DOI: https://doi.org/10.3934/environsci.2026005
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Hugo Sánchez-Moreno وآخرون
الموضوع الرئيسي: تلوث الزرنيخ والتخفيف
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تخليق وتطبيق جزيئات نانوية من أكسيد الحديد المغناطيسي (FeNPs-CR) المستمدة من مستخلص قشر اليوسفي (Citrus reticulata) لإزالة الزرنيخ (As) من الماء، مما يعالج قضية عالمية هامة تتعلق بتلوث المياه الناجم عن المعادن الثقيلة. تم تخليق الجزيئات النانوية باستخدام طريقة الترسيب المشترك وتمت مميزاتها من خلال تقنيات مختلفة، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتشتت الضوء الديناميكي (DLS)، مما يكشف عن جزيئات شبه كروية بأحجام تتراوح من 70 إلى 300 نانومتر. أظهرت تجارب الامتصاص كفاءات إزالة ملحوظة تتجاوز 99% للزرنيخ بتركيز 20 ملغ/لتر خلال 10-30 دقيقة، وأكثر من 95% لتركيزات أعلى (50-120 ملغ/لتر). تم وصف حركيات الامتصاص بشكل أفضل بواسطة نموذج الترتيب الزائف من الدرجة الثانية، بينما تناسب بيانات التوازن مع معادلة فريندليش (R² = 0.97)، مما يشير إلى امتصاص متعدد الطبقات بسعة قصوى تبلغ 227.27 ملغ/غ.
تسلط الدراسة الضوء على أن إزالة الزرنيخ المثلى تحدث في ظل ظروف حمضية (pH 1-3) ودرجات حرارة منخفضة (أقل من 35 °م)، مؤكدة الطبيعة الطاردة للحرارة لعملية الامتصاص مع قيم طاقة غيبس الحرة السلبية (ΔG° = -7.66 إلى -11.14 كيلوجول/مول). لا يسهل استخدام مستخلص قشر اليوسفي فقط التخليق الأخضر لـ FeNPs-CR ولكنه يعزز أيضًا استقرارها وسعة امتصاصها من خلال توفير مجموعات وظيفية سطحية إضافية. تشير النتائج إلى أن FeNPs-CR تمثل حلاً واعدًا ومستدامًا وفعالًا من حيث التكلفة لإزالة الزرنيخ في تطبيقات معالجة المياه. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف فعاليتها في عينات المياه الطبيعية وتقييم تأثير الأنواع المتنافسة على أداء الامتصاص.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على القضية الحرجة لتلوث المياه بالزرنيخ (As)، والذي يشكل مخاطر بيئية وصحية عامة كبيرة بسبب سميته العالية واستمراريته. يدخل الزرنيخ إلى الأنظمة المائية من عمليات طبيعية، مثل تآكل المعادن، وأنشطة بشرية، بما في ذلك التعدين والممارسات الزراعية. يرتبط التعرض المزمن للزرنيخ بمشاكل صحية خطيرة، بما في ذلك السرطان واضطرابات القلب والأوعية الدموية، بينما يؤدي تأثيره البيئي إلى تقليل التنوع البيولوجي وتهديد الأمن الغذائي. وضعت منظمة الصحة العالمية إرشادات صارمة للزرنيخ في مياه الشرب عند 10 ميكروغرام/لتر، ومع ذلك يمكن أن تكون التركيزات في المياه المتأثرة بالتعدين أعلى بكثير، مما يعقد جهود التخفيف.
تؤكد الورقة على التحديات في إزالة الزرنيخ، خاصة بسبب وجود الأنواع من الزرنيخيت [As(III)] والزرنيخات [As(V)]، حيث يكون As(III) أكثر سمية وحركية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تعيق الأنيونات المتنافسة في الماء كفاءة الإزالة. لمعالجة هذه التحديات، تستكشف الدراسة إمكانيات الجزيئات النانوية المعتمدة على الحديد التي تم تخليقها عبر طرق خضراء باستخدام مستخلص قشر اليوسفي، الغني بالجزيئات الحيوية الوظيفية التي تساعد في استقرار الجزيئات النانوية وتعزز سعة الامتصاص للزرنيخ. تشمل الأهداف تخليق هذه الجزيئات النانوية، وتقييم فعاليتها في إزالة الزرنيخ تحت ظروف مختلفة، والتحقيق في حركيات وحرارية عملية الامتصاص. تهدف هذه الدراسة إلى المساهمة في تطوير مواد نانوية مستدامة وفعالة من حيث التكلفة لإزالة الزرنيخ في البيئات المتأثرة بالتعدين.
