DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.137281
تاريخ النشر: 2026-02-17
المؤلف: H. Lubarsky وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في قدرات الامتزاز لأربعة مواد امتصاص طبيعية – الكربون المنشط الحبيبي (GAC) ، هيدروكسيد الحديد الحبيبي (GFH) ، زيلوتيت الكلينوبتيلوليت الطبيعي ، والطين العضوي المعدل بالسطحي – لإزالة المركبات المسببة للاضطرابات الهرمونية (EDCs) مثل التريكلوسان (TCS) والبيسفينول A (BPA) من البيئات المائية. تبرز الدراسة أن طرق معالجة المياه التقليدية لا تزيل هذه الملوثات الدقيقة المستمرة بشكل كافٍ، مما يستدعي استكشاف تقنيات امتصاص فعالة. تحت ظروف دفعة محكومة، أظهر GAC أداءً متفوقًا مع كفاءة إزالة تزيد عن 95% لكل من TCS و BPA، ويعزى ذلك إلى آليات تشمل الامتزاز الكيميائي وتفاعلات π-π. حققت الطين العضوي إزالة تقريبية كاملة لـ TCS (حتى 99.6%) لكنها كانت أقل فعالية لـ BPA، بينما أظهر GFH انتقائية عالية لـ TCS (90.4% إزالة) مع امتصاص ضئيل لـ BPA. أظهرت الزيلوتيت فعالية محدودة، حيث حققت إزالة ≤25% من TCS.
تؤكد الاستنتاجات على أهمية انتقائية الامتزاز وآليات التفاعل الأساسية في تحديد فعالية إزالة EDC. تم تحديد أربعة آليات رئيسية: الامتزاز الكيميائي على GAC، التعرف الجزيئي الانتقائي على GFH، الامتزاز الفيزيائي المحدود على الزيلوتيت، والتقسيم الكاره للماء على الطين العضوي. تضع الدراسة Filtrasorb-300 كأفضل مادة امتصاص واسعة الطيف، بينما تقدم الطين العضوي بديلاً فعالاً من حيث التكلفة لإزالة TCS، مما قد يقلل من التكاليف التشغيلية بأكثر من 50%. تدعو النتائج إلى فهم آلي لعمليات الامتزاز لإبلاغ استراتيجيات المعالجة المستهدفة لـ EDCs، مما يعزز كفاءة الإزالة ويدعم تطوير تقنيات معالجة قابلة للتوسع للتطبيقات الصناعية والبلدية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على المخاوف الكبيرة المتعلقة بالصحة العامة التي تثيرها المواد الكيميائية المسببة للاضطرابات الهرمونية (EDCs)، وخاصة التريكلوسان (TCS) والبيسفينول A (BPA)، والتي تتواجد في العديد من المنتجات الاستهلاكية وتكتشف في البيئات المائية. تتداخل هذه المركبات مع تنظيم الهرمونات وتظهر استمرارية وتراكم حيوي، مما يثير القلق بشأن آثارها البيئية والصحية. غالبًا ما تفشل طرق معالجة المياه التقليدية في إزالة EDCs بشكل فعال، مما يؤدي إلى اهتمام متزايد في الامتزاز كنهج معالجة أكثر كفاءة وقابلية للتكيف. تم تحديد الكربون المنشط الحبيبي (GAC) كمعيار لمادة الامتصاص لإزالة EDC بسبب مساحته السطحية العالية و affinity للمركبات الكارهة للماء، مع دراسات تظهر فعاليته في امتصاص TCS و BPA.
تؤكد الورقة على الحاجة إلى إطار مقارن موجه نحو الآلية لفهم سلوكيات الامتزاز لمختلف المواد الماصة، بما في ذلك GAC و هيدروكسيد الحديد الحبيبي (GFH) وزيلوتيت الكلينوبتيلوليت الطبيعي والطين العضوي المعدل بالسطحي. من خلال فصل العوامل مثل المساحة السطحية، هيكل المسام، وكيمياء السطح تحت ظروف متطابقة، تهدف الدراسة إلى توضيح الآليات المحددة للمركبات للامتزاز لـ TCS و BPA. يدمج هذا النهج الشامل بين التوصيف الفيزيائي الكيميائي مع التحليلات الحركية والتوازن، مما يوفر في النهاية رؤى يمكن أن تُعلم اختيار المواد الماصة العقلاني وتحسينها لمعالجة المياه بشكل فعال تستهدف EDCs.
