DOI: https://doi.org/10.1007/s11270-026-09183-z
تاريخ النشر: 2026-02-06
المؤلف: Mohamad Firdaus Mohamad Yusop وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة الأثر البيئي للميتفورمين (MET) في مياه الصرف الصحي وتستكشف تقنيات الإزالة المحسنة باستخدام الفحم النشط المعتمد على قشور الجوز المعدل بالنحاس (Cu-NSAC). تشمل أهداف البحث تحسين سعة امتصاص MET، ومقارنة النماذج الخطية (L-M) وغير الخطية (NL-M) لتحليل الإيزوثرم والحركية، واستخدام نموذج نقل الكتلة (PMT) لتقدير مساحة السطح المسامية (MESO-SA) لـ Cu-NSAC. تشير النتائج إلى أن Cu-NSAC حقق سعة امتصاص لـ MET تبلغ 8.67 ملغ/غ، متجاوزًا 6.13 ملغ/غ من NSAC النقي، مع مساحة سطح BET تبلغ 911.13 م²/غ. وصفت كل من نماذج L-M و NL-M عملية الامتصاص بشكل فعال، كاشفة عن أقصى امتصاص (Q_m) يبلغ 13.70 ملغ/غ و 13.55 ملغ/غ، على التوالي. أكد اختبار F أن تباينات كلا النموذجين كانت مشابهة إحصائيًا.
أدى تخليق Cu-NSAC من خلال التنشيط الفيزيائي وترسيب Cu(NO₃)₂ إلى انخفاض طفيف في MESO-SA، وحجم المسام الكلي (TPV)، وقطر المسام (PD)، ومع ذلك زادت كفاءة الامتصاص بسبب تفاعلات الأيون-ثنائي القطب الإضافية. أظهر نموذج PMT دقة تنبؤية قوية، حيث قدر MESO-SA بـ 573.02 م²/غ، متماشيًا بشكل وثيق مع القيمة المقاسة البالغة 614.52 م²/غ، مما أسفر عن خطأ بسيط قدره 6.75%. تختتم الدراسة بأن كلا من نماذج L-M و NL-M قدمت تقديرات موثوقة للمعلمات، دون وجود اختلافات إحصائية كبيرة. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على دمج النمذجة التنبؤية لأنظمة الامتصاص المستمرة لتحسين التطبيقات على نطاق واسع.
مقدمة
في هذه الدراسة، يستقصي المؤلفون امتصاص الميتفورمين (MET)، وهو عامل خافض للسكر يستخدم على نطاق واسع وله خصائص محتملة مضادة للفيروسات ومضادة للسرطان، باستخدام الفحم النشط المعتمد على قشور الجوز المعدل بالنحاس (Cu-NSAC). تسهم الديناميات الدوائية الفريدة للميتفورمين، بما في ذلك انخفاض معدل الأيض وارتفاع معدلات الإخراج، في انتشاره في مياه الصرف الصحي، مما يستلزم طرق معالجة فعالة. تبرز الأبحاث مزايا الامتصاص كطريقة لمعالجة مياه الصرف الصحي، خاصة باستخدام الفحم النشط بسبب مساحته السطحية الكبيرة والمجموعات الوظيفية التي تعزز إزالة الملوثات.
تستخدم الدراسة نترات النحاس كمقدمة لتعديل الفحم النشط، مما يعزز سعة امتصاصه لـ MET عن طريق تغيير الشحنة السطحية لجذب الخصائص القطبية للدواء. يستخدم المؤلفون نماذج حركية خطية وغير خطية لتحليل سلوك الامتصاص، مع معالجة القيود في الطرق التقليدية. من الجدير بالذكر أن هذه الأبحاث رائدة في تركيزها على امتصاص MET، مما يختلف عن الدراسات السابقة حول الأدوية الأخرى، وتؤسس إطارًا للأبحاث المستقبلية في معالجة مياه الصرف الصحي للأدوية. تؤكد النتائج على إمكانيات Cu-NSAC كمواد ماصة فعالة من حيث التكلفة لإزالة MET، مما يساهم في المجال الأوسع للتخفيف البيئي.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجارب والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية التقنيات المطبقة لجمع البيانات وتحليلها، مثل الطرق الإحصائية، والبروتوكولات التجريبية، وأي أدوات حسابية مستخدمة.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الضوابط المطبقة للتحقق من النتائج، فضلاً عن المعايير لاختيار العينات أو الموضوعات. بشكل عام، يعمل هذا القسم على توفير إطار شامل يدعم نتائج البحث، مما يسمح بالتقييم النقدي والتكرار من قبل باحثين آخرين في هذا المجال.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن عملية امتصاص MET-Cu-NSAC توصف بشكل أفضل بواسطة نماذج الإيزوثرم الخطية وغير الخطية من لانغموير، والتي حققت أعلى معامل تحديد ($R^2 = 0.9941$) وأدنى خطأ جذري متوسط (RMSE = 0.1331). تم تحديد أقصى سعات امتصاص ($Q_m$) لتكون 13.70 ملغ/غ للنموذج الخطي و 13.55 ملغ/غ للنموذج غير الخطي، مع ثوابت فريدليخ ($n_F$) تبلغ 1.62 و 1.83، على التوالي، مما يشير إلى ظروف امتصاص ملائمة.
