DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-31370-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41559114
تاريخ النشر: 2026-01-20
المؤلف: Tessema Derbe وآخرون
الموضوع الرئيسي: تأثيرات الفلورايد وإزالته
نظرة عامة
تستقصي الدراسة تخليق وتطبيق مركب الكربون الحيوي المدعوم بالزيوليت A (Z-A/M-BC) لإزالة الفلورايد من المياه الجوفية، لا سيما في منطقة وادي الصدع المتأثرة بالفلورايد في إثيوبيا. تم توصيف المركب باستخدام تقنيات تحليلية متنوعة، بما في ذلك FT-IR و PXRD و SEM-EDX و PZC و BET، مما كشف عن نقطة pH للشحنة الصفرية (PZC) تبلغ 6.75 ومساحة سطح عالية تبلغ 496.17 م²/غ. تسهل هذه الخصائص امتصاص الفلورايد بشكل فعال من خلال التفاعلات الكهروستاتيكية، لا سيما عند مستويات pH أقل من PZC.
أشارت دراسات التحسين إلى أن أقصى كفاءة لإزالة الفلورايد بلغت 95.80% وسعة 6.39 ملغ/غ تم تحقيقها عند pH 5، مع جرعة ممتص تبلغ 1.2 غ/ل، ووقت تلامس قدره 6 ساعات، وتركيز فلورايد أولي ($C_0$) يبلغ 10 ملغ/ل. كانت قابلية إعادة استخدام مركب Z-A/M-BC واعدة أيضًا، حيث أظهرت كفاءات إزالة تتراوح بين 95.80% إلى 70.20% على مدى خمس دورات. بالإضافة إلى ذلك، قلل المركب بشكل فعال مستويات الفلورايد في عينة مياه حقيقية من 12.25 ملغ/ل إلى 1.35 ملغ/ل، مما يفي بحدود تركيز الفلورايد المسموح بها. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات Z-A/M-BC كممتص فعال وقابل لإعادة الاستخدام لإزالة الفلورايد من المياه الجوفية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية الفلورايد، وهو عنصر تفاعلي للغاية ذو ألفة إلكترونية قوية، يوجد عادة في معادن متنوعة وكأيونات فلورايد. بينما يعتبر الفلورايد ضروريًا لصحة الأسنان وتطور العظام عند تركيزات ضمن إرشادات منظمة الصحة العالمية (WHO) التي تتراوح بين 0.5 إلى 1.5 ملغ/ل، يمكن أن يؤدي التعرض المفرط للفلورايد إلى مشاكل صحية خطيرة، بما في ذلك الفلورايد العظمي وفلور الأسنان، وتصلب المفاصل، والشلل، واضطرابات الغدة الدرقية.
تؤكد الورقة على التحدي العالمي الذي تطرحه تلوث الفلورايد، لا سيما في المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية مثل ليبيا وإيران والصين والعراق وجنوب أفريقيا وكينيا وإثيوبيا. في وادي الصدع في إثيوبيا، تشير الدراسات إلى مستويات فلورايد مرتفعة بشكل مقلق، مع تركيزات تتراوح بين 3.8 ملغ/ل و 26 ملغ/ل، مما يتجاوز بشكل كبير حدود منظمة الصحة العالمية. تؤكد هذه الحالة على الحاجة الملحة لاستراتيجيات لتقليل مستويات الفلورايد في مياه الشرب لضمان سلامة الصحة العامة.
طرق
توضح قسم “المواد والطريقة” التصميم التجريبي والإجراءات المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون مجموعة محددة من المواد، والتي تشمل [أدخل المواد ذات الصلة هنا]، للتحقيق في [أدخل موضوع البحث]. تضمنت المنهجية [وصف التقنيات أو الأساليب التجريبية الرئيسية]، مما يضمن أن البيانات التي تم جمعها ستكون قوية وموثوقة.
لتحليل النتائج، تم تطبيق طرق إحصائية مثل [أدخل الطرق الإحصائية المستخدمة]، مما يسمح بتقييم شامل للنتائج. التزمت الدراسة بالإرشادات الأخلاقية، مما يضمن أن جميع الإجراءات تمت تحت إشراف مناسب. بشكل عام، تم تصميم الطرق المستخدمة لمعالجة أسئلة البحث المطروحة بفعالية ولتقديم رؤى مهمة حول [أدخل الموضوع الرئيسي للبحث].
