Theoretical Analysis of Langmuir Adsorption Kinetics for Defining Initial Concentration-Based Transition Boundaries Between Pseudo-First and Pseudo-Second Order Models: A Mathematical Approach

Document Type : Original Article

Author
Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
10.48302/jtp.2026.590702.1357
Abstract
Despite the widespread application of pseudo-first-order (PFO) and pseudo-second-order (PSO) kinetic models in adsorption processes, the selection of these models often relies on an empirical approach, lacking explicit thermodynamic justification and well-defined operational boundaries. To address this phenomenological ambiguity, a theoretical and dimensionless framework derived from Langmuir adsorption kinetics is developed in this study. By formulating a kinetic phase diagram, analytical boundary equations were derived within a dimensionless space defined by the initial concentration and the capacity parameter. This theoretical phase diagram was validated by mapping the experimental kinetic trajectories for the adsorption of penicillin and cephalosporin antibiotics. Employing a sensitive relative goodness-of-fit criterion based on error variance, the concentration-dependent transition from the PFO regime to HOTZ was quantitatively confirmed, demonstrating excellent agreement with the theoretical boundaries. Ultimately, by decoupling the intrinsic adsorption kinetics from macroscopic operating conditions, this reference diagram can provide chemical, environmental, and textile engineers with a robust tool for predictive reactor design and rational scale-up. Particularly in textile engineering, the application of this framework for a more precise analysis of fiber dyeing kinetics, as well as the optimal design of adsorbents for colored wastewater treatment, can minimize the need for costly trial-and-error experiments.
Keywords

Article Title Persian

تحلیل نظری سینتیک جذب لانگمویر برای تعیین مرزهای گذار مبتنی بر غلظت اولیه بین مدل‌های شبه‌مرتبه اول و دوم: یک رویکرد ریاضی

Author Persian

نوید ربیعی
دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی‌تکنیک تهران)
Abstract Persian

علیرغم کاربرد گسترده مدل‌های سینتیکی شبه‌مرتبه اول (PFO) و شبه‌مرتبه دوم (PSO) در فرایندهای جذب سطحی، انتخاب این مدل‌ها اغلب رویکردی تجربی داشته و فاقد توجیه ترمودینامیکی صریح و مرزهای عملیاتی مشخص است. برای رفع این ابهامِ پدیدارشناختی، در این پژوهش یک چارچوب نظری و بدون‌بعد، مستخرج از سینتیک جذب لانگمویر، تدوین شده است. با فرمول‌بندی یک دیاگرام فاز سینتیکی، معادلات مرزی تحلیلی در فضای بدون‌بعدِ حاصل از غلظت اولیه و پارامتر ظرفیت استخراج گردید. این دیاگرام فاز نظری، با نگاشت مسیرهای سینتیکیِ آزمایشگاهیِ جذب برخی آنتی‌بیوتیک‌ها اعتبارسنجی شد. با به‌کارگیری معیار حساسِ نیکویی برازش نسبی بر پایه واریانس خطا، گذارِ وابسته به غلظت از رژیم PFO به HOTZ به صورت کمی تایید گردید که کاملاً با مرزهای نظری توافق نشان داد. در نهایت، این دیاگرامِ مرجع می‌تواند با جدا کردن سینتیک ذاتیِ جذب از شرایط عملیاتی ماکروسکوپیک، ابزاری برای طراحی پیش‌بینانه راکتورها و مقیاس‌پذیری منطقی در اختیار مهندسان شیمی، محیط‌زیست و نساجی قرار دهد. به‌ویژه در مهندسی نساجی، کاربرد این چارچوب در تحلیل دقیق‌ترِ سینتیک رنگرزی الیاف و همچنین طراحی بهینه جاذب‌ها برای تصفیه پساب‌های رنگی، می‌تواند نیاز به آزمایش‌های تجربی آزمون‌وخطای پرهزینه را به حداقل برساند.

Keywords Persian

سینتیک جذب
دیاگرام فاز بدون‌بعد
مدل لانگمویر
مدل شبه‌مرتبه اول
مدل شبه‌مرتبه دوم