الطرق
في هذه الدراسة، تضمنت المنهجية استخدام مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية والمواد الأساسية للإجراءات التجريبية. تم الحصول على كلوريد الحديد الثنائي رباعي الماء (FeCl₂•4H₂O) من شركة LOBA Chemie Pvt. Ltd.، بينما تم شراء كلوريد الحديد الثلاثي سداسي الماء (FeCl₃•6H₂O)، وهيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، ويوديد البوتاسيوم، وحمض الأسكوربيك من شركة ISOLAB Laborgeräte GmbH. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على محلول قياسي معتمد من الزرنيخ بتركيز 1000 ملغ/لتر من AccuStandard. كانت جميع المواد الكيميائية والمذيبات المستخدمة من الدرجة التحليلية وتم استخدامها دون مزيد من التنقية، مما يضمن سلامة النتائج التجريبية.
لإعداد المحلول، تم استخدام مياه Milli-Q، التي تتميز بمقاومة تبلغ 18.2 مΩ•سم عند 298 كلفن، مما يبرز التركيز على المواد الكيميائية والمذيبات عالية النقاء في المنهجية. تعتبر هذه الاختيارات الدقيقة للمواد حاسمة لتحقيق نتائج موثوقة وقابلة للتكرار في الدراسة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة واضحة بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، تُظهر النتائج أن النموذج المقترح يتنبأ بدقة بسلوك النظام، مع معامل تحديد ($R^2$) يتجاوز 0.85، مما يشير إلى توافق قوي مع البيانات الملاحظة. تدعم هذه النتائج الفرضية وتوفر أساسًا قويًا لاستكشاف المزيد من الآثار في المجال المعني.
المناقشة
في هذا القسم، يتم وصف المنهجية للحصول على وتحضير عينات قشر اليوسفي من الإكوادور، مع التركيز على عملية الاختيار والتنظيف الدقيقة لتجنب التلوث. تم تجفيف القشور في الهواء ثم تجفيفها للحفاظ على خصائصها المضادة للأكسدة قبل أن يتم طحنها للاستخدام لاحقًا. تم إعداد مستخلص مائي من قشور اليوسفي عن طريق غلي المادة المسحوقة في الماء المقطر، مع كميات متغيرة من مسحوق القشر تؤدي إلى تركيزات مستخلص مختلفة تم تصنيفها على أنها M1 وM2 وM3.
تم تحقيق تخليق جزيئات نانوية من أكسيد الحديد (FeNPs-CR) باستخدام طريقة الترسيب المشترك التي تشمل أملاح الحديد ومستخلص قشر اليوسفي، الذي عمل كعامل مختزل ومستقر. تم ضبط الرقم الهيدروجيني على 10 لتعزيز تشتت الجسيمات وتقليل التكتل. تم إجراء توصيف الجزيئات النانوية باستخدام تقنيات مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، مما يكشف عن أحجام الجسيمات التي تتراوح من 70 إلى 300 نانومتر ويؤكد وجود مجموعات وظيفية من مستخلص اليوسفي التي تساهم في استقرار الجزيئات النانوية. أظهرت الجزيئات النانوية التي تم تخليقها سعات امتصاص عالية للزرنيخ تحت ظروف تجريبية مختلفة، مع أداء مثالي لوحظ عند مستويات pH الحمضية وأوقات اتصال محددة، مما يشير إلى إمكانياتها في التخفيف الفعال من المعادن الثقيلة في الأنظمة المائية.
DOI: https://doi.org/10.3934/environsci.2026005
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Hugo Sánchez-Moreno et al.
Primary Topic: Arsenic contamination and mitigation
Overview
This research investigates the synthesis and application of magnetic iron oxide nanoparticles (FeNPs-CR) derived from tangerine (Citrus reticulata) peel extract for the removal of arsenic (As) from water, addressing a significant global issue of water pollution caused by heavy metals. The nanoparticles were synthesized using a coprecipitation method and characterized through various techniques, including scanning electron microscopy (SEM) and dynamic light scattering (DLS), revealing quasi-spherical particles with sizes ranging from 70 to 300 nm. The adsorption experiments demonstrated remarkable removal efficiencies exceeding 99% for 20 mg/L As within 10-30 minutes, and over 95% for higher concentrations (50-120 mg/L). The adsorption kinetics were best described by the pseudosecond-order model, while equilibrium data fitted the Freundlich isotherm (R² = 0.97), indicating multilayer adsorption with a maximum capacity of 227.27 mg/g.
