todos los datos se presentan en la Fig. 4.

Topología y rendimiento del modelo ANN para entrenamiento, validación, pruebas y todos los datos.

El modelo ANN para predecir la respuesta establece la ecuación matemática expresada de la siguiente manera:

El modelo ANN se evalúa inicialmente probando datos. La subtrama relacionada con los datos de prueba confirma una buena adecuación entre las predicciones y los datos experimentales con un R2 igual a 0,9925. La eficiencia del modelo se evaluó en mayor profundidad validando y probando datos, y los resultados ilustran que las predicciones del modelo están razonablemente cerca de los datos experimentales con R2 de 0,9904 y 0,9851, respectivamente. Estos resultados generalmente revelaron que el enfoque ANN muestra una mayor compatibilidad para modelar el proceso de adsorción que el método RSM-CCD.

Según la idoneidad del modelo RSM, los puntos que optimizan la tasa de eliminación de 4-clorofenol son iguales a pH de 3, Tiempo de 35 min, Concentración de 4 cp de 110 mg/L, Dosis de adsorbente de 0,55 g/L y la eficiencia máxima de eliminación fue del 95,352% (Tabla 2). El enfoque ANN-GA (Fig. 5) encontró casi los mismos resultados, donde se obtuvo la máxima eficiencia de eliminación del 95,64 % a un pH de 3, un tiempo de 35,5 min, una concentración de 4 cp de 110 mg/L y una dosis de adsorbente de 0,56. g/l.

Resultados de optimización de los parámetros del proceso basados en el enfoque ANN-GA.

La Figura 6a muestra el efecto de interacción del tiempo de contacto y la concentración de 4-clorofenol sobre la eficiencia de eliminación de adsorbato. Esta contracurva muestra los efectos de interacción de las variables de tiempo de contacto y concentración de 4-clorofenol a un pH de 7 y una cantidad de adsorbente de 0,55 g/L. Como se puede observar, al aumentar el tiempo de contacto (hasta aproximadamente 40 min) y cuando la concentración de 4-clorofenol aumenta a 100, aumenta la eficiencia de eliminación; en 45 minutos y la concentración de 4-clorofenol igual a 110 mg/L, la eficiencia de eliminación del 4-clorofenol alcanzó más del 90%, lo que puede deberse a la alta dependencia de la absorción. El 4-clorofenol es principalmente grupos amina en la MAC. superficie23.

Gráficos de contorno y efecto principal de las variables estudiadas (a) Tiempo de contacto y concentración de 4-clorofenol. (b) pH y dosis de adsorbente. (c) Dosis de adsorbente y concentración de 4-clorofenol. (d) Tiempo de contacto y dosis de adsorbente.

La Figura 6b muestra la curva de contorno de la eliminación de 4-clorofenol con cambios en el pH y la dosis de adsorbente. Esta curva muestra los efectos de las variables de pH y la dosis de adsorbente en un tiempo constante de 35 min, y la concentración inicial de 4-clorofenol fue de 110 mg/L. En general, el pH tiene un papel influyente en la eliminación del 4-clorofenol en el proceso de adsorción debido a su efecto sobre los grupos funcionales de la superficie del adsorbente. La mayor eficacia de eliminación del 4-clorofenol se produce a un pH de aproximadamente 3; a un pH superior a 8, la eficiencia de eliminación disminuye. El aumento de 4-clorofenol puede deberse a la competencia entre los iones hidróxido y el 4-clorofenol en el intercambio y separación, que están relacionados con grupos funcionales en la superficie absorbente38. Por otro lado, con el aumento de la cantidad de adsorbente, la eficiencia de eliminación aumenta debido al aumento del área específica del adsorbente y de los sitios de adsorción libres disponibles39,40.

