Utilisation d’un nouveau biosorbant à faible cout, pour l’enlèvement d’un colorant cationique à partir des solutions aqueuses : effet des irradiations ultrasonores de basse fréquence. - Telli Samiya (My University, 2025)
This study focuses on the use of Haloxylonsalicornicum (HS), as an eco-friendly and cost-effective biosorbent for the removal of Cristal Violet (CV), a model basic dye from the triphenylmethane family, from aqueous solutions, both in the absence and presence of low- frequency ultrasonic irradiation. Various characterization techniques were employed to analyze the biomaterial. Infrared spectroscopy (IR) revealed the presence of functional groups such as hydroxyl, carboxyl, carbonyl, and amine, while also determining the point of zero charge (pHPZC) to be 6.2. Scanning electron microscopy (SEM) highlighted a porous structure, and BET analysis indicated a specific surface area of 89.5 m²/g. Additionally, X-ray diffraction (XRD) confirmedanamorphousstructure,andthermogravimetricanalysis(TGA)demonstratedgood thermal stability up to 500 °C. The effects of operational parameters on CV adsorption by HS were investigated. Increasing the initial dye concentration led to higher adsorption capacity; while a higher biosorbent, dosage improved overall removal efficiency, albeit with a decrease in adsorption capacity per unit mass. Furthermore, adsorption was favored at low temperatures and in alkaline conditions, whereas high ionic strength hindered the adsorption process. The adsorption of CV was also studied under ultrasonic irradiation. An optimal combination ofultrasonictreatmentandmechanicalagitationresultedinmaximumdye removalefficiency. Experimental data were fitted using linear and nonlinear forms of pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetic models. The results indicated that the pseudo-second-order model best described the adsorption kinetics. Adsorption equilibrium was analyzed by fitting the data to Langmuir, Freundlich, Temkin, Khan, Toth, Sips, Harkin-Jura isotherms, as well as the SLRMG model based on statistical physics, usingboth linear and nonlinear regressions. The results showed that the experimental data were particularly well fitted by the Freundlich model, the linear form II of the Langmuir model, and the nonlinear SLRMG model. Thermodynamic parameters indicated that the adsorption process was spontaneous and exothermic. Response surface methodology (RSM), coupled with a central composite design (CCD), was employed to optimize experimental conditions while minimizing the number of trials. This approach allowed for the analysis of variable interactions and identification of optimal conditions.Inparallel,artificialneuralnetworks(ANN)wereappliedtomodelandoptimize CV removal by integrating experimental and theoretical data, thereby improving prediction reliability and result accuracy. To further elucidate the adsorption mechanism of CV onto HS, a monolayer model based on SLRMG was applied. Additionally, density functional theory (DFT) calculations, including COSMO-RS,non-covalentinteraction(NCI)analysis,moleculardynamics (MD)simulations, and QTAIM analyses, were conducted to explore the interactions between adsorbed CV and the biosorbent. These methods revealed strong interactions, supported by good agreement between theoretical and experimental results, enhancing the understanding of adsorption mechanisms and reinforcing the robustness of the conclusions.
Ce travail est consacré à l’utilisation de Haloxylonsalicornicum (HS), comme biosorbant écologique et économique pour l’élimination du Cristal Violet (CV), un colorant basiquemodèle appartenant àlafamilledes triphénylméthanes, àpartirde solutions aqueuses, en l’absence et en présence des irradiations ultrasonores à basse fréquence. Différentes techniques de caractérisation ont été employées pour analyser le biomatériau. La spectroscopie infrarouge (IR) a révélé la présence de groupes fonctionnels tels que l’hydroxyle, carboxyle, carbonyle et amine, et a permis de déterminer le point de charge zéro (pHPZC) à 6,2. L'observation au microscope électronique à balayage (MEB) a mis en évidence une structure poreuse, tandis que l’analyse BET a indiqué une surface spécifique de 89,5 m²/g. Par ailleurs, la diffraction des rayons X (DRX) a montré une structure amorphe, et l’analysethermogravimétrique(ATG)aconfirméunebonnestabilitéthermiquejusqu’à 500°C. Les effets des paramètres opératoires sur l’adsorption du CV par le HS ont été étudiés. L’augmentation de la concentration initiale du colorant entraine une augmentation de la quantité adsorbée, tandis que l’acroissement de la dose de biosorbant améliore l’élimination globale, bien que la quantité adsorbée par unité de masse diminue. De plus, l’adsorption est favorisée à basse température et en milieu basique, tandis qu’une force ionique élevée entrave le processus d’adsorption. L’adsorption du CV a également été étudiée en présence des ultrasons. Une combinaison optimale entre les irradiations ultrasonores et l’agitation mécanique a permis d’atteindre une efficacité maximale d’élimination du colorant.Les données expérimentales ont été ajustées en utilisant les modèles cinétiques de pseudo-premier ordreetdepseudo-secondordre,selonleursformeslinéairesetnonlinéaires. Lesrésultatsont montré que la cinétique d’adsorption est mieux décrite par le modèle de pseudo-second ordre. L’analyse des équilibres d’adsorption a été réalisée en ajustant les données aux isothermes de Langmuir, Freundlich, Temkin, Khan, Toth, Sips, Harkin-Jura, ainsi qu’au modèle SLRMG basé sur la physique statistique, en utilisant des régressions linéaires et non linéaires. Les résultats ont montré que les données expérimentales suivent particulièrement bien le modèle de Freundlich, la forme linéaire II du modèle de Langmuir, ainsi que le modèle SLRMG dans sa forme non linéaire. Les paramètres thermodynamiques calculés indiquent que l’adsorption est un processus spontané et exothermique. La méthodologie de surface de réponse (MSR), associée à un plan composite central (CCD), a été utilisée pour optimiser les conditions expérimentales en réduisant le nombre d’essais. Cette approche a permis d’analyser les interactionsentrevariablesetd’identifierlesconditionsoptimales.Enparallèle,desréseaux De neurones artificiels (RNA) ont été appliqués pour modéliser et optimiser l’élimination du CV, en intégrant des données expérimentales et théoriques ce qui a permis d’améliorer la fiabilitédesprédictionsetlajustessedes résultats obtenus.Pourapprofondir lacompréhension du mécanisme d’adsorption du CV sur HS, un modèle monocouche basé sur SLRMG a été appliqué. En complément, des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), incluant COSMO-RS, les interactions non covalentes (NCI), des simulations de dynamique moléculaire (MD), ainsi que des analyses QTAIM, ont été réalisés afin d’explorer les interactions entre le CV adsorbé et le biosorbant. Ces méthodes ont mis en évidence des interactions fortes, confirmées par une bonne concordance entre les résultats théoriques et expérimentaux, renforçant ainsi la compréhension des mécanismes d’adsorption et la robustesse des conclusions.
Keywords: :Biosrption; Kinetics; Isotherms; Modelization; Ultrasound; dye.; الامتزاز الحيوي؛ الحركيات؛ المتساويات؛ النمذجة؛ الموجات فوق الصوتية؛ الصبغة; Biosorption; Cinétique; Isothermes; Modélisation; Ultrasons; Colorant