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Modification of H3PO4-activated Pomelo Peel Biochar with Cetyltrimethylammonium Bromide for Methyl Orange Removal: Adsorption Performance and Mechanism

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि 2 wt% सेटाइलट्राइमिथाइलअमोनियम ब्रोमाइड (CTAB) के साथ H3PO4-सक्रियित पोमेलों छिलके के बायोचार को संशोधित करने से इसका विशिष्ट सतह क्षेत्र महत्वपूर्ण रूप से बढ़ जाता है और एक धनावेशित सतह निर्मित होती है, जिसके परिणामस्वरूप एक अत्यधिक प्रभावी अधिशोषक (CTAB2@A-PBC) प्राप्त होता है जो इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण, पोर-फिलिंग, π-π इंटरैक्शन और हाइड्रोजन बॉन्डिंग सहित तंत्रों के माध्यम से 534.23 mg/g की अधिकतम क्षमता के साथ मिथाइल ऑरेंज को हटाने में सक्षम है।

मूल लेखक: Mai Lien Tran

प्रकाशित 2026-07-08

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Mai Lien Tran

मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आपके पास एक बहुत ही गंदा स्विमिंग पूल है जो चमकीले नारंगी रंग (dye) से भरा हुआ है। आप इसे साफ करना चाहते हैं, लेकिन वह रंग बहुत जिद्दी है और केवल धोने से नहीं जा रहा है। यह शोध पत्र एक अत्यंत कुशल "स्पंज" बनाने के बारे में है जो उस नारंगी रंग को पानी से सोख लेगा, और वह भी ऐसी चीज़ का उपयोग करके जिसे आप आमतौर पर फेंक देते: चकोतरा (pomelo) फल का छिलका।

यहाँ शोधकर्ताओं द्वारा चकोते के छिलकों को एक हाई-टेक सफाई उपकरण में बदलने की कहानी सरल शब्दों में दी गई है:

1. कच्चा माल: चकोते का छिलका (Pomelo Peel)

शोधकर्ताओं ने चकोते के छिलकों (एक बड़े खट्टे फल की मोटी त्वचा) से शुरुआत की। आमतौर पर, यह केवल कचरा होता है। उन्होंने इसे बायोचार (biochar) में बदल दिया, जो मूल रूप से एक हल्का, काला, कोयले जैसा पाउडर है जिसे छिलके को एक विशेष तरीके से जलाकर बनाया जाता है। इसे एक फल के छिलके को एक खुरबे, छिद्रपूर्ण (porous) स्पंज में बदलने के रूप में समझें।

2. समस्या: स्पंज बहुत ज्यादा 'नखरेबाज' था

एक पिछले अध्ययन में, लेखकों ने पाया कि यह सादा चकोता-कोयला सकारात्मक (positive) चीजों को पकड़ने में बहुत अच्छा था (जैसे चुंबक लोहे के कणों को उठाता है)। हालांकि, जिस नारंगी रंग को वे हटाना चाहते थे (मिथाइल ऑरेंज), उस पर ऋणात्मक (negative) चार्ज था।

उपमा: कल्पना कीजिए कि एक ऋणात्मक चुंबक को दूसरे ऋणात्मक चुंबक से चिपकाने की कोशिश करना। वे एक-दूसरे को दूर धकेलते हैं। सादा कोयला उस नारंगी रंग को दूर धकेल रहा था, इसलिए वह पानी को अच्छी तरह से साफ नहीं कर सका।

3. समाधान: "वेलक्रो" कोटिंग

इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने कोयले को CTAB नामक रसायन के घोल में डुबोया।

उपमा: CTAB को एक विशेष "वेलक्रो" कोटिंग के रूप में समझें। शोधकर्ताओं ने कोयले पर इस रसायन की परत चढ़ाई, जो धनात्मक (positive) चुंबकों की एक परत के रूप में कार्य करता है।
परिणाम: अब, नारंगी रंग को दूर धकेलने के बजाय, कोटिंग किया गया कोयला उसे पकड़ने के लिए "प्यासा" है। ऋणात्मक रंग, धनात्मक कोटिंग से मजबूती से चिपक जाता है।

4. स्पंज को बड़ा और बेहतर बनाना

शोधकर्ताओं ने केवल कोयले पर कोटिंग ही नहीं की; उन्होंने कोटिंग की एक "गोल्डिलॉक्स" (सही मात्रा) भी ढूँढ ली।

उन्होंने CTAT की विभिन्न मात्राओं का परीक्षण किया।
जादुई संख्या: जब उन्होंने एक विशिष्ट मात्रा (वजन का 2%) का उपयोग किया, तो कोयला बदल गया।
परिवर्तन: कोयले का सतह क्षेत्र (surface area) अचानक बढ़ गया। यह लगभग 1,200 वर्ग मीटर प्रति ग्राम से बढ़कर 2,150 वर्ग मीटर प्रति ग्राम से अधिक हो गया।
उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक मानक ईंट को जादुई रूप से तब तक फैला रहे हैं जब तक कि वह एक फुटबॉल के मैदान जितनी बड़ी न हो जाए, लेकिन उसका वजन उतना ही रहे। इसने नारंगी रंग के अणुओं के लिए लाखों छोटे-छोटे कोने और दरारें बना दीं।

5. यह कितना प्रभावी रहा?