طرق
في هذه الدراسة، تم اختيار عشرة مواد امتصاص مختلفة بشكل منهجي لتقييم فعاليتها في إزالة التريكلوسان (TCS) والبيسفينول A (BPA). تضمنت المواد أربعة أنواع من الكربون المنشط الحبيبي – Carbsorb-30 و Filtrasorb-300 و HPC Ultra-830 (HPC-830) و Aquacarb – تمثل كلا من المصادر الأحفورية والمتجددة، جميعها تتميز بمساحات سطحية مشابهة تتراوح من 900 إلى 1100 م²/غ. بالإضافة إلى ذلك، تم فحص نوعين من هيدروكسيد الحديد الحبيبي (GFH و GFH-Dry) ، تختلف فقط في محتوى الرطوبة، لتقييم تأثير ظروف المعالجة.
علاوة على ذلك، دمجت الدراسة زيلوتيت الكلينوبتيلوليت بأحجام جزيئات متفاوتة (0.7-1.6 مم و 1.6-3.0 مم) مع تركيبات Si-O-Al-C متسقة، مما يسمح بتحليل مركز على تأثيرات حجم الجسيمات على أداء الامتزاز. أخيرًا، تم تضمين نوعين من الطين العضوي، Bentonite G و Bentonite FG، المعدلة بالسطحي المحتوي على النيتروجين، للتحقيق في تأثير كيمياء السطح على قدرات الامتزاز. سهل هذا النهج الشامل تقييمًا محكومًا للعلاقات بين هيكل المادة والأداء في امتصاص TCS و BPA.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يبرز النتائج المهمة التي تدعم الفرضيات أو أسئلة البحث المطروحة في الدراسة. عادةً ما تكون النتائج مصحوبة ببيانات إحصائية ذات صلة، أو أشكال، أو جداول توضح الاتجاهات والعلاقات التي لوحظت في البيانات.
قد يناقش القسم أيضًا تداعيات هذه النتائج، مقارنًا إياها بالأدبيات الموجودة لوضع النتائج في سياق أوسع من مجال الدراسة. بشكل عام، توفر النتائج أساسًا لمزيد من المناقشة والتفسير في الأقسام اللاحقة من الورقة، مما يبرز مساهمات البحث في الجسم المعرفي القائم.
مناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة توصيف وأداء مختلف المواد الماصة لإزالة المسببات للاضطرابات الهرمونية، وخاصة التريكلوسان (TCS) والبيسفينول A (BPA). تم توصيف المواد الماصة، بما في ذلك الكربون المنشط الحبيبي (GAC) وهيدروكسيد الحديد الحبيبي (GFH) والزيلوتيت والطين العضوي، باستخدام تقنيات مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ، حيود الأشعة السينية (XRD) ، التحليل الحراري الوزني (TGA) ، وطيف تحويل فورييه للأشعة تحت الحمراء (FTIR). كشفت SEM عن ميزات شكلية مميزة بين المواد الماصة، بينما أكد XRD هياكلها البلورية وتركيبات الطور. أشار TGA إلى استقرارية حرارية متفاوتة، حيث أظهر GAC أقل تدهور وظهرت الطين العضوي بمساحة سطحية و مسامية ضئيلة.
أظهرت دراسات الامتزاز أن GAC، وخاصة Filtrasorb-300، أظهر كفاءات امتصاص متفوقة لكل من TCS (95.5%) و BPA، مع سعات مقابلة تبلغ 97.9 ملغ غ⁻¹ و 82.5 ملغ غ⁻¹، على التوالي. أظهر GFH امتصاصًا انتقائيًا، حيث أزال TCS بشكل فعال ولكن ليس BPA، بينما أظهرت الزيلوتيت والطين العضوي فعالية محدودة. أشارت التحليلات الحركية إلى أن GAC وصل إلى التوازن خلال 4 ساعات لـ TCS و BPA، بينما أظهرت الطين العضوي و GFH أداءً متغيرًا. تبرز الدراسة أهمية خصائص المواد الماصة في تحسين إزالة المسببات للاضطرابات الهرمونية من المياه، مشددة على أن مواد الكربون المنشط توفر أكثر قدرات إزالة فعالة واسعة الطيف.
