จลนศาสตร์และไอโซเทอร์มการดูดซับอะทราซีนโดยไบโอชาร์ไม้ไผ่
Kinetic and Isotherm Adsorption of Atrazine by Bamboo Biochar
Abstract
งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อประเมินประสิทธิภาพการดูดซับอะทราซีนด้วยไบโอชาร์ที่สังเคราะห์จากไม้ไผ่ โดยศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของไบโอชาร์ไม้ไผ่ และศึกษาระยะเวลาสมดุล ประสิทธิภาพการดูดซับ ไอโซเทอม รวมทั้งแบบจำลองจลนศาสตร์การดูดซับอะทราซีนของไบโอชาร์ไม้ไผ่ ด้วยการทดลองแบบกะ จากคุณสมบัติทางกายภาพและเคมี พบว่า ไบโอชาร์ไม้ไผ่มีค่า D50 เท่ากับ 200 ไมโครเมตร พื้นที่ผิวเท่ากับ 756.43 ตารางเมตรต่อกรัม และมีปริมาตรรูพรุนเท่ากับ 0.32 ลูกบาศก์เซนติเมตรต่อกรัม แสดงให้เห็นว่าเป็นวัสดุดูดซับแบบ Micropore เนื่องจากมีขนาดรูพรุนภายในเฉลี่ยเท่ากับ 1.69 นาโนเมตร นอกจากนั้นพบว่า มีการตรวจพบหมู่ฟังก์ชันของไฮดรอกซิล (O-H) ไฮโดรคาร์บอนประเภทอัลคิล (C-H) อะลิฟาติก (C-H) และอะโรมาติก (C=C) ที่ส่งผลต่อความสามารถในการดูดซับสารอะทราซีน ในส่วนการประเมินประสิทธิภาพในการดูดซับสารอะทราซีนพบว่า ให้ประสิทธิภาพในการดูดซับ 92.1 เปอร์เซ็นต์ หลังจากเข้าสู่ระยะเวลาสมดุลที่ 24 ชั่วโมง สอดคล้องกับสมการไอโซเทอร์มแบบฟรุนดิช โดยมีค่าคงที่สัมพันธ์กับความสามารถในการดูดซับ (KF) เท่ากับ 0.77 ไมโครกรัมต่อกรัม และการศึกษาแบบจำลองจลนศาสตร์การดูดซับชี้ให้เห็นว่าเป็นไปตามแบบจำลองอันดับที่สองเทียม ด้วยค่า R2 และ SSE เท่ากับ 0.9998 และ 0.0015 ตามลำดับ เมื่อพิจารณาค่าคงที่อัตราเร็วปฏิกิริยาอันดับสอง (K2) มีค่าเท่ากับ 0.1306 ไมโครกรัมต่อกรัมต่อนาที จึงสรุปได้ว่าการดูดซับอาศัยกลไกทั้งทางด้านกายภาพและเคมี ผลการทดลองทั้งหมดแสดงให้
เห็นว่าไบโอชาร์ไม้ไผ่มีคุณภาพสูงในการเป็นวัสดุดูดซับสารอะทราซีน ซึ่งจัดเป็นวัดสุดูดซับที่มีต้นทุนต่ำสำหรับป้องกันสารเคมีทางการเกษตรออกสู่นอกพื้นที่และเข้ามาในพื้นที่
This research aims to evaluate the adsorption efficiency of atrazine using biochar synthesized from bamboo. The study primarily focuses on these aspects: bamboo biochar physical and chemical properties, the equilibrium time, adsorption efficiency, isotherm as well as adsorption kinetic model with batch testing. Regarding physical and chemical properties, bamboo biochar exhibited the D50 of 200 μm, surface area of 756.43 m2/g, average pore size of 1.69 nm and pore volume of 0.32 cm3/g. Considering these properties, the substance can be defined as a microporous carbon adsorbent. Also, the functional groups of bamboo biochar show the groups of hydroxyls (O-H), alkyl (C-H), aliphatic (C-H), and aromatic carbon (C=C), which have a positive effect on adsorption of atrazine. Form the evaluation of atrazine adsorption properties, the bamboo biochar has the adsorption efficiency of 92.1% after 24 h equilibrium time, corresponding to the Freundlich adsorption isotherm. The Freundlich constant (KF) is 0.77 μg/g. In term of adsorption kinetic model, the results indicated being the pseudo second order reaction kinetics with R2 value and SSE are 0.9998 and 0.0015, respectively. The pseudo-second order rate constant (K2) shows 0.1306 μg/g.min. This can be concluded that the adsorption of bamboo biochar used both physical and chemical mechanisms. Overall results indicated that bamboo biochar can be used as an effective, low-cost adsorbent for atrazine removal. Thus, the biochar can be used as a chemical barrier for controlling agrochemical contaminants into agricultural land.