The study highlights that optimal arsenic removal occurs under acidic conditions (pH 1-3) and lower temperatures (below 35 °C), confirming the exothermic nature of the adsorption process with negative Gibbs free energy values (ΔG° = -7.66 to -11.14 kJ/mol). The use of Citrus reticulata peel extract not only facilitates the green synthesis of FeNPs-CR but also enhances their stability and adsorption capacity by providing additional surface functional groups. The findings suggest that FeNPs-CR are a promising, sustainable, and cost-effective solution for arsenic removal in water treatment applications. Future research is recommended to explore their effectiveness in natural water samples and assess the impact of competing species on adsorption performance.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical issue of arsenic (As) contamination in water, which poses significant environmental and public health risks due to its high toxicity and persistence. As enters aquatic systems from both natural processes, such as mineral weathering, and anthropogenic activities, including mining and agricultural practices. Chronic exposure to As is linked to severe health problems, including cancer and cardiovascular disorders, while its ecological impact leads to reduced biodiversity and compromised food security. The World Health Organization has set stringent guidelines for As in drinking water at 10 μg/L, yet concentrations in mining-affected waters can be significantly higher, complicating remediation efforts.
The paper emphasizes the challenges in removing As, particularly due to the presence of arsenite [As(III)] and arsenate [As(V)] species, with As(III) being more toxic and mobile. Additionally, competing anions in water can hinder removal efficiency. To address these challenges, the study explores the potential of iron-based nanoparticles synthesized via green methods using Citrus reticulata peel extract, which is rich in functional biomolecules that aid in nanoparticle stabilization and enhance adsorption capacity for As. The objectives include synthesizing these nanoparticles, evaluating their effectiveness in As removal under various conditions, and investigating the kinetics and thermodynamics of the adsorption process. This research aims to contribute to the development of sustainable and cost-effective nanomaterials for As remediation in mining-impacted environments.
Methods
In this study, the methodology involved the use of various reagents and materials essential for the experimental procedures. Ferrous chloride tetrahydrate (FeCl₂•4H₂O) was sourced from LOBA Chemie Pvt. Ltd., while ferric chloride hexahydrate (FeCl₃•6H₂O), sodium hydroxide (NaOH), potassium iodide, and ascorbic acid were procured from ISOLAB Laborgeräte GmbH. Additionally, a certified arsenic standard solution with a concentration of 1000 mg/L was obtained from AccuStandard. All chemicals and solvents utilized were of analytical grade and employed without further purification, ensuring the integrity of the experimental results.
For solution preparation, Milli-Q water, characterized by a resistivity of 18.2 MΩ•cm at 298 K, was used, highlighting the emphasis on high-purity reagents and solvents in the methodology. This careful selection of materials is critical for achieving reliable and reproducible results in the study.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicates a clear correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Additionally, the results demonstrate that the proposed model accurately predicts the behavior of the system, with a coefficient of determination ($R^2$) exceeding 0.85, indicating a strong fit to the observed data. These findings support the hypothesis and provide a robust foundation for further exploration of the implications in the relevant field.
Discussion
In this section, the methodology for obtaining and preparing tangerine peel samples from Ecuador is described, emphasizing the careful selection and cleaning process to avoid contamination. The peels were air-dried and subsequently dehydrated to preserve their antioxidant properties before being pulverized for further use. An aqueous extract of the tangerine peels was prepared by boiling the powdered material in distilled water, with varying amounts of peel powder leading to different extract concentrations labeled as M1, M2, and M3.
The synthesis of iron oxide nanoparticles (FeNPs-CR) was achieved using a coprecipitation method involving iron salts and the tangerine peel extract, which served as both a reducing and stabilizing agent. The pH was adjusted to 10 to enhance particle dispersion and minimize agglomeration. Characterization of the nanoparticles was conducted using techniques such as scanning electron microscopy (SEM) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), revealing particle sizes ranging from 70 to 300 nm and confirming the presence of functional groups from the tangerine extract that contribute to nanoparticle stabilization. The synthesized nanoparticles demonstrated high arsenic adsorption capacities under various experimental conditions, with optimal performance observed at acidic pH levels and specific contact times, indicating their potential for effective heavy metal remediation in aqueous systems.