القيود
تسلط قيود هذه الدراسة الضوء على عدة مجالات للبحث المستقبلي. بشكل أساسي، فإن استخدام مفاعل دفعة مع حلول ذات مكون واحد يفشل في تكرار ديناميات الامتزاز التنافسية الموجودة في مياه الصرف الصحي الحقيقية، التي غالبًا ما تحتوي على عدة مركبات مسببة للاضطرابات الهرمونية (EDCs) ومواد متداخلة. لاحظ تشينغ ووانغ (المرجع [52]) أن مثل هذه التفاعلات التنافسية يمكن أن تؤثر بشكل كبير على فعالية الامتزاز. علاوة على ذلك، فإن وقت الاتصال البالغ 24 ساعة المستخدم في التجارب يتجاوز أوقات الاحتفاظ النموذجية لمحطات المعالجة، التي تتراوح من 2 إلى 6 ساعات. تقيّد ظروف pH المحدودة المختبرة فهمًا شاملاً للأداء المعتمد على pH عبر الطيف البيئي (pH 6.5-8.5)، ولم تتناول الدراسة تأثيرات درجة الحرارة التي قد تؤثر على كل من الحركية وسعة التوازن.
بالإضافة إلى ذلك، ركزت الدراسة على مركبين فقط من EDCs، التريكلوسان (TCS) والبيسفينول A (BPA)، بينما من المحتمل أن تحتوي مياه الصرف الصحي الفعلية على مجموعة أوسع من الملوثات. يجب أن تتضمن الأعمال المستقبلية التحقق الآلي من خلال تقنيات طيفية متقدمة مثل طيف الإلكترون الضوئي للأشعة السينية (XPS) ، وطيف تحويل فورييه للأشعة تحت الحمراء (FTIR) ، والرنين المغناطيسي النووي (NMR) ، وحسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لتوضيح آليات الامتزاز. الدراسات المتعلقة بالاستقرار على المدى الطويل والتجديد، بما في ذلك اختبارات اختراق العمود، ضرورية لتقييم متانة وكفاءة المواد الماصة. علاوة على ذلك، فإن دراسة تأثيرات مكونات مصفوفة المياه (مثل المواد العضوية المذابة، القوة الأيونية) وإجراء تحليلات تكلفة دورة الحياة لمختلف المواد الماصة ستوفر رؤى قيمة للتطبيقات العملية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.137281
Publication Date: 2026-02-17
Author(s): H. Lubarsky et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This research investigates the adsorption capabilities of four natural adsorbents—granular activated carbon (GAC), granular ferric hydroxide (GFH), natural clinoptilolite zeolite, and surfactant-modified bentonite organoclay—for the removal of endocrine-disrupting compounds (EDCs) such as triclosan (TCS) and bisphenol A (BPA) from aquatic environments. The study highlights that conventional water treatment methods inadequately remove these persistent micropollutants, necessitating the exploration of efficient adsorptive techniques. Under controlled batch conditions, GAC demonstrated superior performance with over 95% removal efficiency for both TCS and BPA, attributed to mechanisms including chemisorption and π-π interactions. Organoclays achieved nearly complete TCS removal (up to 99.6%) but were less effective for BPA, while GFH exhibited high selectivity for TCS (90.4% removal) with negligible BPA adsorption. Zeolites showed limited efficacy, achieving ≤25% TCS removal.
The conclusions emphasize the importance of adsorption selectivity and the underlying interaction mechanisms in determining the efficacy of EDC removal. Four primary mechanisms were identified: chemisorption on GAC, selective molecular recognition on GFH, limited physisorption on zeolites, and hydrophobic partitioning on organoclays. The study positions Filtrasorb-300 as the optimal broad-spectrum adsorbent, while organoclays present a cost-effective alternative for TCS removal, potentially reducing operational costs by over 50%. The findings advocate for a mechanistic understanding of adsorption processes to inform targeted treatment strategies for EDCs, enhancing removal efficiency and supporting the development of scalable treatment technologies for both industrial and municipal applications.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant public health concerns posed by endocrine-disrupting chemicals (EDCs), particularly triclosan (TCS) and bisphenol A (BPA), which are prevalent in various consumer products and detected in aquatic environments. These compounds interfere with hormonal regulation and exhibit persistence and bioaccumulation, raising alarms about their ecological and health impacts. Conventional water treatment methods often fail to effectively remove EDCs, leading to a growing interest in adsorption as a more efficient and adaptable treatment approach. Granular activated carbon (GAC) is identified as the benchmark adsorbent for EDC removal due to its high surface area and affinity for hydrophobic molecules, with studies demonstrating its effectiveness in adsorbing TCS and BPA.
