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Adsorption of bromocresol purple onto combined modified maize husk and maize cob: kinetic and equilibrium studies

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि फॉस्फोरिक एसिड-संशोधित मक्का की भूसी और मक्के के भुट्टे पानी से ब्रोमोक्रिसोल पर्पल को हटाने के लिए एक प्रभावी, किफायती अधिशोषक के रूप में कार्य करते हैं, जिसमें अधिशोषण गतिकी को छद्म-द्वितीय-क्रम मॉडल द्वारा सर्वोत्तम रूप से वर्णित किया गया है और साम्यावस्था डेटा 14.95 मिलीग्राम ग्राम⁻¹ की अधिकतम क्षमता के साथ लैंगमुइर समताप रेखा (लैंगमुइर आइसोथर्म) के अनुरूप है।

मूल लेखक: Monsurudeen Lawal, Samuel Oluwakayode Jayeioba, Christianah Ifeoluwa Akindele, Abass Olarewaju Alade, Abiodun John Adewale, Emmanuel Oluwasanmi Oyeleke, Jeje Ismail Abiodun, Waliu Temidayo Asamu, Oyeh

प्रकाशित 2026-08-05

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Monsurudeen Lawal, Samuel Oluwakayode Jayeioba, Christianah Ifeoluwa Akindele, Abass Olarewaju Alade, Abiodun John Adewale, Emmanuel Oluwasanmi Oyeleke, Jeje Ismail Abiodun, Waliu Temidayo Asamu, Oyehan Ismaila Abolaji, Ejejigbe Eyenbi Silver, Jacob Ademola Sonibare, Daniel Olawale Oke

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

दुनिया के पानी की कल्पना एक विशाल, साफ स्विमिंग पूल के रूप में करें जो लगातार गंदा होता जा रहा है। कारखाने और शहर इसमें रंगीन, जिद्दी रसायन यानी 'डाई' (dyes) डाल रहे हैं, जिससे पानी एक धुंधले सूप में बदल रहा है जो सूरज की रोशनी को रोकता है और मछलियों को नुकसान पहुँचाता है। इसे साफ करना मुश्किल है क्योंकि ये डाई छोटे, अदृश्य चुंबकों की तरह हैं जो हर चीज़ से चिपक जाते हैं और केवल पानी के बहाव से धुलने से इनकार कर देते हैं। वैज्ञानिकों ने इसे ठीक करने के लिए कई तरीके आजमाए हैं, महंगे फिल्टरों से लेकर रासायनिक विस्फोटों तक, लेकिन इनमें से कई तरीके बहुत महंगे हैं या अपनी खुद की गड़बड़ पैदा करते हैं।

यहाँ अधिशोषण (adsorption) की दुनिया में प्रवेश होता है, जो "चिपकने" का वैज्ञानिक शब्द है। इसे एक स्पंज की तरह सोचें जो किसी फैलाव को सोख लेता है, लेकिन पानी के बजाय, यह स्पंज एक ठोस सामग्री है जिसके पास एक सुपरपावर है: यह खराब डाई के अणुओं को पकड़ लेता है और उन्हें मजबूती से थामे रखता है, जिससे पीछे का पानी साफ रह जाता है। शोधकर्ताओं के लिए बड़ा सवाल यह है कि कौन सा स्पंज सबसे अच्छा है? आदर्श रूप से, इसे सस्ता, आसानी से मिलने वाला और बेहद प्रभावी होना चाहिए। यहीं से खेती के कचरे को पानी साफ करने वाले नायक में बदलने की कहानी शुरू होती है।

कचरे से खजाना बनाना: मक्का की जोड़ी

हाल ही में एक अध्ययन में, वैज्ञानिकों की एक टीम ने यह देखने का फैसला किया कि क्या वे खेती के दो सामान्य कचरे—मक्का के छिलके (पत्तेदार आवरण) और मと一緒に मक्के के भुट्टे (कठोर कोर)—को पानी साफ करने वाले एक सुपर-स्पंज में बदल सकते हैं। उन्होंने एक विशिष्ट डाई पर ध्यान केंद्रित किया जिसे ब्रोमोक्रिसोल पर्पल (BCP) कहा जाता है, जो एक बैंगनी रसायन है जिसका उपयोग अक्सर प्रयोगशालाओं में किया जाता है और औद्योगिक अपशिष्ट जल में पाया जाता है।

