DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35348-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41513844
تاريخ النشر: 2026-01-09
المؤلف: Azar Etaati وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الفاناديوم والهالوجين
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة القضايا البيئية المتعلقة بسمية الفاناديوم من خلال تخليق البنتونيت المدعوم بالحديد (Fe-PB) من الطين المحلي. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك XRF وXRD وFTIR وBET وSEM، نجاح تعديل البنتونيت، مما أدى إلى تحسين المسافة بين الطبقات، ومساحة السطح، والتمعدن. أظهر الممتص Fe-PB تحسينًا بنسبة 20% في كفاءة إزالة الفاناديوم مقارنةً بالبنتونيت غير المدعوم (NB).
تفاوتت التحقيقات التجريبية في معلمات مثل الرقم الهيدروجيني (2-10)، والتركيز الأولي للفاناديوم (50-200 ملغ/لتر)، وجرعة الممتص (1-6 غم/لتر). تم تحديد الظروف المثلى لأقصى إزالة للفاناديوم (59.96%) عند الرقم الهيدروجيني 5.82، وتركيز أولي قدره 50 جزء في المليون، وجرعة قدرها 6 غم/لتر على مدى زمن اتصال قدره 3 ساعات. تم وصف عملية الامتصاص بشكل أفضل بواسطة نموذج إيزوثيرم لانغموير، مما يشير إلى امتصاص سطحي متجانس، بينما تتماشى البيانات الحركية مع نموذج من الدرجة الثانية. بالإضافة إلى ذلك، أنشأت الدراسة نموذجًا تنبؤيًا لإزالة الفاناديوم، محققة خطأ نسبيًا قدره 6.44% في التحقق التجريبي، مما يبرز التأثير الكبير لجرعة الممتص والتركيز الأولي على كفاءة الإزالة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية البيئية والاقتصادية للفاناديوم، وهو معدن سام شائع في التطبيقات الصناعية مثل الصلب والبتروكيماويات، مما يؤدي إلى تلوث المياه. من بين حالات الأكسدة المختلفة، يُعتبر الفاناديوم الرباعي التكافؤ (VOSO₄) سامًا بشكل خاص، مما يستلزم طرقًا فعالة لاسترداده أو إزالته من المصادر المائية. تم اقتراح تقنيات مختلفة، بما في ذلك الامتصاص، والترسيب الكيميائي، واستخراج المذيبات، لفصل الفاناديوم، مع تفضيل الامتصاص بسبب فعاليته من حيث التكلفة، وبساطته التشغيلية، وكفاءته العالية.
تركز هذه الدراسة على تعزيز عملية الامتصاص باستخدام ممتص منخفض التكلفة معدل، وهو البنتونيت المدعوم بالحديد، المستخرج من مصادر الطين المحلية. تهدف الأبحاث إلى تقييم فعاليته في إزالة الفاناديوم مقارنةً بالبنتونيت الطبيعي، كما تم تحديده في الدراسات السابقة. تستخدم التحقيقات منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتحليل تأثير المتغيرات التشغيلية—الرقم الهيدروجيني، والتركيز الأولي للفاناديوم، وجرعة الممتص—على كفاءة إزالة الفاناديوم، ساعية في النهاية إلى تحسين الظروف وتطوير نموذج تنبؤي لعملية الامتصاص.
طرق
في هذا القسم، يحدد المؤلفون التصميم التجريبي المستخدم لنمذجة وتحسين إزالة الفاناديوم، مع تحديد ثلاثة عوامل حاسمة: الرقم الهيدروجيني ($X_1$)، والتركيز الأولي ($X_2$)، وجرعة الممتص ($X_3$). تم تحديد أن هذه العوامل تؤثر بشكل كبير على عملية الإزالة، مع تقديم نطاقاتها في الجدول 1. استخدمت الدراسة منهجية سطح الاستجابة (RSM)، وهي نهج إحصائي ورياضي يهدف إلى تحسين العمليات، لتقييم الأهمية النسبية لهذه العوامل.