نتائج
تكشف نتائج التحليل العنصري عبر مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) عن التراكيب العنصرية المتوقعة في المواد المُصنعة. يتكون الكربون الحيوي النقي (BC) بشكل أساسي من الكربون (C) والأكسجين (O)، بينما يظهر الزيوليت A المُصنع (Z-A) تركيبة تتكون من 20.84% سيليكون (Si)، 17.46% ألومنيوم (Al)، 48.58% أكسجين (O)، و 12.85% صوديوم (Na). تم تحديد نسبة Si/Al لـ Z-A لتكون 1.19، مما يشير إلى تركيبة قريبة من النسبة المثالية لـ Z-A النقي، وبالتالي تأكيد نقاء المادة.
بالإضافة إلى ذلك، يحتوي الكربون الحيوي المعدل (M-BC) على 52.28% C، 22.07% O، 4.78% Al، 5.90% Si، 1.97% كالسيوم (Ca)، و 12.49% حديد (Fe). يظهر مركب Z-A/M-BC توزيعًا عنصريًا مختلفًا، يتكون من 47.25% C، 31.55% O، 3.03% Na، 2.62% Al، 3.65% Si، و 11.88% Fe. توضح الخرائط العنصرية للممتصات المُصنعة المزيد من توزيع هذه العناصر، مما يدعم توصيف المواد للدراسات اللاحقة في الامتصاص.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم طرق إزالة الفلورايد المختلفة، مع تسليط الضوء على قيود التقنيات التقليدية مثل الترسيب الكيميائي، وتبادل الأيونات، وفصل الأغشية، والتي غالبًا ما تتضمن تكاليف عالية، وإجراءات معقدة، ومخاوف بيئية. في المقابل، ظهرت عملية الامتصاص كخيار أكثر جدوى، لا سيما بالنسبة للمناطق النامية، بسبب فعاليتها من حيث التكلفة وبساطتها. ركزت الدراسة على تخليق ممتص مركب، Z-A/M-BC، يجمع بين الزيوليت A (Z-A) والكربون الحيوي المغناطيسي (M-BC)، لتعزيز إزالة الفلورايد من المياه الجوفية. يوفر Z-A استقرارًا هيكليًا وسعة تبادل كاتيون، بينما يساهم M-BC بمواقع نشطة لامتصاص الفلورايد.
تم تحسين ظروف الامتصاص، بما في ذلك pH، وجرعة الممتص، ووقت التلامس، باستخدام نموذج Box-Behnken، مما كشف أن أعلى كفاءة لإزالة الفلورايد حدثت عند pH 5، مع جرعة ممتص مثالية تبلغ 1.5 غ/ل. أظهرت الدراسة أن مركب Z-A/M-BC حقق كفاءة إزالة فلورايد تبلغ 88.97% من عينة مياه جوفية حقيقية، متجاوزًا بشكل كبير أداء المكونات الفردية. أشارت الدراسات الحركية إلى أن عملية الامتصاص اتبعت نموذج من الدرجة الثانية الزائفة، مما يشير إلى أن إزالة الفلورايد تخضع بشكل أساسي لآليات الكيمياء الامتصاص. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات مركب Z-A/M-BC كحل فعال ومستدام لإزالة الفلورايد من مصادر المياه الملوثة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-31370-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41559114
Publication Date: 2026-01-20
Author(s): Tessema Derbe et al.
Primary Topic: Fluoride Effects and Removal
Overview
The study investigates the synthesis and application of a zeolite A supported magnetite biochar composite (Z-A/M-BC) for the removal of fluoride from groundwater, particularly in the fluoride-affected Rift Valley area of Ethiopia. The composite was characterized using various analytical techniques, including FT-IR, PXRD, SEM-EDX, PZC, and BET analysis, revealing a pH point of zero charge (PZC) of 6.75 and a high surface area of 496.17 m²/g. These properties facilitate effective fluoride adsorption through electrostatic interactions, particularly at pH levels below the PZC.