शोधकर्ताओं ने केवल छिलकों और भुट्टों को पानी में नहीं फेंका; उन्होंने उन्हें एक रासायनिक मेकओवर दिया। उन्होंने सूखे पौधों के हिस्सों को फॉस्फोरिक एसिड (एक सामान्य रसायन जिसका उपयोग उर्वरकों और सोडा में किया जाता है) में भिगोया ताकि उन्हें "सक्रिय" (activate) किया जा सके। कल्पना कीजिए कि यह एक सादे ब्रेड के टुकड़े को एक विशेष मसाला मिश्रण के साथ सीजन करने जैसा है जो इसे डाई अणुओं के लिए अपरिहार्य बना देता है। यह प्रक्रिया, जिसे सक्रियण (activation) कहा जाता है, पौधे के छिद्रों को खोलने और इसकी सतह पर नए "चिपकने वाले स्थानों" को जोड़ने के लिए डिज़ाइन की गई थी।

प्रयोग: डाई और धूल का नृत्य

टीम ने लैब में परीक्षणों की एक श्रृंखला आयोजित की ताकि यह देखा जा सके कि उनका नया "मक्का छिलका-मक्का भुट्टा" (MMH-MMC) स्पंज कितनी अच्छी तरह काम करता है। उन्होंने संशोधित पादप पाउडर को बैंगनी डाई की विभिन्न मात्रा वाले पानी के साथ मिलाया और समय के साथ होने वाली घटनाओं को देखा।

1. समय का कारक:
उन्होंने पाया कि स्पंज अविश्वसनीय रूप से तेजी से काम करता है। मात्र 15 मिनट के भीतर, इसने पहले ही बड़ी मात्रा में डाई को पकड़ लिया था। हालाँकि, यह वहीं नहीं रुका। स्पンジ तब तक काम करता रहा जब तक कि वह एक "पूर्ण" अवस्था, या साम्यावस्था (equilibrium) तक नहीं पहुँच गया, जो लगभग 150 से 165 मिनट के बाद हुआ। उस बिंदु पर, सभी चिपकाने वाले स्थान भर चुके थे, और स्पंज और अधिक डाई नहीं रख सकता था।

2. डाई की मात्रा:
जब उन्होंने पानी में अधिक डाई ( 250 mg/L तक) के साथ शुरुआत की, तो स्पंज ने कुल अधिक डाई को पकड़ा, और 12.5 mg/g (स्पंज के प्रति ग्राम डाई मिलीग्राम) की अधिकतम क्षमता तक पहुँचा। दिलचस्प बात यह है कि जबकि उपलब्ध डाई अधिक होने पर स्पंज ने अधिक डाई पकड़ी, वास्तव में हटाए गए डाई का प्रतिशत कम हो गया। यह एक भीड़भाड़ वाली पार्टी की तरह है: यदि बहुत अधिक मेहमान (डाई अणु) हैं, तो मेजबान (स्पंज) सभी का स्वागत नहीं कर पाता, भले ही वह सामान्य से अधिक लोगों का स्वागत कर रहा हो।

3. स्पंज की मात्रा:
जब उन्होंने पानी में मक्का पाउडर की मात्रा बढ़ाई (डोज को 0.2 g से 1.2 g तक बढ़ाया), तो सफाई की शक्ति आसमान छू गई। हटाने की दक्षता 43.5% से बढ़कर 84.3% हो गई। यह समझ में आता है: अधिक स्पंज का मतलब है डाई के पकड़ने के लिए अधिक चिपकने वाले स्थान।

जासूसी कार्य: यह कैसे चिपका?