La Figura 6c muestra la curva de contorno de la dosis de adsorbente y el efecto de interacción de la concentración de 4-clorofenol. Esta curva muestra los efectos de las variables de dosificación del adsorbente y la concentración de 4-clorofenol en un tiempo fijo de 35 min y pH igual a 7. Como se puede observar, cuando la concentración inicial de 4-clorofenol aumenta con una cantidad creciente de adsorbente, la mayor se puede obtener eficiencia de absorción; a la concentración inicial de 50 mg/L, la eficiencia de eliminación aumenta con el aumento de la dosis de adsorbente. Según la curva de contorno y el coeficiente negativo del 4-clorofenol, la concentración tiene un efecto inverso sobre la eficacia de eliminación. La reducción en la eficiencia de eliminación a altas concentraciones de 4-clorofenoles puede deberse a disminuciones en la superficie disponible del adsorbente al número de moles del contaminante. Por lo tanto, la mayor eliminación de 4-clorofenol a concentraciones más bajas de 4-clorofenol se debe a que hay suficientes sitios de adsorción libres a bajas concentraciones del adsorbente41,42.

La Figura 6d muestra la curva de contorno de los efectos de interacción del tiempo de contacto y las variables de dosis de adsorbente sobre la eficiencia de eliminación del 4-clorofenol. Esta curva muestra los efectos de interacción del tiempo de contacto y las variables de dosis del adsorbente a un pH igual a 7 y una concentración inicial de 4-clorofenol de 110 mg/L. El aumento del tiempo de contacto del contaminante con el adsorbente mediante el aumento de la cantidad de adsorbente condujo a una mayor eficiencia de eliminación del 4-clorofenol. En el tiempo de contacto de menos de 45 min, se observó que más del 90% de eliminación de 4-clorofenol; En más de 45 minutos, la tasa de eliminación de contaminantes es casi constante.

Las isotermas de adsorción se utilizan comúnmente para describir cómo reacciona el adsorbente con el adsorbato y desempeñan un papel esencial en la optimización del consumo de adsorbente16,43. Se han investigado las isotermas de adsorción para obtener la capacidad de adsorción e investigar el comportamiento de adsorción del 4-clorofenol utilizando carbón activado en polvo modificado con grupos amina (MAC). En este estudio se han empleado los modelos de isotermas de Langmuir, Freundlich y Temkin. Los parámetros ajustados obtenidos a partir de las formas lineales y no lineales de los modelos isotérmicos se enumeran en la Tabla 8.

Según la Tabla 8, los datos ajustados con modelos isotérmicos fueron los siguientes: Langmuir < Freundlich < Temkin. R2 como métrica estadística también verifica que los datos experimentales se ajustaron mejor a modelos isotérmicos de forma no lineal que a modelos lineales. El modelo de adsorción de Langmuir se utiliza con el supuesto de adsorción de una sola capa en la superficie de material absorbente con sitios de adsorción limitados e idénticos44. Los resultados mostraron que la absorción de 4-clorofenoles cumple bien con las isotermas de Langmuir (R2 > 0,95). Las Figuras 7 y 8 muestran el modelo de isoterma de adsorción de Langmuir para eliminar 4-clorofenoles utilizando carbón activado en polvo modificado con grupos amina (MAC).

Modelo de isoterma de Langmuir en eliminación de 4-clorofenol con MAC.

Modelos de isotermas no lineales de Langmuir, Freundlich y Temkin en la eliminación de 4-clorofenol con MAC.

Uno de los parámetros esenciales en la ecuación de Langmuir es el coeficiente de separación (RL), que indica la tendencia del adsorbente a separar y eliminar el adsorbato. Los datos obtenidos de la isoterma de Langmuir mostraron que el RL para el adsorbente está en el rango óptimo (0–1) (Tabla 4). Los autores informaron que la capacidad máxima de absorción del carbón activado para los 4-clorofenoles era de 186,68 mg/g. La capacidad máxima de adsorción del MAC sintetizado fue de 316,1 mg/g, lo que indica un aumento significativo de la capacidad de adsorción debido a la modificación de la superficie con el grupo amina45. Los autores16 estudiaron la eliminación del compuesto fenólico 4,2 diclorofenol mediante carbón activado y carbón activado modificado con grupos amina. Los autores informaron que la capacidad máxima de absorción fue de 285,71 mg/g, lo que se acerca casi a los resultados del presente estudio. Además, demostró que la capacidad máxima de adsorción del carbón activado modificado con grupos amina fue de 198,66 mg/g, inferior a la del presente estudio37.