Keywords
[1] A. Pariona. (2019, November). Pesticide Using Countries 2017. [Online]. Available: https:// www.worldatlas.com/articles/top-pesticideconsuming- countries-of-the-world.html
[2] Department of Agriculture in Thailand. (2021, December). The Importation for a large amount to Hazardous substances. [Online]. (in Thai) Available: http://thaisdi.gistda.or.th/ne/data set/doa0008
[3] S. Ungsoongnern, “Environmental impact from pesticide utilization,” EAU Heritage Journal Science and Technology, vol 9, no 1, pp. 50–63, 2015 (in Thai).
[4] A. N. Ardiwinata, E. S. Harsanti, A. Kurnia, E. Sulaeman, R. Fauriah, and D. M. W. Paputri, “Contamination of paraquat residues in soil and water from several provinces in Indonesia,” in AIP Conference Proceedings, 2019, pp. 040024.
[5] N. Thi Hue, T. P. M. Nguyen, H. Nam, and N. H. Tung, “Paraquat in surface water of some streams in Mai Chau Province, the Northern Vietnam: Concentrations, profiles, and human risk assessments,” Journal of Chemistry, vol. 2018, no. 2, pp. 1–18, 2018.
[6] V. Patarasiriwong, Knowledge development and management risks from organophosphate in the upper northern part of Thailand with participatory action research, Lamphun and Lampang provinces, Bangkok: Infinity Media Publishing, 2017, pp. 96–99 (in Thai).
[7] P. Kajitvichyanukul. (2020, April). Integrated Research for Empowerment of Local Authorities in the Management and Prevention of Poisonous Contamination in the Nan River Basin, Phase 2. [Online]. Available: http://www. thai-explore.net/search_detail/result/3983
[8] T. Pornprom, Herbicides: Principles and mode of action. Bangkok: Kasetsart University press, 2011 (in Thai).
[9] C. Nualsri, S. Dangwongjaroenporn, C. Sreela-or, T. Kassanuk, and K. Phasinam, “Effect of biochar from banana peel on the stability of methane production from food waste at different organic loading rates,” The Jornal of KMUTNB, vol. 31, no. 4, pp. 770–780, 2021 (in Thai).
[10] M. Inyang and E. Dickenson, “The potential role of biochar in the removal of organic and microbial contaminants from potable and reuse water: a review,” Chemosphere, vol. 134, pp. 232–240, 2015.
[11 P. Zhang, X. Zhang, Y. Li, and L. Han, “Influence of pyrolysis temperature on chemical speciation, leaching ability, and environmental risk of heavy metals in biochar derived from cow manure,” Bioresource Technology, vol. 302, 122850, 2020.
[12] X. Zhu, B. Chen, L. Zhu, and B. Xing, “Effects and mechanisms of biochar-microbe interactions in soil improvement and pollution remediation: A review,” Environmental Pollution, vol. 227, pp. 98–115, 2017.
[13] X. Zhao, W. Ouyang, F. Hao, C. Lin, F. Wang, S. Han, and X. Geng, “Properties comparison of biochars from corn straw with different pretreatment and sorption behaviour of atrazine,” Bioresource Technology, vol. 147, pp. 338–344, 2013.
[14] K. B. Delwiche, J. Lehmann, and M. T. Walter, “Atrazine leaching from biochar-amended soils,” Chemosphere, vol. 95, pp. 346–352, 2014.
[15] N. Liu, A. B. Charrua, C. H. Weng, X. Yuan, and F. Ding, “Characterization of biochars derived from agriculture wastes and their adsorptive removal of atrazine from aqueous solution: A comparative study,” Bioresource Technology, vol. 198, pp. 55–62, 2015.
