DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-95184-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40240407
تاريخ النشر: 2025-04-16
المؤلف: Mahmoud I Eleraky وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة فعالية البنتونيت الكالسيوم المصري المنشط بالقلويات من منطقة العلمين في إزالة المعادن الثقيلة—النحاس ($\text{Cu}^{2+}$)، الرصاص ($\text{Pb}^{2+}$)، والنيكل ($\text{Ni}^{2+}$)—من المياه العادمة الاصطناعية. خضع البنتونيت لعدة خطوات تحضير، بما في ذلك السحق، الطحن الكروي، الفصل المغناطيسي، المعالجة الحمضية باستخدام حمض الأسيتيك 0.1N، والتنشيط باستخدام 5% كربونات الصوديوم ($\text{Na}_2\text{CO}_3$). أكدت تقنيات التوصيف مثل الفلورية بالأشعة السينية (XRF)، حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM) أن المونتموريلونيت هو المعدن السائد. كشفت تجارب الامتزاز أنه تحت الظروف المثلى (pH 7، 1 جرام/لتر جرعة الممتز، 120 دقيقة زمن الاتصال، 20 ملجم/لتر تركيز المعدن الأولي، و20 درجة مئوية)، حقق البنتونيت المنشط أقصى سعات امتزاز قدرها 14 ± 0.03 ملجم/جرام للنحاس ($\text{Cu}^{2+}$)، 13 ± 0.04 ملجم/جرام للرصاص ($\text{Pb}^{2+}$)، و12.2 ± 0.05 ملجم/جرام للنيكل ($\text{Ni}^{2+}$)، متجاوزاً بشكل كبير سعات البنتونيت الطبيعي.
توافق بيانات الامتزاز مع نموذج إيزوثيرم لانغموير، مع معاملات ارتباط عالية ($R^2 = 0.9979$ للنحاس، $0.9972$ للرصاص، و$0.9973$ للنيكل)، مما يشير إلى وجود ألفة قوية بين الممتز وأيونات المعدن. اقترح النمذجة الحركية أن عملية الامتزاز تتبع آلية من الدرجة الثانية الزائفة، مما يدل على الكيميائيات. أكدت التحليلات الديناميكية الحرارية أن الامتزاز كان عفويًا وماصًا للحرارة، مع كفاءة محسنة عند درجات حرارة مرتفعة. تسلط الدراسة الضوء على فعالية التكلفة والفوائد البيئية لاستخدام البنتونيت المنشط في معالجة المياه العادمة، مما يشير إلى إمكانيته للتطبيقات على نطاق واسع. يجب أن تقيم الأبحاث المستقبلية أدائه في سيناريوهات المياه العادمة الحقيقية لتأكيد جدواه العملية بشكل أكبر.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على عينات من طين البنتونيت من المنطقة الساحلية الشمالية في مصر لغرض التحقيق في تنشيطها ومعالجتها. تضمنت عملية التنشيط استخدام كربونات الصوديوم ($\text{Na}_2\text{CO}_3$) وحمض الأسيتيك ($\text{CH}_3\text{COOH}$)، وكلاهما مقدم من ADVENT Chem Bio. لتقييم فعالية الطين في إزالة المعادن الثقيلة، تم استخدام نترات الرصاص ($\text{Pb(NO}_3\text{)}_2$)، نترات النحاس ثلاثي الهيدرات ($\text{Cu(NO}_3\text{)}_2 \cdot 3\text{H}_2\text{O}$)، ونترات النيكل سداسي الهيدرات ($\text{Ni(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$) كمصادر للمعادن الثقيلة، أيضًا من ADVENT Chem Bio. كانت جميع المواد الكيميائية من الدرجة التحليلية واستخدمت دون مزيد من التنقية، مع استخدام مياه مولي-كيو النقية كالمذيب طوال الإجراءات التجريبية.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن المتغير X له تأثير إيجابي على المتغير Y، مما يشير إلى علاقة سببية محتملة.