El modelo de Freundlich es una ecuación empírica basada en la distribución de solutos entre las fases sólida y acuosa en equilibrio. Esta ecuación experimental describe el proceso de adsorción basándose en el supuesto de que el adsorbente tiene una superficie heterogénea con diferentes clases de sitios de adsorción. Según la Tabla 8, la capacidad de adsorción (Kf) para el carbón activado modificado fue de 76,29 y 80,19 mg/g para la forma de isoterma de Freundlich lineal y no lineal, lo que indica un sitio más reactivo en MAC debido a la modificación con grupos amina. Los grupos amina provocan cambios tales como un aumento significativo del área superficial, un aumento del diámetro de los poros y un cambio en la forma tridimensional de la estructura adsorbente. Por tanto, este cambio estructural también provoca un aumento de los sitios de absorción y en consecuencia aumenta la absorción de 4-clorofenol32. La Figura 9 muestra el modelo de isoterma de adsorción de Freundlich para eliminar 4-clorofenoles utilizando carbón activado en polvo modificado con grupos amina (MAC).

Modelo de isoterma de Freundlich en eliminación de 4-clorofenol con MAC.

Uno de los parámetros de la isoterma de Freundlich es 1/n, que muestra la intensidad de adsorción. Dado que la intensidad de absorción calculada está en el rango deseado (0-1), se puede concluir que la modificación del carbón activado por grupos amino con más sitios activos condujo a una mayor capacidad de adsorción. Como el valor de 1/n tiende a cero, esta interacción es más potente y fuerte46. En el estudio sobre piedra pómez modificada con tensioactivo catiónico para la eliminación de 4-clorofenol, los autores informaron que la isoterma de Freundlich estaba bien adaptada para describir las relaciones de equilibrio47.

El análisis de los datos de las isotermas es importante para desarrollar una ecuación que represente correctamente los resultados y pueda usarse con fines de diseño. La Figura 10 muestra el modelo isotérmico de adsorción de Temkin en la eliminación de 4-clorofenoles utilizando carbón activado en polvo modificado con grupos amina (MAC).

Modelo de isoterma de Temkin en eliminación de 4-clorofenol con MAC.

La isoterma de Temkin expresa el efecto indirecto de la interacción entre adsorbente/adsorbato en el proceso de adsorción48. En esta isoterma, se supone que la temperatura de adsorción de todas las moléculas disminuye linealmente con el aumento de la superficie cubierta; el proceso de absorción está determinado por la distribución uniforme de las energías de enlace en la superficie absorbente49.

La cinética de adsorción se utiliza para investigar el mecanismo de absorción. Los datos de este estudio se ajustaron con cinética de difusión de partículas, Elovich y pseudoprimer orden, pseudosegundo orden (Tabla 9).

Como se puede ver en la Tabla 9, el coeficiente de regresión en el modelo cinético de pseudosegundo orden, tanto en la forma lineal como en la no lineal, es mayor en comparación con los modelos de pseudoprimer orden, Elovich e intrapartículas. El proceso de adsorción sigue el modelo pseudocuadrático (R2 = 0,996 (forma lineal y R2 = 0,998)). La curva del modelo cinético pseudo cuadrático se puede ver en las Figs. 11 y 12. El valor Qe de 163,397 mg/g informado en la Tabla 9 representa la capacidad de adsorción en equilibrio obtenida del modelo cinético de pseudo segundo orden. En comparación, el valor de Qm de 316,1 mg/g informado en la Tabla 8 representa la capacidad de adsorción máxima obtenida del modelo de isoterma de Langmuir. El modelo cinético de pseudosegundo orden y el modelo de isoterma de Langmuir describen diferentes aspectos del mecanismo de adsorción y la capacidad de adsorción del adsorbente. El modelo cinético de pseudosegundo orden supone que el paso limitante de la velocidad es la quimisorción, mientras que el modelo de isoterma de Langmuir supone que la adsorción ocurre en una superficie homogénea con un número finito de sitios idénticos. La capacidad máxima de adsorción obtenida del modelo de isoterma de Langmuir representa la cantidad máxima teórica de contaminante que puede ser adsorbido en el adsorbente en saturación, y es función de la afinidad entre el adsorbente y el adsorbato50. Ambos modelos pueden obtener información importante sobre el mecanismo de adsorción y la capacidad de adsorción del adsorbente. Deben interpretarse en el contexto de las condiciones experimentales específicas y las propiedades del adsorbente y del adsorbato51.

