DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-50623-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38167973
تاريخ النشر: 2024-01-02
المؤلف: Ghulam Murtaza وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تتطلب زيادة تلوث التربة والأنظمة المائية بالمواد الكيميائية غير العضوية والعضوية تطوير حلول معالجة اقتصادية وصديقة للبيئة ومستدامة. لقد برز الفحم الحيوي كمواد واعدة لتنظيف الملوثات المختلفة؛ ومع ذلك، فإن شكله الخام غالبًا ما يفشل في تحقيق النتائج المرجوة في المعالجة بسبب القيود الجوهرية. لتعزيز فعاليته، تم استكشاف تقنيات متعددة للتوظيف والتعديل لتحسين الخصائص الفيزيائية والكيميائية والجزيئية للفحم الحيوي. تلخص هذه المراجعة التقدمات الأخيرة في هذه التقنيات، مناقشة آلياتها وتطبيقاتها في معالجة التربة والمياه، مع تحديد الفجوات البحثية والتحديات الحالية.
تشير النتائج إلى أن التعديلات المتعددة على الفحم الحيوي يمكن أن تعزز بشكل كبير كفاءته في المعالجة من خلال إدخال مجموعات وظيفية جديدة، وزيادة مساحة السطح، وتحسين قدرات نقل الإلكترون. على الرغم من هذه التقدمات، لا تزال هناك مخاوف بشأن إمكانية إدخال مواد خطرة أثناء التعديل، واستقرار وسمية الفحم الحيوي المعدل، وأداء الفحم الحيوي القديم على المدى الطويل في المعالجة. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية التحقيق في تقنيات التعديل البيولوجي، واستخدام طرق طيفية وحسابية متقدمة لتوضيح آليات المعالجة، واستكشاف الجوانب العملية لاستعادة الفحم الحيوي والتخلص منه. بالإضافة إلى ذلك، فإن دور الفحم الحيوي في احتجاز الكربون وإمكاناته كتكنولوجيا سلبية للكربون تستدعي مزيدًا من التقييم الكمي لدعم تطبيقه في تحقيق أهداف الحياد الكربوني العالمية.
النتائج
يقدم قسم النتائج تحليلًا شاملاً لمختلف أنواع الفحم الحيوي، وتقنيات تعديلها، وفعاليتها في تثبيت المعادن في التربة. تشير النتائج إلى أن الفحم الحيوي المعدل يعزز بشكل كبير استقرار وتقليل توفر المعادن السامة مقارنة بالفحم الحيوي النقي. على سبيل المثال، أظهر الفحم الحيوي المضاف إليه ثيو يوريا المستخرج من لب الجزر تحسينًا في تحويل الفئات القابلة للتغيير من الزنك والنحاس في التربة، بينما حقق الفحم الحيوي المعالج بماء ملح المغنيسيوم هيدراته تقليلًا بنسبة 50% في قابلية تسرب الرصاص في بقايا غسل التربة.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الفحوم الحيوية المصنعة من قشور الفول السوداني وقش الأرز قدرات ملحوظة في تثبيت الكروم والزرنيخ، على التوالي، مع تقليل في الوصول الحيوي وقابلية التسرب تصل إلى 97% و27%. عززت تعديلات أخرى، مثل معالجة الفريت المنغنيز والثيول، تثبيت الكادميوم والأنتيمون، مع تقليل في الكميات القابلة للاستخراج تتراوح من 33% إلى 76%. بشكل عام، تؤكد الدراسة على إمكانيات الفحوم الحيوية المعدلة كعوامل فعالة للتخفيف من تلوث التربة بالمعادن، مما يعزز الاستدامة البيئية.
المناقشة
يوفر قسم المناقشة في ورقة البحث نظرة شاملة على تقنيات التعديل المختلفة للفحم الحيوي التي تهدف إلى تعزيز وظيفته وفعاليته في أنظمة معالجة المياه. يتم تصنيف هذه التقنيات إلى أربع فئات رئيسية: التعديلات الفيزيائية والكيميائية، التعديلات المغناطيسية، ونقع المعادن. تؤثر التعديلات بشكل كبير على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للفحم الحيوي، كما هو موضح في الجداول المرفقة، التي تقدم بيانات حول التغيرات في معايير مثل الرقم الهيدروجيني، ومحتوى الكربون، ومساحة السطح المحددة (SSA) بعد المعالجة.
