DOI: https://doi.org/10.46481/asr.2026.5.1.367
تاريخ النشر: 2026-02-10
المؤلف: Emmanuel Amuntse Yerima وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة القضية البيئية للجريان الزراعي الذي يحتوي على مستويات عالية من اليوريا، حيث تحقق في فعالية الطين الكروي الحمضي كمواد ماصة لإزالة اليوريا من مياه الصرف. من خلال منهجية سطح الاستجابة (RSM)، تحدد الدراسة الظروف المثلى لامتصاص اليوريا، بما في ذلك درجة حموضة 3، ودرجة حرارة 35 درجة مئوية، وجرعة ماصة قدرها 3.75 جرام، ووقت تلامس قدره 30 دقيقة. تكشف تقنيات التوصيف مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM) عن الخصائص الهيكلية للطين الكروي الحمضي، مما يشير إلى تشكيل مسام كبيرة ووجود هياكل نانوية كروية بعد الامتصاص.
تظهر النتائج أن الطين الكروي الحمضي يحقق كفاءة إزالة قصوى لليوريا تصل إلى 89.14%، مع سعة امتصاص تبلغ 1815.3 ملغ/جرام من تركيز أولي قدره 152.7 ملغ/لتر. تتماشى النتائج بشكل وثيق مع توقعات RSM، التي قدرت كفاءة الإزالة بنسبة 91.6% ومؤشر الرغبة 1.000، مما يثبت عملية التحسين. تستنتج الدراسة أن الطين الكروي المعدل بالحمض هو ماص واعد لإزالة اليوريا في المياه العادمة الزراعية، موصية بمزيد من التحقيق في أيزوثيرم الامتصاص ونماذج الديناميكا لتحسين فهم الآليات الأساسية والتطبيقات العملية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للمدخلات الزراعية، وخاصة الأسمدة اليورية، في تلبية الطلبات الغذائية العالمية، مع التأكيد أيضًا على التحديات البيئية التي تطرحها عند إدارتها بشكل غير صحيح. يمكن أن تؤدي المياه العادمة الزراعية، الناتجة عن ممارسات مثل الري والتسميد، إلى تلوث المسطحات المائية بمواد غذائية زائدة مثل اليوريا والفوسفات والنيترات، مما يؤدي إلى الإثراء الغذائي وتأثيرات ضارة على النظم البيئية المائية. بالإضافة إلى ذلك، فإن الجريان الناتج عن تطبيق المبيدات ومخلفات الماشية يزيد من تلوث المياه، مما يستلزم طرق معالجة فعالة.
لتخفيف تلوث اليوريا، تم استكشاف استراتيجيات معالجة متنوعة، بما في ذلك الطرق البيولوجية والكيميائية، حيث برز الامتصاص كنهج واعد بشكل خاص بسبب كفاءته وفعاليته من حيث التكلفة. تركز الدراسة على استخدام الطين الكروي، وهو نوع من الطين الكاوليني المعروف بخصائصه الممتازة في الامتصاص، كمواد ماصة لإزالة اليوريا. تهدف إلى تحسين عملية الامتصاص من خلال التحقيق في المعلمات الرئيسية مثل درجة الحموضة ودرجة الحرارة وجرعة الماص ووقت التلامس باستخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM). تسعى الدراسة إلى تعزيز فهم آليات الامتصاص وتحديد الظروف المثلى لإزالة اليوريا بشكل فعال، مما يساهم في الممارسات الزراعية المستدامة وتقليل آثار الإثراء الغذائي على النظم البيئية المائية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام تصميم تجريبي باستخدام “Design Expert version 13” لإجراء تجارب امتصاص دفعية تهدف إلى تقييم إزالة اليوريا باستخدام الطين الكروي المعدل (MBC) كمواد ماصة. تضمن التصميم تصميم Box-Behnken (BBD) ضمن إطار منهجية سطح الاستجابة (RSM)، مما أسفر عن 29 تجربة فريدة تختلف في المعلمات الرئيسية: درجة الحرارة (25-45 درجة مئوية)، جرعة الطين الكروي (1.5-6.0 جرام)، مستويات الحموضة (3-11)، وأوقات التلامس (30-90 دقيقة). تضمنت كل تجربة إعداد محلول 50 مل من المياه العادمة الزراعية مع تركيز أولي لليوريا قدره 152.7 ملغ/لتر، وضبط درجة الحموضة باستخدام 0.1 م HCl وNaOH، وتوازن الخليط عند 35 درجة مئوية قبل التحريك.