उन्होंने इस नए "सुपर-स्पंज" का लैब में परीक्षण किया।

गति: इसने रंग को बहुत तेज़ी से पकड़ा।
क्षमता: यह भारी मात्रा में रंग को रोक सकता था। इस कोयले के प्रत्येक ग्राम के लिए, यह 534 मिलीग्राम नारंगी रंग को फँसा सकता है।
तुलना: जब उन्होंने अपने स्पंज की तुलना अन्य वैज्ञानिकों द्वारा बनाए गए स्पंजों (जैसे बांस, लकड़ी या चुंबकीय सामग्री का उपयोग करके) से की, तो उनका चकोता-छिलका वाला स्पंज रंग को थामे रखने में सबसे बेहतरीन में से एक था।

6. यह वास्तव में रंग को कैसे पकड़ता है?

शोधकर्ताओं ने सूक्ष्म स्तर (microscopic level) पर देखा कि रंग कैसे चिपका। यह केवल एक चीज़ नहीं थी; यह चार अलग-अलग "पकड़" विधियों का एक टीम वर्क था:

स्थिर विद्युत (Static Electricity): कोयले की धनात्मक कोटिंग ने ऋणात्मक रंग को पकड़ा (जैसे गुब्बारा बालों से चिपक जाता है)।
छिद्र भरना (Pore Filling): रंग के अणु इतने छोटे थे कि वे कोयले के सूक्ष्म छेदों के अंदर रेंग सके और वहीं फंस गए।
आणविक हाथ मिलाना (Molecular Handshakes): कोयले और रंग की रासायनिक संरचना पहेली के टुकड़ों (जिसे $\pi$ - $\pi$ इंटरेक्शन कहा जाता है) की तरह आपस में मेल खाती है।
हाइड्रोजन बॉन्डिंग: कोयले और रंग के बीच सूक्ष्म रासायनिक "गोंद" के बिंदु बने।

7. निष्कर्ष

शोध पत्र यह निष्कर्ष निकालता है कि फल के कचरे (चकोते के छिलके) का उपयोग करके, उसे एसिड से उपचारित करके, और फिर एक विशिष्ट रसायन (CTAB) के साथ कोटिंग करके, उन्होंने पानी से नारंगी रंग को साफ करने के लिए एक अत्यधिक प्रभावी उपकरण बनाया।

इसने क्या किया: इसने एक ऋणात्मक सतह को धनात्मक सतह में बदल दिया ताकि रंग को आकर्षित किया जा सके।
इसने क्या हासिल किया: इसने एक ऐसा स्पंज बनाया जिसका सतह क्षेत्र बहुत विशाल है जो बहुत कुशलता से रंग को रोक सकता है।
इसने क्या दावा नहीं किया: यह पत्र पूरी तरह से इस सामग्री के लैब निर्माण और परीक्षण पर केंद्रित है। यह दावा नहीं करता है कि इसने अभी तक किसी वास्तविक नदी को साफ किया है, न ही यह लैब में किए गए परीक्षणों से परे इसके चिकित्सा उपयोग या अन्य भविष्य के अनुप्रयोगों पर चर्चा करता है।

संक्षेप में: उन्होंने कचरे (चकोते के छिलके) को एक खजाने (एक सुपर-स्पंज) में बदल दिया जो नारंगी रंग को "खाने" के लिए तैयार है।

तकनीकी सारांश: मिथाइल ऑरेंज हटाने के लिए CTAB के साथ H3PO4-सक्रियित पोंमेलों छिलके के बायोचार का संशोधन