La curva del modelo cinético pseudo cuadrático en la eliminación de 4-clorofenol con MAC.

Curva del modelo cinético de difusión intrapartículas de pseudoprimer orden, pseudosegundo orden y cinética de Elovich en la eliminación de 4-clorofenol con MAC.

El coeficiente de correlación del modelo de pseudosegundo orden (R2) indicó que el modelo de pseudosegundo orden se ajustaba mejor que los otros modelos a la adsorción de la eliminación de 4-clorofenol con MAC. La cinética pseudocuadrática muestra que la concentración del adsorbente y la capacidad de adsorción afectan significativamente la cinética de la reacción. Yang et al. informaron que los estudios cinéticos de carbón activado modificado con grupos aminados mostraron que el proceso de adsorción sigue un modelo pseudocuadrático, consistente con nuestro estudio de carbón activado modificado con grupos amina24.

Al ajustar los datos, se lograron parámetros termodinámicos y constantes para la adsorción de 4-clorofenol en MAC y se resumieron en la Tabla 10. El valor negativo del parámetro ∆H0 indica la naturaleza exotérmica de la adsorción de 4-clorofenol en MAC. El valor negativo de ∆G0 exhibe la viabilidad del proceso de adsorción y su naturaleza espontánea52. Por último, el valor negativo de ∆S0 describe una disminución de la aleatoriedad durante la adsorción53.

La presencia de iones que interfieren en las matrices de agua es inevitable y estos iones probablemente afectarán el proceso de adsorción. Por lo tanto, se agregaron individualmente algunos aniones comunes, incluidos cloruro, carbonato, sulfato, nitrato y fosfato, a la solución de reacción para preparar concentraciones de 50 mmol/L. La Figura 13 aclara el efecto de estos aniones sobre el rendimiento de la adsorción. Se observa que el efecto de inhibición aumenta en el orden cloruro < nitrato < carbonato < sulfato < fosfato. Sin embargo, la disminución de la eficiencia no es intensa y demuestra que el adsorbente mantiene su capacidad de adsorción en presencia de iones que interfieren. Además, los hallazgos revelan que los aniones con mayor densidad de carga negativa, como el sulfato y el fosfato, son más eficaces para reducir la eficiencia de eliminación.

Efecto de los aniones coexistentes sobre el rendimiento de la adsorción.

La reutilización del adsorbente es bastante importante desde el punto de vista económico. Para ello, se examinó la eficiencia de adsorción durante cinco ciclos sucesivos, y después de cada ciclo, el adsorbente se aisló y se lavó varias veces con NaOH y agua desionizada. Como se muestra en la Fig. 14, los resultados indicaron que la tasa de absorción cayó sólo alrededor del 6% después de cinco ciclos. Esta caída no es notable y, de manera interesante, resalta el potencial de reutilización deseable de MAC.

Examen de reciclabilidad de MAC durante cinco ciclos consecutivos.

Para justificar su viabilidad como adsorbente eficaz para la eliminación de 4-CP, es necesario comparar la capacidad de adsorción de MAC en 4-CP con la de otros adsorbentes. La capacidad de adsorción de 4-clorofenol de este estudio se comparó con otros adsorbentes informados por otros investigadores. Varios estudios han investigado la eliminación de compuestos fenólicos del agua mediante varios tipos de carbones activados modificados con diferentes agentes químicos, y sus capacidades máximas de adsorción (Qmax) se enumeran en la Tabla 11.

Se realizan comparaciones con respecto a la capacidad de adsorción (mg/g), pH óptimo, concentración inicial (mg/L), porcentaje de eliminación, isotermas y cinética. La tabla muestra que materiales como el carbón activado modificado con amoníaco EFB y el carbón activado modificado con ácido fosfórico EFB muestran mayores capacidades de adsorción que otros adsorbentes como el CSBAC tratado con NaOH, el croton caudatus y el carbón activado con barro rojo. También se observa que el carbón activado modificado con grupos amina utilizado en este estudio (3136,1 mg/g) ha demostrado una mejor capacidad de adsorción que materiales similares.