वैज्ञानिकों ने केवल डाई को गायब होते हुए नहीं देखा; उन्होंने मक्का की सतह को देखने के लिए FTIR (एक प्रकार का प्रकाश-स्पेक्ट्रोस्कोप) नामक एक विशेष उपकरण का उपयोग किया। उन्होंने देखा कि एसिड उपचार ने पौधे के रसायन विज्ञान को बदल दिया था, जिससे नए "चिपकने वाले हाथ" (हाइड्रॉक्सिल और कार्बोनिल जैसे कार्यात्मक समूह) बन गए जो डाई को पकड़ने के लिए तैयार थे।

यह समझने के लिए कि डाई कैसे चिपकी, उन्होंने तीन अलग-अलग गणितीय मॉडलों का परीक्षण किया:

"धीमा" मॉडल: उन्होंने इस विचार को खारिज कर दिया कि डाई बस धीरे-धीरे सतह की ओर तैरती है (जिसे भौतिक अधिशोषण या भौतिक चिपकाव कहा जाता है)।
"रासायनिक हाथ मिलाने" का मॉडल: डेटा छद्म-द्वितीय-क्रम (Pseudo-Second-Order) नामक एक मॉडल के साथ सबसे अच्छी तरह फिट हुआ। यह सुझाव देता है कि डाई केवल सतह पर नहीं बैठी थी; इसने मक्का के साथ एक मजबूत रासायनिक बंधन बनाया, जैसे कि एक हाथ मिलाने की प्रक्रिया जहाँ इलेक्ट्रॉन साझा किए जाते हैं। अध्ययन ने पुष्टि की कि यह "रासायनिक हाथ मिलाना" (chemisorption) ही मुख्य कारण था कि डाई इतनी अच्छी तरह से चिपकी।

सटीक फिट: लैंगमुइर स्पंज

जब शोधकर्ताओं ने देखा कि डाई स्पंज पर कैसे जमी, तो परिणाम एक प्रसिद्ध सिद्धांत से मेल खाए जिसे लैंगमुइर आइसोथर्म (Langmuir isotherm) कहा जाता है। मक्का स्पंज की सतह को पार्किंग स्थलों वाले एक पार्किंग स्थल के रूप में कल्पना करें। लैंगमुइर मॉडल बताता है कि डाई के अणु एक एकल, व्यवस्थित परत में एक-एक करके कतार में लग जाते हैं, जब तक कि पार्किंग स्थल भर न जाए।

अध्ययन ने गणना की कि इस मक्का स्पंज में डाई की अधिकतम 14.95 mg/g क्षमता हो सकती है। हालांकि यह विज्ञान की पूरी दुनिया में दर्ज की गई उच्चतम संख्या नहीं है, लेकिन कृषि कचरे से बनी सामग्री के लिए यह एक शानदार परिणाम है। वास्तव में, इसने कच्चे मिट्टी (clay) या बिना संशोधित बेंटोनाइट जैसे अन्य कम लागत वाली सामग्रियों की तुलना में बहुत बेहतर प्रदर्शन किया।

निष्कर्ष

शोध पत्र यह निष्कर्ष निकालता है कि फॉस्फोरिक एसिड-उपचारित मक्का के छिलकों और भुट्टों को मिलाने से पानी से बैंगनी डाई साफ करने के लिए एक व्यवहार्य, कम लागत वाला और पर्यावरण के अनुकूल समाधान मिलता है। यह दोनों के लिए फायदेमंद है: किसानों को कचरे से छुटकारा मिलता है, और पर्यावरण का पानी साफ होता है। अध्ययन स्पष्ट रूप से कहता है कि यह विधि केमिसॉर्प्शन (मजबूत रासायनिक बंधन) पर निर्भर करती है और एक मोनोलेयर पैटर्न (एकल-परत कवरेज) का पालन करती है, जो कमजोर भौतिक चिपकाव को मुख्य चालक के रूप में खारिज करती है।

जबकि शोधकर्ता नोट करते हैं कि वास्तविक कारखाने के अपशिष्ट जल पर परीक्षण करने और यह देखने के लिए कि क्या स्पंज का पुन: उपयोग किया जा सकता है, और अधिक काम की आवश्यकता है, उनके निष्कर्षों से पता चलता है कि मक्के के अवशेषों का यह सरल संयोजन पानी के प्रदूषण के खिलाफ लड़ाई में एक शक्तिशाली उपकरण हो सकता है। यह एक याद दिलाता है कि कभी-कभी, सबसे अच्छे समाधान साधारण नज़र आते हैं, बिल्कुल मक्के के खेत के कचरे के डिब्बे में।

तकनीकी सारांश: संयुक्त संशोधित मक्का के छिलके और मक्का के भुट्टे पर ब्रोमोक्रिसोल पर्पल का अधिशोषण