समस्या विवरण
कार्बनिक रंग (organic dyes), विशेष रूप से एज़ो डाई (azo dyes) जैसे कि मिथाइल ऑरेंज (MO), महत्वपूर्ण वर्ग के जल प्रदूषकों का प्रतिनिधित्व करते हैं क्योंकि वे स्थिरता, जैव-अपघटन के प्रति प्रतिरोध और संभावित कार्सिनोजेनेसिटी (कैंसर पैदा करने की क्षमता) रखते हैं। हालांकि विभिन्न उपचार विधियाँ मौजूद हैं, लेकिन अधिशोषण (adsorption) अपनी लागत-प्रभावशीलता और सरलता के कारण एक पसंदीदा तकनीक बनी हुई है। हालाँकि, पारंपरिक बायोचार अक्सर कम विशिष्ट सतह क्षेत्र और सीमित सक्रिय स्थलों से ग्रस्त होते हैं, जिससे उनकी दक्षता कम हो जाती है। इसके अलावा, कृषि अपशिष्ट से प्राप्त मूल (pristine) बायोचार में अक्सर ऋणात्मक रूप से आवेशित सतहें होती हैं, जो मिथाइल ऑरेंज जैसे ऋणायनिक (anionic) रंगों के विरुद्ध इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण (electrostatic repulsion) पैदा करती हैं, जिससे अधिशोषण क्षमता सीमित हो जाती है। यह अध्ययन ऋणायनिक रंगों को हटाने में पोंमेलों छिलके के बायोचार की प्रभावकारिता में सुधार करने के लिए इसके भौतिक-रासायनिक गुणों को बढ़ाने की आवश्यकता को संबोधित करता है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में फॉस्फोरिक एसिड (H3PO4) द्वारा पहले से सक्रियित पोंमेलों छिलके के बायोचार (A-PBC) को आधार सामग्री के रूप में उपयोग किया गया। इस बायोचार को विभिन्न द्रव्यमान अनुपातों (0.05, 0.1, और 0.25 g/L) पर धनायनिक सर्फेक्टेंट सीटाइलट्राइमिथाइलअमोनियम ब्रोमाइड (CTAB) का उपयोग करके संशोधित किया गया, जिसके परिणामस्वरूप CTAB1@A-PBC, CTAB2@A-PBC, और CTAB5@A-PBC नामक अधिशोषक प्राप्त हुए।

शोध में एक व्यापक लक्षण वर्णन (characterization) प्रक्रिया का उपयोग किया गया:

संरचनात्मक और रूपात्मक विश्लेषण: क्रिस्टलीयता, कार्यात्मक समूहों और सतह की आकृति विज्ञान का आकलन करने के लिए एक्स-रे विवर्तन (XRD), फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (FTIR), और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) का उपयोग किया गया।
बनावट के गुण (Textural Properties): ब्रुनावर-एमेट-टेलर (BET) विश्लेषण का उपयोग विशिष्ट सतह क्षेत्र, छिद्र आयतन (pore volume) और छिद्र आकार वितरण को निर्धारित करने के लिए किया गया।
सतह का आवेश: नमक जोड़ने की विधि (salt addition method) के माध्यम से शून्य आवेश बिंदु ( $pH_{pzc}$ ) निर्धारित किया गया।

MO हटाने की दक्षता का मूल्यांकन करने के लिए बैच मोड में अधिशोषण प्रयोग किए गए। प्रमुख चरों में शामिल थे: बायोचार का प्रकार, विलयन का pH, और संपर्क समय। संतुलन डेटा का वर्णन करने के लिए लैंगमुइर (Langmuir), फ्रुंडलिच (Freundlich), टेमकिन (Temkin), डबिनिन-रादुशकेविच (DR), और सिप्स (Sips) आइसोथर्म मॉडल का उपयोग किया गया। गतिज व्यवहार (kinetic behavior) का विश्लेषण छद्म-प्रथम-क्रम (PFO), छद्म-द्वितीय-क्रम (PSO), इलोविच (Elovich), और इंट्रापार्टिकल डिफ्यूजन (intraparticle diffusion) मॉडल के माध्यम से किया गया।