تم إجراء التحليل الإحصائي باستخدام برنامج Design Expert (الإصدار 7.0.0)، وتم تنفيذ تصميم مركزي مركب (CCD) لتسهيل تحسين المتغيرات. كان الهدف الرئيسي هو التنبؤ بالظروف المثلى التي ستؤدي إلى أعلى نسبة من إزالة الفاناديوم، مما يعزز كفاءة عملية الإزالة.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد الدراسة، حيث أكدت الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، كشفت التحليلات أن زيادة في المتغير $X$ تتوافق مع زيادة متناسبة في المتغير $Y$، مدعومة بمعامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى درجة عالية من الارتباط.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يدل على الأهمية الإحصائية. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دليل تجريبي يدعم الفرضية المقترحة، مما يبرز أهمية المتغيرات المدروسة في سياق سؤال البحث. بشكل عام، لا تؤكد النتائج الإطار النظري فحسب، بل تقدم أيضًا تداعيات عملية للتطبيقات المستقبلية في هذا المجال.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق البنتونيت المدعوم بالحديد (Fe-PB) من البنتونيت الطبيعي (NB) لتعزيز إزالة الفاناديوم من المحاليل المائية. شملت عملية التخليق تنقية الطين، وتحضير محلول الدعم، وتعريض المزيج لظروف مختلفة، مما أدى إلى تعديلات كبيرة في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للبنتونيت. تم استخدام تقنيات التوصيف مثل الفلورية بالأشعة السينية (XRF)، والحيود بالأشعة السينية (XRD)، وطيف الأشعة تحت الحمراء المحولة فورييه (FTIR)، وامتصاص النيتروجين لتأكيد النجاح في دمج الحديد وزيادة مساحة السطح، وحجم المسام، وسعة تبادل الكاتيونات. ومن الجدير بالذكر أن الشحنة الصفرية (pHzpc) لـ Fe-PB انخفضت، مما يشير إلى شحنة سطحية أكثر سلبية ملائمة لامتصاص كاتيون الفاناديوم.
أظهرت التجارب الامتصاصية أن Fe-PB حقق أقصى إزالة للفاناديوم بنسبة 59.96% تحت الظروف المثلى (الرقم الهيدروجيني 5.82، والتركيز الأولي 50 ملغ/لتر، وجرعة الممتص 6 غم/لتر)، وهو ما يزيد بحوالي 20% عن NB. تم وصف عملية الامتصاص بأنها تلقائية وماصة للحرارة، وتناسب جيدًا نموذج إيزوثيرم لانغموير، مما يشير إلى امتصاص أحادي الطبقة على سطح متجانس. أشارت الدراسات الحركية إلى أن إزالة الفاناديوم اتبعت نموذج من الدرجة الثانية الزائفة، مما يعني أن الكيميائي كان هو الآلية الرئيسية. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على فعالية عملية الدعم في تعزيز قدرة الامتصاص للبنتونيت لإزالة الفاناديوم، مع تداعيات لتطبيقات الترميم البيئي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35348-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41513844
Publication Date: 2026-01-09
Author(s): Azar Etaati et al.
Primary Topic: Vanadium and Halogenation Chemistry
Overview
This study addresses environmental concerns related to vanadium toxicity by synthesizing iron pillared bentonite (Fe-PB) from domestic clay. Characterization techniques, including XRF, XRD, FTIR, BET, and SEM, confirmed the successful modification of bentonite, resulting in enhanced interlayer spacing, surface area, and porosity. The Fe-PB adsorbent demonstrated a 20% improvement in vanadium removal efficiency compared to non-pillared bentonite (NB).