تُبرز التعديلات الكيميائية، وخاصة مع الأحماض والقواعد، دورها في إدخال مجموعات وظيفية تعزز قدرات امتصاص الفحم الحيوي للملوثات. تحسن معالجة الأحماض، مثل تلك التي تستخدم HCl وH2SO4، من حموضة السطح ومساميته، مما يؤدي إلى زيادة كفاءات الإزالة للملوثات مثل المعادن الثقيلة والمركبات العضوية. على العكس، تعزز التعديلات القلوية باستخدام عوامل مثل NaOH وKOH من قلوية السطح وتخلق مواقع امتصاص إضافية، مما يحسن من إزالة الملوثات. يناقش القسم أيضًا فعالية معالجة المؤكسدات، التي تزيد من مجموعات الوظائف المحتوية على الأكسجين، مما يسهل التفاعل مع المعادن الثقيلة. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات الفحوم الحيوية المعدلة كمواد ماصة فعالة للمعالجة البيئية، مما يبرز أهمية اختيار تقنيات التعديل المناسبة بناءً على الملوثات المستهدفة والخصائص المرغوبة للفحم الحيوي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-50623-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38167973
Publication Date: 2024-01-02
Author(s): Ghulam Murtaza et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
The increasing pollution of soil and aquatic systems by inorganic and organic chemicals necessitates the development of economical, eco-friendly, and sustainable remediation solutions. Biochar has emerged as a promising material for decontaminating various pollutants; however, its raw form often fails to achieve desired remediation outcomes due to inherent limitations. To enhance its effectiveness, multiple functionalization and modification techniques have been explored to improve the physicochemical and molecular properties of biochar. This review summarizes recent advancements in these techniques, discussing their mechanisms and applications in soil and water remediation, while also identifying existing research gaps and challenges.
The findings indicate that multiple modifications of biochar can significantly enhance its remediation efficiency through the introduction of new functional groups, increased surface area, and improved electron transport capabilities. Despite these advancements, concerns remain regarding the potential introduction of hazardous substances during modification, the stability and ecotoxicity of modified biochars, and the long-term performance of aged biochar in remediation. Future research directions include investigating biological modification techniques, employing advanced spectroscopic and computational methods to elucidate remediation mechanisms, and exploring the practical aspects of biochar recovery and disposal. Additionally, the role of biochar in carbon sequestration and its potential as a carbon-negative technology warrant further quantitative assessment to support its application in achieving global carbon neutrality goals.
Results
The results section presents a comprehensive analysis of various biochar types, their modification techniques, and their effectiveness in immobilizing metalloids in soil. The findings indicate that modified biochars significantly enhance the stabilization and reduction of toxic metal availability compared to pristine biochars. For instance, thiourea-doped biochar derived from carrot pulp demonstrated improved conversion of labile fractions of zinc and copper in soil, while magnesium chloride hexahydrate-treated corncob biochar achieved a 50% reduction in lead leachability in soil-washing residue.
Additionally, engineered biochars from peanut shells and rice straw exhibited remarkable capabilities in immobilizing chromium and arsenic, respectively, with reductions in bioaccessibility and leachability reaching up to 97% and 27%. Other modifications, such as manganese ferrite and thiol treatments, further enhanced the immobilization of cadmium and antimony, with reductions in extractable amounts ranging from 33% to 76%. Overall, the study underscores the potential of modified biochars as effective agents for mitigating soil contamination by metalloids, thereby promoting environmental sustainability.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive overview of various modification techniques for biochar aimed at enhancing its functionality and effectiveness in water treatment systems. These techniques are categorized into four main classes: physical and chemical modifications, magnetic modifications, and mineral soaking. The modifications significantly alter the physiochemical properties of biochar, as detailed in the accompanying tables, which present data on changes in parameters such as pH, carbon content, and specific surface area (SSA) after treatment.
Chemical modifications, particularly with acids and alkalis, are highlighted for their role in introducing functional groups that enhance biochar’s adsorption capabilities for contaminants. Acid treatments, such as those using HCl and H2SO4, improve surface acidity and porosity, leading to increased removal efficiencies for pollutants like heavy metals and organic compounds. Conversely, alkaline modifications using agents like NaOH and KOH enhance surface basicity and create additional sorption sites, further improving pollutant removal. The section also discusses the effectiveness of oxidant treatments, which increase oxygen-containing functional groups, thereby facilitating complexation with heavy metals. Overall, the findings underscore the potential of modified biochars as effective adsorbents for environmental remediation, emphasizing the importance of selecting appropriate modification techniques based on the target contaminants and desired biochar properties.