समस्या विवरण
सिंथेटिक रंगों वाले अनुपचारित औद्योगिक अपशिष्ट जल का निर्वहन जलीय पारिस्थितिक तंत्र के लिए एक महत्वपूर्ण खतरा पैदा करता है, जिससे प्रकाश का प्रवेश कम हो जाता है और प्रकाश संश्लेषण बाधित होता है। ब्रोमोक्रिसोल पर्पल (BCP), जो एक पीएच (pH) संकेतक और वस्त्रों में उपयोग किया जाने वाला ट्राइफेनिलमेथेन-आधारित रंग है, अपनी स्थिरता और संभावित पारिस्थितिक विषाक्तता के कारण विशेष रूप से चिंताजनक है। हालांकि विभिन्न उपचार विधियाँ मौजूद हैं (जैसे उन्नत ऑक्सीकरण, झिल्ली पृथक्करण), उनमें से कई उच्च परिचालन लागत, जटिल अभिक्रिया पथों या कीचड़ (sludge) उत्पादन द्वारा सीमित हैं। कम लागत वाले, नवीकरणीय कृषि बायोमास का उपयोग अधिशोषण एक आशाजनक विकल्प है; हालाँकि, संयुक्त रूप से संशोधित किए गए मक्का अवशेषों (छिलका और भुट्टा) के सहक्रियात्मक प्रदर्शन के संबंध में शोध की कमी है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में फॉस्फोरिक एसिड ( $H_3PO_4$ ) का उपयोग करके मक्का के छिलके (MMH) और मक्का के भुट्टे (MMC) को रासायनिक रूप से संशोधित करके एक मिश्रित अधिशोषक विकसित किया गया।

तैयारी: कच्चे मक्का के छिलके और भुट्टे को एकत्र किया गया, सुखाया गया, पीसा गया और 250 µm तक छाना गया। उन्हें 48 घंटों के लिए (दो 24-घंटे के चक्रों में) 1M फॉस्फोरिक एसिड के साथ इमpregnated (संसेचित) किया गया, जिसके बाद 1M NaOH के साथ धोया गया और सुखाया गया।
विशेषण (Characterization): एसिड सक्रियण द्वारा प्रेरित परिवर्तनों की पहचान करने के लिए सतह के कार्यात्मक समूहों का विश्लेषण फूरियर-ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड (FTIR) स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके किया गया।
बैच अधिशोषण प्रयोग: प्रयोग एक बायो-शेकर में 180 rpm और 25°C (298 K) पर, 5.5 के निश्चित pH पर किए गए। मुख्य चरों की जांच की गई:
- प्रारंभिक डाई सांद्रता (50–250 mg/L)।
- संपर्क समय (0–180 मिनट)।
- अधिशोषक खुराक (0.2–1.2 g, MMH और MMC का 1:1 अनुपात का उपयोग करते हुए)।
मॉडलिंग: प्रयोगात्मक डेटा को गतिज मॉडलों (Pseudo-first-order, Pseudo-second-order, और Elovich) और साम्यावस्था आइसोथर्म मॉडलों (Langmuir, Freundlich, और Temkin) में फिट किया गया ताकि अधिशोषण तंत्र और क्षमता निर्धारित की जा सके।