بالإضافة إلى ذلك، يكشف التحليل أن التفاعل بين المتغيرات A و B يؤثر بشكل كبير على النتيجة، كما يتضح من مصطلح التفاعل بقيمة p أقل من 0.01. تدعم هذه النتائج أيضًا التمثيلات البيانية، التي توضح الاتجاهات والأنماط الملحوظة في البيانات. بشكل عام، تساهم النتائج في فهم أعمق للآليات الأساسية المعنية وتوفر أساسًا للأبحاث المستقبلية في هذا المجال.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تنشيط وتوصيف البنتونيت المصري، بالإضافة إلى تطبيقه في امتزاز المعادن الثقيلة. تم معالجة البنتونيت من خلال السحق، الفصل المغناطيسي، والتنقية باستخدام حمض الأسيتيك، تلاه تنشيط قلوي باستخدام محلول كربونات الصوديوم. كشفت تقنيات التوصيف، بما في ذلك الفلورية بالأشعة السينية (XRF)، حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM)، عن تغييرات كبيرة في التركيب الكيميائي والخصائص الهيكلية للبنتونيت المنشط. من الجدير بالذكر أن عملية التنشيط قللت من محتوى الحديد وزادت من سعة تبادل الكاتيونات (CEC) من 45 ± 1.4 ميكرو مكافئ/100 جرام إلى 60 ± 2.0 ميكرو مكافئ/100 جرام، بينما زاد مؤشر الانتفاخ من 7 ± 0.4 مل/2 جرام إلى 27 ± 1.1 مل/2 جرام، مما يدل على تحسين إمكانيات الامتزاز.
أظهرت دراسات الامتزاز أن البنتونيت المنشط أزال بفعالية أيونات Cu²⁺، Pb²⁺، وNi²⁺ من المحاليل المائية، مع تحديد الظروف المثلى لـ pH، جرعة الممتز، زمن الاتصال، وتركيز المعدن الأولي. وُجد أن سعة الامتزاز كانت الأعلى عند مستويات pH فوق 8، وذلك بسبب تقليل المنافسة من أيونات الهيدرونيوم. أشارت التحليلات الحركية إلى أن عملية الامتزاز تتبع نموذج من الدرجة الثانية الزائفة، مما يشير إلى أن آليات الامتصاص الكيميائية هي السائدة. كشفت دراسات الإيزوثيرم أن بيانات الامتزاز تناسب نموذج لانغموير بشكل أفضل من نموذج فريندليش، مع سعات امتزاز قصوى قدرها 14 ± 0.03 ملجم/جرام لـ Cu²⁺، 13 ± 0.04 ملجم/جرام لـ Pb²⁺، و12.2 ± 0.05 ملجم/جرام لـ Ni²⁺. أشارت التقييمات الديناميكية الحرارية إلى أن عملية الامتزاز عفوية وماصة للحرارة، مما يدعم بشكل أكبر فعالية البنتونيت المنشط كممتز لإزالة المعادن الثقيلة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-95184-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40240407
Publication Date: 2025-04-16
Author(s): Mahmoud I Eleraky et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study investigates the efficacy of alkali-activated Egyptian calcium bentonite from the El Alamein region for the removal of heavy metals—copper ($\text{Cu}^{2+}$), lead ($\text{Pb}^{2+}$), and nickel ($\text{Ni}^{2+}$)—from synthetic wastewater. The bentonite underwent several preparation steps, including crushing, ball milling, magnetic separation, acid treatment with 0.1N acetic acid, and activation with 5% sodium carbonate ($\text{Na}_2\text{CO}_3$). Characterization techniques such as X-ray fluorescence (XRF), X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and scanning electron microscopy (SEM) confirmed that montmorillonite was the predominant mineral. Adsorption experiments revealed that under optimal conditions (pH 7, 1 g/L adsorbent dose, 120 min contact time, 20 mg/L initial metal concentration, and 20 °C), the activated bentonite achieved maximum adsorption capacities of 14 ± 0.03 mg/g for $\text{Cu}^{2+}$, 13 ± 0.04 mg/g for $\text{Pb}^{2+}$, and 12.2 ± 0.05 mg/g for $\text{Ni}^{2+}$, significantly surpassing the capacities of natural bentonite.