كشفت التحليلات الحركية أن نموذج الترتيب الثاني غير الخطي (PSO) قدم أفضل ملاءمة لبيانات الامتصاص، تلاه نموذج PSO الخطي، ونموذج الترتيب الأول غير الخطي (PFO)، ونموذج PFO الخطي. انخفضت الثوابت السريعة ($k_2$) لنماذج PSO مع زيادة تركيز MET الأولي من 5 إلى 30 ملغ/لتر، مما يشير إلى المنافسة بين جزيئات MET على مواقع الامتصاص. بالإضافة إلى ذلك، قدم نموذج انتشار المسام (PMT) معامل نقل الكتلة ($k_M$) يتراوح من 0.000786 إلى 0.000731 ملغ·م·ل$^{-1}$·ساعة$^{-1}$ ومعدل انتشار المسام ($k_{PMT}$) بين 0.4901 و 0.4326 ساعة$^{-1}$. كما قدر نموذج PMT مساحة سطح الماصة بـ 573.02 م$^2$/غ، متماشيًا بشكل وثيق مع مساحة السطح المقاسة البالغة 614.52 م$^2$/غ، مما يظهر خطأ تقييم صغيرًا قدره 6.75% ويؤكد دقة النموذج في تصوير السلوك الحركي لنظام الامتصاص.
مناقشة
في هذا القسم، تناقش الأبحاث تخليق وتوصيف المواد الماصة المشتقة من قشور الفول السوداني، مع التركيز بشكل خاص على NSAC النقي ونسخته المعدلة بالنحاس (Cu-NSAC). شمل التخليق عمليات الكربنة والتنشيط، مما أدى إلى زيادات كبيرة في المساحة السطحية وحجم المسام، حيث حقق NSAC النقي مساحة سطح برونور-إيميت-تيلر (BET-SA) تبلغ 924.15 م²/غ. أدى التعديل السطحي باستخدام نترات النحاس إلى انخفاض طفيف في BET-SA ولكنه عزز من وظيفة الماصة، كما يتضح من التغيرات في التركيب العنصري وإدخال مجموعات وظيفية جديدة.
أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، وطيف الإلكترون الضوئي بالأشعة السينية (XPS)، على الدمج الناجح لأيونات Cu²⁺ ووجود مجموعات وظيفية متنوعة تسهل الامتصاص. تم توضيح آلية امتصاص الميتفورمين (MET)، مع تسليط الضوء على دور الروابط الهيدروجينية، والتفاعلات ثنائية القطب، وتفاعلات الأيون-ثنائي القطب بين جزيئات MET وسطح Cu-NSAC. كما تؤكد الدراسة على أهمية هذه التفاعلات في تعزيز سعة امتصاص Cu-NSAC لـ MET، مما يظهر إمكانيته في تطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11270-026-09183-z
Publication Date: 2026-02-06
Author(s): Mohamad Firdaus Mohamad Yusop et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study investigates the environmental impact of metformin (MET) in wastewater and explores enhanced removal techniques using copper-modified nutshell-based activated carbon (Cu-NSAC). The research objectives included improving MET adsorption capacity, comparing linear (L-M) and non-linear (NL-M) models for isotherm and kinetic analysis, and utilizing a Polymath mass transfer (PMT) model to estimate the mesopore surface area (MESO-SA) of Cu-NSAC. The findings indicate that Cu-NSAC achieved a MET adsorption capacity of 8.67 mg/g, surpassing the 6.13 mg/g of pristine NSAC, with a BET surface area of 911.13 m²/g. Both L-M and NL-M models effectively described the adsorption process, revealing a maximum uptake (Q_m) of 13.70 mg/g and 13.55 mg/g, respectively. The F-test confirmed that the variances of both models were statistically similar.