The paper emphasizes the need for a controlled, mechanism-oriented comparative framework to better understand the adsorption behaviors of various adsorbents, including GAC, granular ferric hydroxide (GFH), natural clinoptilolite zeolite, and surfactant-modified organoclays. By systematically decoupling factors such as surface area, pore structure, and surface chemistry under identical conditions, the study aims to elucidate the compound-specific mechanisms of adsorption for TCS and BPA. This comprehensive approach integrates physicochemical characterization with kinetic and equilibrium analyses, ultimately providing insights that could inform rational adsorbent selection and optimization for effective water treatment targeting EDCs.
Methods
In this study, ten different adsorbent materials were systematically selected to evaluate their effectiveness in removing triclosan (TCS) and bisphenol A (BPA). The materials included four types of granular activated carbons—Carbsorb-30, Filtrasorb-300, HPC Ultra-830 (HPC-830), and Aquacarb—representing both fossil and renewable sources, all characterized by similar surface areas ranging from 900 to 1100 m²/g. Additionally, two granular ferric hydroxides (GFH and GFH-Dry) were examined, differing only in moisture content, to assess the impact of processing conditions.
Furthermore, the study incorporated clinoptilolite zeolites of varying particle sizes (0.7-1.6 mm and 1.6-3.0 mm) with consistent Si-O-Al-C compositions, allowing for a focused analysis on the effects of particle size on adsorption performance. Lastly, two organoclays, Bentonite G and Bentonite FG, modified with nitrogen-containing surfactants, were included to investigate the influence of surface chemistry on adsorption capabilities. This comprehensive approach facilitated a controlled evaluation of the relationships between material structure and performance in the adsorption of TCS and BPA.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments or analyses. It highlights the significant outcomes that support the hypotheses or research questions posed in the study. The results are typically accompanied by relevant statistical data, figures, or tables that illustrate the trends and relationships observed in the data.
The section may also discuss the implications of these findings, comparing them with existing literature to contextualize the results within the broader field of study. Overall, the results provide a foundation for further discussion and interpretation in subsequent sections of the paper, underscoring the contributions of the research to the existing body of knowledge.
Discussion
In this section, the study discusses the characterization and performance of various adsorbents for the removal of endocrine disruptors, specifically triclosan (TCS) and bisphenol A (BPA). The adsorbents, including granular activated carbon (GAC), granular ferric hydroxide (GFH), zeolites, and organoclays, were characterized using techniques such as scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA), and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. SEM revealed distinct morphological features among the adsorbents, while XRD confirmed their crystal structures and phase compositions. TGA indicated varying thermal stabilities, with GAC showing the least degradation and organoclays exhibiting minimal surface area and porosity.
The adsorption studies demonstrated that GAC, particularly Filtrasorb-300, exhibited superior sorption efficiencies for both TCS (95.5%) and BPA, with corresponding capacities of 97.9 mg g⁻¹ and 82.5 mg g⁻¹, respectively. GFH showed selective adsorption, effectively removing TCS but not BPA, while zeolites and organoclays displayed limited effectiveness. Kinetic analyses indicated that GAC reached equilibrium within 4 hours for TCS and BPA, while organoclays and GFH demonstrated variable performance. The study highlights the importance of adsorbent characteristics in optimizing the removal of endocrine disruptors from water, emphasizing that activated carbon materials provide the most effective broad-spectrum removal capabilities.
Limitations
The limitations of this study underscore several areas for future research. Primarily, the use of a batch reactor with single-component solutions fails to replicate the competitive adsorption dynamics present in real wastewater, which often contains multiple endocrine-disrupting compounds (EDCs) and interfering substances. Cheng and Wang (reference [52]) noted that such competitive interactions can significantly influence adsorption efficacy. Moreover, the 24-hour contact time employed in the experiments exceeds the typical retention times of treatment plants, which range from 2 to 6 hours. The limited pH conditions tested restrict a comprehensive understanding of pH-dependent performance across the environmental spectrum (pH 6.5-8.5), and the study did not address temperature effects that could impact both kinetics and equilibrium capacity.
Additionally, the research concentrated on only two EDCs, triclosan (TCS) and bisphenol A (BPA), while actual wastewater is likely to contain a broader array of pollutants. Future work should incorporate mechanistic validation through advanced spectroscopic techniques such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), nuclear magnetic resonance (NMR), and density functional theory (DFT) calculations to elucidate adsorption mechanisms. Long-term stability and regeneration studies, including column breakthrough tests, are necessary to evaluate the durability and efficiency of the adsorbents. Furthermore, examining the impacts of water matrix components (e.g., dissolved organic matter, ionic strength) and conducting lifecycle cost analyses for various adsorbents would provide valuable insights for practical applications.