[16] T. Phuangchik. (2019, November). “Bamboo” Energy Crop Great future. [Online]. Available: https://www.technologychaoban.com/bulletnewstoday/ article_97236
[17] S. M. Taha, M. E. Amer, A. E. Elmarsafy, and M. Y. Elkady, “Adsorption of 15 different pesticides on untreated and phosphoric acid treated biochar and charcoal from water,” Journal of Environmental Chemical Engineering, vol. 2, no. 4, pp. 2013–2025, 2014.
[18] A. Dixit, S. Gupta, S. D. Pang, and H. W. Kua, “Waste Valorisation using biochar for cement replacement and internal curing in ultra-high performance concrete,” Journal of Cleaner Production, vol. 238, 117876, 2019.
[19] M. A. Martín-Lara, F. Hernáinz, M. Calero, G. Blázquez, and G. Tenorio, “Surface chemistry evaluation of some solid wastes from olive-oil industry used for lead removal from aqueous solutions,” Biochemical Engineering Journal, vol. 44, no. 2–3, pp. 151–159, 2009.
[20] K. R. Solomon, D. B. Baker, R. P. Richards, K. R. Dixon, S. J. Klaine, T. W. La Point, and W. M. Williams, “Ecological risk assessment of atrazine in North American surface waters,” Environmental Toxicology and Chemistry: An International Journal, vol. 15, no. 1, pp. 31–76, 1996.
[21] B. Tasim, T. Masood, Z. A. Shah, M. Arif, A. Ullah, G. Miraj, and M. Samiullah, “Quality evaluation of biochar prepared from different agricultural residues,” Sarhad Journal of Agriculture, vol. 35, no. 1, pp. 134–143, 2019.
[22] X. Zhu, C. Li, J. Li, B. Xie, J. Lu, and Y. Li, “Thermal treatment of biochar in the air/nitrogen atmosphere for developed mesoporosity and enhanced adsorption to tetracycline,” Bioresource Technology, vol. 263, pp. 475–482, 2018.
[23] A. Swiatkowski, “Electrochemical studies of phenomena at active carbon-electrolyte solution interfaces,” Chemistry & Physics of Carbon, vol. 27, pp. 125–225, 2000.
[24] K. D. Hammond and W. C. Conner Jr., “Analysis of catalyst surface structure by physical sorption,” Advances in Catalysis, vol. 56, pp. 1–101, 2013.
[25] D. Chen, X. Yu, C. Song, X. Pang, J. Huang, and Y. Li, “Effect of pyrolysis temperature on the chemical oxidation stability of bamboo biochar,” Bioresource Technology, vol. 218, pp. 1303–1306, 2016.
[26] P. Temyarasilp, “Preparation and Characterization of Activated carbon from Dendrocalamus asper backer and Dendrocalamus latiflorus,” M.S. thesis, Department of Chemistry, Faculty of Science Kasetsart University, 2008 (in Thai).
[27] S. Sangpongchai, “Adsorption of Volatile organic compounds (VOCs) in indoor environment using Activated carbon produced from Coffee bean residue,” M.S. thesis, Department of Science, Faculty of Science, Chulalongkorn University, 2011 (in Thai).
[28] T. Vitidsant, Activated carbon production and use. Khon Kaen: Klungnana vitthaya press, 2011, pp. 129–130 (in Thai).
[29] Z. Z. Chowdhury, M. Z. Karim, M. A. Ashraf, and K. Khalid, “Influence of carbonization temperature on physicochemical properties of biochar derived from slow pyrolysis of durian wood (Durio zibethinus) sawdust,” BioResources, vol. 11, no. 2, pp. 3356–3372, 2016.
[30] X. Cao, L. Ma, B. Gao, and W. Harris, “Dairymanure derived biochar effectively sorbs lead and atrazine,” Environmental Science & Technology, vol. 43, no. 9, pp. 3285–3291, 2009.
[31] A. Mandal, N. Singh, and T. J. Purakayastha, “Characterization of pesticide sorption behaviour of slow pyrolysis biochars as lowcost adsorbent for atrazine and imidacloprid removal,” Science of the Total Environment, vol. 577, pp. 376–385, 2017.
[32] J. Llado, C. Lao-Luque, B. Ruiz, E. Fuente, M. Solé-Sardans, and A. D. Dorado, “Role of activated carbon properties in atrazine and paracetamol adsorption equilibrium and kinetics,” Process Safety and Environmental Protection, vol. 95, pp. 51–59, 2015.
DOI: 10.14416/j.kmutnb.2023.12.009
ISSN: 2985-2145
Email this article 
Hide
Show all