From Waste to Solution: Modeling and Characterization of Grape Seed Bio-Waste for Phosphate Removal from Wastewater

Resumo

Neste estudo, partículas de sementes de uva moídas foram utilizadas para adsorver íons fosfato de uma solução preparada, visando reduzir a concentração de fosfato. Através de uma série de experimentos de adsorção, foram estudados os efeitos da concentração do adsorvente, da concentração inicial de íons fosfato, da temperatura e do pH na captura de íons fosfato. A eficiência de remoção do íon fosfato diminuiu de 77 para 61% com um incremento de temperatura de 25 para 45 °C, o que indicou a exotermicidade no processo de adsorção. O movimento do íon fosfato para a superfície do adsorvente que exibiu o maior valor de captura favoreceu um ambiente de reação neutro com um valor de pH de sete. Os resultados experimentais, quando comparados usando diferentes isotermas de adsorção, mostraram que o melhor ajuste foi exibido pela isoterma de Jovanovic, que foi ainda confirmada devido ao seu alto valor de R² de 0,974. A difusão intrapartícula e os modelos de pseudo segunda ordem descrevem a cinética de adsorção de fosfato nas sementes de uva, com constantes de reação de 8,8 × 10⁻³ (mg/g min) e 0,412 (mg/g·min⁰·⁵), respectivamente. A adsorção foi fisiossortiva, espontânea, exotérmica e favorável. Além disso, a entropia negativa com um valor de −0,0887 kJ/mol·K revelou uma aleatoriedade reduzida no sistema do processo de adsorção.

Abstract

In this study, particles of ground grape seeds were utilized to adsorb phosphate ions from a prepared solution, aiming to reduce phosphate concentration. Through a series of adsorption experiments, the effects of the adsorbent concentration, initial phosphate ion concentration, temperature, and pH on the phosphate ion uptake were studied. The removal efficiency of the phosphate ion decreased from 77 to 61% as a 25 to 45 °C increment in temperature was observed, which indicated the exothermicity in the adsorption process. The phosphate ion movement onto the adsorbent surface that exhibited the highest uptake value favored a neutral reaction environment with a pH value of seven. The experimental results, when compared using different adsorption isotherms, showed that the best fit was exhibited by the Jovanovic isotherm, which was further confirmed owing to its high 0.974 R2 value. Intraparticle diffusion and pseudo second order models describe the kinetics of phosphate adsorption onto grape seeds, with reaction constants of 8.8 × 10−3 (mg/g min) and 0.412 (mg/g·min0.5), respectively. The adsorption was physiosorptive, spontaneous, exothermic, and favorable. Furthermore, the negative entropy with a value of −0.0887 kJ/mol·K revealed reduced randomness in the adsorption process system.