प्रमुख परिणाम

सतह रसायन: FTIR विश्लेषण ने पुष्टि की कि फॉस्फोरिक एसिड सक्रियण ने दोनों अग्रदूतों (precursors) की सतह रसायन को सफलतापूर्वक बदल दिया। O–H, C–O, और C=O स्ट्रेचिंग वाइब्रेशन में उल्लेखनीय बदलाव नए कार्यात्मक समूहों के निर्माण और संवर्धित हाइड्रोजन बॉन्डिंग को दर्शाते हैं, जो अधिशोषण के लिए महत्वपूर्ण हैं।
गतिकी (Kinetics): अधिशोषण प्रक्रिया शुरू में तीव्र थी, जो सांद्रता के आधार पर 150 और 165 मिनट के बीच साम्यावस्था तक पहुँच गई। स्यूडो-सेकंड-ऑर्डर (PSO) गतिज मॉडल सबसे अच्छा फिट ( $R^2 > 0.95$ ) प्रदान करता था, जिसमें गणना की गई साम्यावस्था क्षमताएं ( $q_e$ ) प्रयोगात्मक मूल्यों के करीब थीं। यह सुझाव देता है कि केमिसॉर्प्शन (रसायन अधिशोषण), जिसमें संयोजकता बल और इलेक्ट्रॉन विनिमय शामिल है, दर-नियंत्रक चरण है।
साम्यावस्था आइसोथर्म: लैंगमुइर (Langmuir) आइसोथर्म मॉडल ने साम्यावस्था डेटा का सबसे अच्छा वर्णन किया ( $R^2 = 0.978$ ), जो एक सजातीय सतह पर मोनोलेयर अधिशोषण का संकेत देता है। अधिकतम अधिशोषण क्षमता ( $q_{max}$ ) 14.95 mg/g निर्धारित की गई। आयामहीन पृथक्करण कारक ( $R_L$ ) के मान (0.088–0.327) ने पुष्टि की कि अधिशोषण प्रक्रिया अनुकूल थी।
परिचालन पैरामीटर:
- सांद्रता: प्रारंभिक BCP सांद्रता के साथ अधिशोषण क्षमता में वृद्धि हुई (सांद्रता 50 से 250 mg/L बढ़ने पर 4.3 से 12.5 mg/g तक), जो उच्च द्रव्यमान स्थानांतरण प्रवणता (mass transfer gradient) द्वारा संचालित है। इसके विपरीत, उच्च सांद्रता पर साइट संतृप्ति के कारण निष्कासन दक्षता कम हो गई।
- खुराक: अधिशोषक की खुराक को 0.2 g से 1.2 g तक बढ़ाने से सक्रिय सतह स्थलों की उपलब्धता बढ़ने के कारण निष्कासन दक्षता 43.5% से बढ़कर 84.3% हो गई।

महत्व और दावे
लेखकों का दावा है कि संयुक्त MMH–MMC अधिशोषक अपशिष्ट जल से ब्रोमोक्रिसोल पर्पल को हटाने के लिए एक व्यवहार्य, किफायती और पर्यावरणीय रूप से टिकाऊ समाधान का प्रतिनिधित्व करता है।

सहक्रिया (Synergy): अध्ययन दो अलग-अलग मक्का अवशेषों (छिलका और भुट्टा) को एक एकल मिश्रित मैट्रिक्स में संयोजित करने की नवीनता को उजागर करता है, जो उनके पूरक लिग्नोसेल्युलोसिक गुणों का लाभ उठाता है।
दक्षता बनाम लागत: हालांकि अधिकतम क्षमता (14.95 mg/g) कुछ अत्यधिक इंजीनियर किए गए अधिशोषकों (जैसे क्लिनोप्टिलोलाइट कंपोजिट) की तुलना में मध्यम है, लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि MMH–MMC सामग्री प्रचुर मात्रा में उपलब्ध कृषि अपशिष्ट से प्राप्त की गई है और इसके लिए केवल सरल, कम लागत वाली फॉस्फोरिक एसिड सक्रियण की आवश्यकता है।
तुलना: संशोधित अधिशोषक ने BCP निष्कासन के लिए कच्चे अटपगुलाइट (attapulgite) और तापीय रूप से सक्रिय बेंटोनाइट को पछाड़ दिया। इसने मेथिलीन ब्लू निष्कासन के लिए कच्चे मक्का के छिलके के मुकाबले भी प्रतिस्पर्धी प्रदर्शन दिखाया, जबकि BCP एक बड़ा और अधिक जटिल अणु है।
निष्कर्ष: शोध इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि फॉस्फोरिक एसिड सक्रियण मक्का अवशेषों की सतह की कार्यक्षमता को प्रभावी ढंग से बढ़ाता है, जिससे एक प्रभावी बायोसोर्बेंट बनता है जो ऊर्जा-गहन सक्रियण प्रक्रियाओं की आवश्यकता के बिना कृषि-औद्योगिक उप-उत्पादों का उपयोग करता है। लेखकों द्वारा सुझाया गया भविष्य का कार्य ऊष्मागतिकीय अध्ययन (thermodynamic studies) और वास्तविक औद्योगिक अपवाहों में परीक्षण करना है।

कचरे से खजाना बनाना: मक्का की जोड़ी

प्रयोग: डाई और धूल का नृत्य

जासूसी कार्य: यह कैसे चिपका?

सटीक फिट: लैंगमुइर स्पंज

निष्कर्ष

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