تم تسهيل عملية الامتصاص باستخدام مهتز دوراني لمدة 60 دقيقة لتعزيز التفاعل بين اليوريا ومواد الامتصاص MBC. بعد التحريك، تم تصفية العينات، وتم قياس تركيز اليوريا المتبقي في المصفاة باستخدام طريقة كيلدال المعدلة. تم تعيين المادة المتبقية بعد التصفية كطين كروي معدل بعد الامتصاص (MBCAA) لمزيد من التوصيف. سمح هذا النهج المنهجي بإجراء تحليل شامل للعوامل المؤثرة على كفاءة إزالة اليوريا.
نتائج
تشير نتائج الدراسة حول إزالة اليوريا بالامتصاص من المياه العادمة الزراعية إلى عملية متعددة المراحل تتضمن توصيف الطين الكروي لتقييم خصائص سطحه وإمكانات الامتصاص. استخدمت الدراسة منهجية سطح الاستجابة (RSM) للتحقيق بشكل منهجي في تأثيرات المتغيرات الرئيسية، بما في ذلك تركيز اليوريا الأولي، ودرجة حموضة المحلول، ودرجة الحرارة، على كفاءة إزالة اليوريا.
من خلال هذا التصميم التجريبي، تم تحليل التفاعلات بين هذه العوامل لتحديد الظروف المثلى لتعظيم امتصاص اليوريا. تسهم النتائج في فهم أفضل لعملية الامتصاص وتسلط الضوء على إمكانيات الطين الكروي كمواد ماصة فعالة لمعالجة المياه العادمة الزراعية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم فعالية الطين الكروي المعدل بالحمض (MBC) في إزالة اليوريا من المياه العادمة الزراعية، حيث حقق كفاءة إزالة قدرها 89.14% عند جرعة مثلى قدرها 3.75 جرام، ودرجة حموضة 3، ودرجة حرارة 35 درجة مئوية، مع سعة امتصاص قصوى تبلغ 1815.3 ملغ/جرام. تم تعديل الطين الكروي، الذي يتميز بمحتوى كاولينيت يبلغ حوالي 75%، باستخدام حمض الكبريتيك لتعزيز خصائصه الممتصة. تم تحليل عملية الامتصاص من خلال طرق متنوعة، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والتي أكدت التغيرات في مورفولوجيا السطح والمجموعات الوظيفية بعد الامتصاص.
استخدمت الدراسة منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتحسين الظروف لإزالة اليوريا، متوقعة كفاءة إزالة قصوى تبلغ 91.6% تحت الظروف المثلى. تطابقت النتائج التجريبية بشكل وثيق مع توقعات النموذج، مما يثبت عملية التحسين. وُجد أن عوامل مثل جرعة الماص، ودرجة الحموضة، ووقت التلامس، ودرجة الحرارة تؤثر بشكل كبير على امتصاص اليوريا، حيث لوحظت أعلى كفاءة عند مستويات حموضة أقل بسبب تعزيز التفاعلات الكهروستاتيكية. تشير النتائج إلى أن MBC هو ماص واعد لمعالجة المياه العادمة، ويوصى بمزيد من البحث لاستكشاف أيزوثيرم الامتصاص ونماذج الديناميكا لفهم الآليات الأساسية بشكل أفضل.
DOI: https://doi.org/10.46481/asr.2026.5.1.367
Publication Date: 2026-02-10
Author(s): Emmanuel Amuntse Yerima et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study addresses the environmental issue of agricultural runoff containing high levels of urea, investigating the efficacy of acidified ball clay as an adsorbent for urea removal from wastewater. Through response surface methodology (RSM), the research identifies optimal conditions for urea adsorption, including a pH of 3, a temperature of 35 °C, an adsorbent dosage of 3.75 g, and a contact time of 30 minutes. Characterization techniques such as scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) reveal the structural properties of the acidified ball clay, indicating significant pore formation and the presence of spherical nanostructures post-adsorption.