प्रमुख परिणाम

भौतिक-रासायनिक संशोधन: CTAB के साथ संशोधन ने बायोचार के गुणों को महत्वपूर्ण रूप से बदल दिया। विशिष्ट सतह क्षेत्र A-PBC के 1192.18 m²/g से बढ़कर अधिकतम 2150.61 m²/g हो गया (2 wt% CTAB के साथ संशोधित नमूने CTAB2@A-PBC के लिए)। छिद्र आयतन भी 1.998 cm³/g से बढ़कर 3.303 cm³/g हो गया। XRD विश्लेषण ने क्रिस्टलीयता में कमी का संकेत दिया, जिससे पता चलता है कि CTAB ने बायोचार संरचना के एकत्रीकरण (aggregation) को कम किया। FTIR ने नए C-N बॉन्ड कंपन और कार्बोक्सिल समूहों के संशोधन के माध्यम से CTAB की उपस्थिति की पुष्टि की।
सतह आवेश का उलटाव (Surface Charge Reversal): संशोधित बायोचार (CTAB2@A-PBC) का $pH_{pzc}$ 6.49 निर्धारित किया गया। यह बदलाव महत्वपूर्ण है क्योंकि यह pH मान 6.49 से नीचे सतह को धनात्मक आवेश धारण करने की अनुमति देता है, जिससे मिथाइल ऑरेंज के ऋणात्मक सल्फोनिक समूहों के साथ इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण सुगम होता है।
अधिशोषण प्रदर्शन: CTAB2@A-PBC अधिशोषक ने अन्य CTAB सांद्रता और अनमॉडिफाइड A-PBC (55.26%) की तुलना में उच्चतम निष्कासन दक्षता (70.38%) प्रदर्शित की। निष्कासन दक्षता pH पर अत्यधिक निर्भर थी, जिसमें इष्टतम प्रदर्शन pH 4.01–6.14 पर देखा गया, जहाँ अधिशोषक की सतह धनात्मक रूप से आवेशित होती है।
आइसोथर्म और काइनेटिक मॉडलिंग:
- आइसोथर्म: लैंगमुइर मॉडल सबसे अच्छा फिट ( $R^2 > 0.99$ ) प्रदान करता है, जो एक सजातीय सतह पर मोनोलेयर अधिशोषण को दर्शाता है। गणना की गई अधिकतम अधिशोषण क्षमता ( $q_{max}$ ) 30°C पर 534.23 mg/g थी। टेमकिन मॉडल ने भी एक मजबूत फिट दिखाया, जिससे पता चलता है कि इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन महत्वपूर्ण हैं।
- काइनेटिक्स: इलोविच काइनेटिक मॉडल ( $R^2 = 0.9982$ ) PFO या PSO मॉडल की तुलना में अधिशोषण प्रक्रिया का बेहतर वर्णन करता है, जो सुझाव देता है कि ऊर्जावान विषमता (energetic heterogeneity) से जुड़ी केमिसॉर्प्शन (chemisorption) प्रक्रिया हावी है। इंट्रापार्टिकल डिफ्यूजन मॉडलिंग ने संकेत दिया कि जबकि छिद्र प्रसार (pore diffusion) होता है, यह प्रक्रिया केवल इससे नियंत्रित नहीं है; गैर-शून्य इंटरसेप्ट (non-zero intercept) यह सुझाव देता है कि बाहरी प्रसार (external diffusion) भी अधिशोषण दर को सीमित करता है।
तंत्र (Mechanism): अध्ययन एक बहु-तंत्र अधिशोषण प्रक्रिया का प्रस्ताव करता जिसमें शामिल हैं:
1. इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण: धनात्मक रूप से आवेशित बायोचार सतह (pH < 6.49 पर) और ऋणायनिक MO के बीच।
2. $\pi$ - $\pi$ इंटरैक्शन: बायोचार की ग्राफीन जैसी संरचनाओं और MO के एरोमैटिक रिंग्स के बीच।
3. पोर फिलिंग (Pore Filling): बढ़े हुए छिद्र आयतन और उपयुक्त छिद्र आकार वितरण द्वारा सक्षम।
4. हाइड्रोजन बॉन्डिंग: सतह के हाइड्रॉक्सिल समूहों और MO अणु के नाइट्रोजन/ऑक्सीजन परमाणुओं के बीच।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि H3PO4-सक्रियित पोंमेलों छिलके के बायोचार का CTAB के साथ संशोधन, एक कम लागत वाले कृषि अपशिष्ट व्युत्पन्न को उच्च-प्रदर्शन वाले अधिशोषक में बदलने की एक प्रभावी रणनीति है। अध्ययन इस बात पर जोर देता है कि CTAB संशोधन न केवल सतह के आवेश को उलट देता है ताकि ऋणायनिक प्रदूषकों को आकर्षित किया जा सके, बल्कि विशिष्ट सतह क्षेत्र को लगभग दोगुना कर देता है और छिद्र आयतन को काफी बढ़ा देता है।

534.23 mg/g की अधिशोषण क्षमता के साथ, CTAB2@A-PBC अधिशोषक हाल के साहित्य में रिपोर्ट किए गए अन्य संशोधित बायोchars (जैसे, चुंबकीय चिटोसैन-फंक्शनलाइज्ड बायोचार 644.0 mg/g पर, N-डोपड बायोचार 449 mg/g पर) के मुकाबले प्रतिस्पर्धी प्रदर्शन करता है। लेखक तर्क देते हैं कि तैयारी की विधि की सरलता, उच्च दक्षता और सतह क्षेत्र एवं सतह आवेश के दोहरे संवर्धन के साथ मिलकर, यह संशोधित बायोचार ऋणायनिक डाई प्रदूषकों के व्यावहारिक उपचार के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाता है। शोध निष्कर्ष निकालता है कि इस तरह के संशोधन बायोचार की प्रयोज्यता को धनायनिक प्रदूषकों से आगे बढ़ाकर प्रभावी रूप से ऋणात्मक रूप से आवेशित कार्बनिक प्रदूषकों को लक्षित करने तक विस्तृत कर सकते हैं।