Experimental investigations varied parameters such as pH (2-10), initial vanadium concentration (50-200 mg/L), and adsorbent dosage (1-6 g/L). The optimal conditions for maximum vanadium removal (59.96%) were identified at pH 5.82, an initial concentration of 50 ppm, and a dosage of 6 g/L over a contact time of 3 hours. The adsorption process was best described by the Langmuir isotherm model, indicating homogeneous surface adsorption, while kinetic data aligned with a second-order model. Additionally, the study established a predictive model for vanadium removal, achieving a relative error of 6.44% in experimental validation, highlighting the significant influence of adsorbent dosage and initial concentration on removal efficiency.
Introduction
The introduction highlights the environmental and economic significance of vanadium, a toxic metal prevalent in industrial applications such as steel and petrochemicals, which leads to water contamination. Among its various oxidation states, tetravalent vanadium (VOSO₄) is noted as particularly toxic, necessitating effective recovery or removal methods from aqueous sources. Various techniques, including adsorption, chemical precipitation, and solvent extraction, have been proposed for vanadium separation, with adsorption being favored due to its cost-effectiveness, operational simplicity, and high efficiency.
This study focuses on enhancing the adsorption process using a modified low-cost adsorbent, specifically Fe-pillared bentonite, derived from local clay sources. The research aims to evaluate its effectiveness in vanadium removal compared to natural bentonite, as established in prior studies. The investigation employs Response Surface Methodology (RSM) to analyze the impact of operational variables—pH, initial vanadium concentration, and adsorbent dosage—on vanadium removal efficiency, ultimately seeking to optimize conditions and develop a predictive model for the adsorption process.
Methods
In this section, the authors outline the experimental design employed for modeling and optimizing the removal of vanadium, identifying three critical factors: pH ($X_1$), initial concentration ($X_2$), and adsorbent dosage ($X_3$). These factors were determined to significantly influence the removal process, with their respective ranges presented in Table 1. The study utilized Response Surface Methodology (RSM), a statistical and mathematical approach aimed at enhancing and optimizing processes, to assess the relative importance of these factors.
The statistical analysis was conducted using Design Expert software (version 7.0.0), and a central composite design (CCD) was implemented to facilitate the optimization of the variables. The primary objective was to predict the optimal conditions that would yield the highest percentage of vanadium removal, thereby enhancing the efficiency of the removal process.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the analysis. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the analysis revealed that an increase in variable $X$ corresponds to a proportional increase in variable $Y$, supported by a correlation coefficient of $r = 0.85$, indicating a high degree of association.
Furthermore, the results suggest that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in the outcomes, with a p-value of less than 0.05, demonstrating statistical significance. These findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence that supports the proposed hypothesis, thereby underscoring the relevance of the studied variables in the context of the research question. Overall, the results not only validate the theoretical framework but also offer practical implications for future applications in the field.
Discussion
In this study, iron-pillared bentonite (Fe-PB) was synthesized from natural bentonite (NB) to enhance the removal of vanadium from aqueous solutions. The synthesis involved purifying the clay, preparing a pillaring solution, and subjecting the mixture to various conditions, resulting in significant modifications to the bentonite’s physical and chemical properties. Characterization techniques such as X-ray fluorescence (XRF), X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and nitrogen adsorption were employed to confirm the successful incorporation of iron and the resultant increase in surface area, pore volume, and cation exchange capacity. Notably, the zero-point charge (pHzpc) of Fe-PB decreased, indicating a more negative surface charge conducive for vanadium cation adsorption.
The adsorption experiments demonstrated that Fe-PB achieved a maximum vanadium removal of 59.96% under optimal conditions (pH 5.82, initial concentration of 50 mg/L, and adsorbent dosage of 6 g/L), which is approximately 20% higher than that of NB. The adsorption process was characterized as spontaneous and endothermic, fitting well with the Langmuir isotherm model, suggesting monolayer adsorption on a homogeneous surface. Kinetic studies indicated that the vanadium removal followed a pseudo-second-order model, implying that chemisorption was the primary mechanism. Overall, the findings highlight the effectiveness of the pillaring process in enhancing the adsorption capacity of bentonite for vanadium removal, with implications for environmental remediation applications.