The findings demonstrate that acidified ball clay achieves a maximum urea removal efficiency of 89.14%, with an adsorption capacity of 1815.3 mg/g from an initial concentration of 152.7 mg/L. The results align closely with RSM predictions, which estimated a removal efficiency of 91.6% and a desirability index of 1.000, validating the optimization process. The study concludes that acid-modified ball clay is a promising adsorbent for urea removal in agricultural effluents, recommending further investigation into adsorption isotherms and kinetic models to enhance understanding of the underlying mechanisms and practical applications.
Introduction
The introduction highlights the critical role of agricultural inputs, particularly urea fertilizers, in addressing global food demands while also emphasizing the environmental challenges they pose when mismanaged. Agricultural effluents, resulting from practices such as irrigation and fertilization, can contaminate water bodies with excess nutrients like urea, phosphate, and nitrate, leading to eutrophication and detrimental effects on aquatic ecosystems. Additionally, the runoff from pesticide application and livestock waste further exacerbates water pollution, necessitating effective treatment methods.
To mitigate urea contamination, various treatment strategies have been explored, including biological and chemical methods, with adsorption emerging as a particularly promising approach due to its efficiency and cost-effectiveness. The study focuses on the use of ball clay, a type of kaolin clay known for its excellent adsorption properties, as an adsorbent for urea removal. It aims to optimize the adsorption process by investigating key parameters such as pH, temperature, adsorbent dosage, and contact time using Response Surface Methodology (RSM). The research seeks to enhance understanding of the adsorption mechanisms and establish optimal conditions for effective urea removal, ultimately contributing to sustainable agricultural practices and the reduction of eutrophication impacts on aquatic ecosystems.
Methods
In this study, the experimental design utilized “Design Expert version 13” to conduct batch adsorption experiments aimed at evaluating urea removal using Modified Ball Clay (MBC) as an adsorbent. The design incorporated a Box-Behnken Design (BBD) within the framework of Response Surface Methodology (RSM), resulting in 29 unique experimental runs that varied key parameters: temperature (25-45 °C), ball clay dosage (1.5-6.0 g), pH levels (3-11), and contact times (30-90 minutes). Each run involved preparing a 50 mL solution of agricultural effluent with an initial urea concentration of 152.7 mg/L, adjusting the pH using 0.1 M HCl and NaOH, and equilibrating the mixture at 35 °C before agitation.
The adsorption process was facilitated using a cycling vibrator for 60 minutes to enhance interaction between urea and the MBC adsorbent. Following agitation, samples were filtered, and the residual urea concentration in the filtrates was quantified using a modified Kjeldahl method. The residual material post-filtration was designated as Modified Ball Clay After Adsorption (MBCAA) for further characterization. This systematic approach allowed for a comprehensive analysis of the factors influencing urea removal efficiency.
Results
The results of the study on the adsorptive removal of urea from agricultural effluents indicate a multi-stage process involving the characterization of ball clay to evaluate its surface properties and adsorption potential. The research utilized response surface methodology (RSM) to systematically investigate the effects of key variables, including initial urea concentration, solution pH, and temperature, on the efficiency of urea removal.
Through this experimental design, the interactions among these factors were analyzed to determine optimal conditions for maximizing urea adsorption. The findings contribute to a better understanding of the adsorption process and highlight the potential of ball clay as an effective adsorbent for treating agricultural wastewater.
Discussion
In this study, acid-modified ball clay (MBC) was evaluated for its effectiveness in removing urea from agricultural effluents, achieving a removal efficiency of 89.14% at an optimal dosage of 3.75 g, pH 3, and temperature of 35 °C, with a maximum adsorption capacity of 1815.3 mg/g. The ball clay, characterized by a kaolinite content of approximately 75%, was modified using sulfuric acid to enhance its adsorptive properties. The adsorption process was analyzed through various methods, including Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), and Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, which confirmed changes in surface morphology and functional groups post-adsorption.
The study employed Response Surface Methodology (RSM) to optimize the conditions for urea removal, predicting a maximum removal efficiency of 91.6% under ideal conditions. The experimental results closely matched the model predictions, validating the optimization process. Factors such as adsorbent dosage, pH, contact time, and temperature were found to significantly influence urea adsorption, with the highest efficiency observed at lower pH levels due to enhanced electrostatic interactions. The findings suggest that MBC is a promising adsorbent for wastewater treatment, and further research is recommended to explore adsorption isotherms and kinetic models to better understand the underlying mechanisms.