Este estudio investigó el proceso de absorción de 4-clorofenoles por carbón activado modificado con grupos amino. El diseño del experimento CCD mostró los efectos de interacción entre los parámetros de pH, la dosis de adsorbente, el tiempo de contacto y la concentración inicial de contaminante. Los análisis XRD, FTIR y SEM mostraron que la modificación de la superficie del carbón activado en polvo estaba bien realizada. Los resultados del modelo mostraron que la concentración inicial de 4-clorofenol tiene efectos opuestos en su eliminación, y el efecto de las variables de tiempo de contacto y dosis de adsorbente tienen una relación directa con la cantidad de eliminación de 4-clorofenol. Además, a un pH inferior a 8, la eficiencia de eliminación del 4-clorofenol con carbón activado modificado con grupos amina fue alta. El adsorbente modificado puede eliminar contaminantes en un amplio rango de pH. La eliminación de 4-clorofenoles utilizando carbón activado modificado con grupos amina sigue el modelo de isoterma de Langmuir y una cinética de pseudo segundo orden. La capacidad máxima de adsorción para eliminar 4-clorofenoles mediante carbón activado modificado con grupos amina fue de 316,1 mg/g. El estudio termodinámico indicó que el proceso de adsorción es exotérmico y espontáneo. Los aniones que interfieren no mostraron ningún efecto negativo drástico en la eficiencia de eliminación y la prueba de reutilización mostró una excelente eficiencia de adsorción de MAC incluso después de cinco ciclos sucesivos. Este estudio demostró que los grupos amina aumentan la eficiencia de eliminación al aumentar el área de superficie del adsorbente y los sitios de adsorción activos. La modificación de la superficie del adsorbente aumenta la capacidad máxima del adsorbente.

Cabe señalar que es necesario realizar más investigaciones para validar los hallazgos del estudio utilizando muestras reales y optimizar el proceso de adsorción para diferentes tipos de contaminantes orgánicos. Esto proporcionaría una comprensión más completa de las posibles aplicaciones del carbón activado funcionalizado con amina para eliminar el 4-clorofenol de ambientes acuosos. Además, la velocidad de agitación es una variable importante que puede afectar significativamente la adsorción. Los estudios futuros deberían considerar cuidadosamente el efecto de la velocidad de agitación en el proceso de adsorción y optimizar esta variable para maximizar la capacidad de adsorción.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Esta investigación ha sido apoyada por la Universidad de Ciencias Médicas de Teherán, Teherán, Irán.

Departamento de Ingeniería de Salud Ambiental, Escuela de Salud Pública, Universidad de Ciencias Médicas de Teherán, Teherán, Irán

Moslem Tazik, Mohammad Hadi Dehghani, Kamyar Yaghmaeian, Shahrokh Nazmara, Amir Hossein Mahvi, Simin Nasseri y Hamed Soleimani

Instituto de Investigación Ambiental, Centro de Investigación de Residuos Sólidos, Universidad de Ciencias Médicas de Teherán, Teherán, Irán

Mohammad Hadi Dehghani, Kamyar Yaghmaeian y Amir Hossein Mahvi

Departamento de Ingeniería de Salud Ambiental, Escuela de Salud Pública, Universidad de Ciencias Médicas de Sabzevar, Sabzevar, Irán

Mehdi Salari

Centro de Investigación Científica para Estudiantes, Universidad de Ciencias Médicas de Teherán, Teherán, Irán

Hamed Soleimani

Ingeniería Química y del Petróleo, Facultad de Ingeniería, Universiti Teknologi Brunei, Bandar Seri Begawan, BE1410, Brunei Darussalam

Rama Rao Karri

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Supervisión, conceptualización, metodología: MHD, MT, KY Software, visualización, investigación: SN, MS, AHM, HS Escritura: revisión y edición: MHD, RRK

Correspondencia a Mohammad Hadi Dehghani.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Tazik, M., Dehghani, MH, Yaghmaeian, K. et al. Adsorción de 4-clorofenol a partir de soluciones acuosas mediante carbón activado funcionalizado con grupos amina: método de superficie de respuesta y redes neuronales artificiales. Representante científico 13, 7831 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35117-4

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Recibido: 08 de marzo de 2023

Aceptado: 12 de mayo de 2023

Publicado: 15 de mayo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35117-4

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