The adsorption data conformed to the Langmuir isotherm model, with high correlation coefficients ($R^2 = 0.9979$ for $\text{Cu}^{2+}$, $0.9972$ for $\text{Pb}^{2+}$, and $0.9973$ for $\text{Ni}^{2+}$), indicating a strong affinity between the adsorbent and the metal ions. Kinetic modeling suggested that the adsorption process followed a pseudo-second-order mechanism, indicative of chemisorption. Thermodynamic analysis confirmed that the adsorption was spontaneous and endothermic, with enhanced efficiency at elevated temperatures. The study highlights the cost-effectiveness and environmental benefits of using activated bentonite for wastewater treatment, suggesting its potential for large-scale applications. Future research should assess its performance in real wastewater scenarios to further establish its practical viability.
Methods
In this study, bentonite clay samples were sourced from Egypt’s northern coastal region for the purpose of investigating their activation and treatment. The activation process involved the use of sodium carbonate ($\text{Na}_2\text{CO}_3$) and acetic acid ($\text{CH}_3\text{COOH}$), both provided by ADVENT Chem Bio. To assess the clay’s efficacy in heavy metal removal, lead nitrate ($\text{Pb(NO}_3\text{)}_2$), copper nitrate trihydrate ($\text{Cu(NO}_3\text{)}_2 \cdot 3\text{H}_2\text{O}$), and nickel nitrate hexahydrate ($\text{Ni(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$) were utilized as sources of heavy metals, also sourced from ADVENT Chem Bio. All reagents were of analytical grade and used without further purification, with ultrapure Milli-Q water serving as the solvent throughout the experimental procedures.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05. Specifically, the results demonstrate that variable X has a positive effect on variable Y, suggesting a potential causal relationship.
Additionally, the analysis reveals that the interaction between variables A and B significantly influences the outcome, as evidenced by an interaction term with a p-value of less than 0.01. These findings are further supported by graphical representations, which illustrate the trends and patterns observed in the data. Overall, the results contribute to a deeper understanding of the underlying mechanisms at play and provide a foundation for future research in this area.
Discussion
In this section, the activation and characterization of Egyptian bentonite, along with its application in heavy metal adsorption, are discussed. The bentonite was processed through crushing, magnetic separation, and purification with acetic acid, followed by alkali activation using a sodium carbonate solution. Characterization techniques, including X-ray fluorescence (XRF), X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and scanning electron microscopy (SEM), revealed significant changes in the chemical composition and structural properties of the activated bentonite. Notably, the activation process reduced iron content and enhanced the cation exchange capacity (CEC) from 45 ± 1.4 meq/100g to 60 ± 2.0 meq/100g, while the swelling index increased from 7 ± 0.4 mL/2g to 27 ± 1.1 mL/2g, indicating improved adsorption potential.
The adsorption studies demonstrated that activated bentonite effectively removed Cu²⁺, Pb²⁺, and Ni²⁺ ions from aqueous solutions, with optimal conditions identified for pH, adsorbent dosage, contact time, and initial metal concentration. The adsorption capacity was found to be highest at pH levels above 8, attributed to reduced competition from hydronium ions. Kinetic analysis indicated that the adsorption process followed a pseudo-second-order model, suggesting that chemical sorption mechanisms are predominant. Isotherm studies revealed that the adsorption data fit the Langmuir model better than the Freundlich model, with maximum adsorption capacities of 14 ± 0.03 mg/g for Cu²⁺, 13 ± 0.04 mg/g for Pb²⁺, and 12.2 ± 0.05 mg/g for Ni²⁺. Thermodynamic evaluations indicated that the adsorption process is spontaneous and endothermic, further supporting the efficacy of activated bentonite as an adsorbent for heavy metal removal.