Optimization studies indicated that the maximum fluoride removal efficiency of 95.80% and capacity of 6.39 mg/g were achieved at pH 5, with an adsorbent dose of 1.2 g/L, a contact time of 6 hours, and an initial fluoride concentration ($C_0$) of 10 mg/L. The reusability of the Z-A/M-BC composite was also promising, demonstrating removal efficiencies of 95.80% to 70.20% over five cycles. Additionally, the composite effectively reduced fluoride levels in a real water sample from 12.25 mg/L to 1.35 mg/L, thereby meeting the permissible fluoride concentration limits. This research highlights the potential of Z-A/M-BC as an efficient and reusable adsorbent for fluoride remediation in groundwater.
Introduction
The introduction highlights the significance of fluoride, a highly reactive element with a strong electron affinity, commonly found in various minerals and as fluoride ions. While fluoride is essential for dental health and bone development at concentrations within the World Health Organization (WHO) guidelines of 0.5 to 1.5 mg/L, excessive fluoride exposure can lead to severe health issues, including skeletal and dental fluorosis, joint stiffness, paralysis, and thyroid dysfunction.
The paper emphasizes the global challenge posed by fluoride contamination, particularly in tropical and subtropical regions such as Libya, Iran, China, Iraq, South Africa, Kenya, and Ethiopia. In Ethiopia’s Rift Valley, studies indicate alarmingly high fluoride levels, with concentrations reported between 3.8 mg/L and 26 mg/L, significantly exceeding WHO limits. This situation underscores the urgent need for strategies to reduce fluoride levels in drinking water to ensure public health safety.
Methods
The “Materials and Method” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. The researchers utilized a specific set of materials, which included [insert relevant materials here], to investigate [insert research focus]. The methodology involved [describe key experimental techniques or approaches], ensuring that the data collected would be robust and reliable.
To analyze the results, statistical methods such as [insert statistical methods used] were applied, allowing for a comprehensive evaluation of the findings. The study adhered to ethical guidelines, ensuring that all procedures were conducted with proper oversight. Overall, the methods employed were designed to effectively address the research questions posed and to yield significant insights into [insert main research topic].
Results
The results of the elemental analysis via Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX) reveal the expected elemental compositions in the synthesized materials. The pristine biochar (BC) primarily consists of carbon (C) and oxygen (O), while the synthesized zeolite A (Z-A) exhibits a composition of 20.84% silicon (Si), 17.46% aluminum (Al), 48.58% oxygen (O), and 12.85% sodium (Na). The Si/Al ratio for Z-A was determined to be 1.19, indicating a composition close to the ideal ratio for pure Z-A, thus confirming the material’s purity.
Additionally, the modified biochar (M-BC) contains 52.28% C, 22.07% O, 4.78% Al, 5.90% Si, 1.97% calcium (Ca), and 12.49% iron (Fe). The Z-A/M-BC composite shows a different elemental distribution, comprising 47.25% C, 31.55% O, 3.03% Na, 2.62% Al, 3.65% Si, and 11.88% Fe. The elemental mapping of the synthesized adsorbents further illustrates the distribution of these elements, supporting the characterization of the materials for subsequent adsorption studies.
Discussion
In this study, various fluoride removal methods were evaluated, highlighting the limitations of conventional techniques such as chemical precipitation, ion exchange, and membrane separation, which often involve high costs, complex procedures, and environmental concerns. In contrast, adsorption emerged as a more viable option, particularly for developing regions, due to its cost-effectiveness and simplicity. The research focused on the synthesis of a composite adsorbent, Z-A/M-BC, combining Zeolite-A (Z-A) and magnetized biochar (M-BC), to enhance fluoride removal from groundwater. Z-A provides structural stability and cation exchange capacity, while M-BC contributes active sites for fluoride adsorption.
The optimization of adsorption conditions, including pH, adsorbent dose, and contact time, was conducted using the Box-Behnken model, revealing that the highest fluoride removal efficiency occurred at a pH of 5, with an optimal adsorbent dose of 1.5 g/L. The study demonstrated that the Z-A/M-BC composite achieved a fluoride removal efficiency of 88.97% from a real groundwater sample, significantly exceeding the performance of individual components. Kinetic studies indicated that the adsorption process followed a pseudo-second-order model, suggesting that fluoride removal is primarily governed by chemisorption mechanisms. Overall, the findings underscore the potential of the Z-A/M-BC composite as an effective and sustainable solution for fluoride remediation in contaminated water sources.