The synthesis of Cu-NSAC through physical activation and Cu(NO₃)₂ deposition resulted in a slight reduction in MESO-SA, total pore volume (TPV), and pore diameter (PD), yet enhanced adsorption efficiency due to additional ion-dipole interactions. The PMT model demonstrated strong predictive accuracy, estimating a MESO-SA of 573.02 m²/g, closely aligning with the measured value of 614.52 m²/g, yielding a minimal error of 6.75%. The study concludes that both L-M and NL-M models provided reliable parameter estimates, with no significant statistical differences. Future research should focus on integrating predictive modeling for continuous adsorption systems to optimize large-scale applications.
Introduction
In this study, the authors investigate the adsorption of metformin (MET), a widely used hypoglycemic agent with potential antiviral and anticancer properties, using copper-modified nutshell-based activated carbon (Cu-NSAC). Metformin’s unique pharmacokinetics, including low metabolism and high excretion rates, contribute to its prevalence in wastewater, necessitating effective treatment methods. The research highlights the advantages of adsorption as a wastewater treatment technique, particularly using activated carbon due to its large surface area and functional groups that enhance pollutant removal.
The study employs copper nitrate as a precursor to modify the activated carbon, enhancing its adsorption capacity for MET by altering the surface charge to attract the drug’s polar characteristics. The authors utilize both linear and non-linear kinetic models to analyze adsorption behavior, addressing limitations in conventional methods. Notably, this research is pioneering in its focus on MET adsorption, contrasting with previous studies on other pharmaceuticals, and establishes a framework for future investigations into pharmaceutical wastewater treatment. The findings underscore the potential of Cu-NSAC as a cost-effective and efficient adsorbent for MET removal, contributing to the broader field of environmental remediation.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the techniques applied for data collection and analysis, such as statistical methods, experimental protocols, and any computational tools utilized.
Additionally, the section may describe the controls implemented to validate the results, as well as the criteria for selecting samples or subjects. Overall, this section serves to provide a comprehensive framework that underpins the research findings, allowing for critical evaluation and replication by other researchers in the field.
Results
The results of the study indicate that the adsorption process of MET-Cu-NSAC is best described by the linear and non-linear Langmuir isotherm models, which achieved the highest coefficient of determination ($R^2 = 0.9941$) and the lowest root mean square error (RMSE = 0.1331). The maximum adsorption capacities ($Q_m$) were determined to be 13.70 mg/g for the linear model and 13.55 mg/g for the non-linear model, with Freundlich constants ($n_F$) of 1.62 and 1.83, respectively, suggesting favorable adsorption conditions.
Kinetic analyses revealed that the non-linear pseudo-second-order (PSO) model provided the best fit for the adsorption data, followed by the linear PSO, non-linear pseudo-first-order (PFO), and linear PFO models. The rate constants ($k_2$) for the PSO models decreased as the initial MET concentration increased from 5 to 30 mg/L, indicating competition among MET molecules for adsorption sites. Additionally, the pore diffusion model (PMT) yielded a mass transfer coefficient ($k_M$) ranging from 0.000786 to 0.000731 mg·m·L$^{-1}$·h$^{-1}$ and a pore diffusion rate ($k_{PMT}$) between 0.4901 and 0.4326 h$^{-1}$. The PMT model also estimated the adsorbent’s surface area to be 573.02 m$^2$/g, closely aligning with the measured surface area of 614.52 m$^2$/g, demonstrating a small evaluation error of 6.75% and confirming the model’s accuracy in depicting the kinetic behavior of the adsorption system.
Discussion
In this section, the research discusses the synthesis and characterization of adsorbents derived from groundnut shells, specifically focusing on pristine NSAC and its copper-modified variant (Cu-NSAC). The synthesis involved carbonization and activation processes, resulting in significant increases in surface area and pore volume, with pristine NSAC achieving a Brunauer-Emmett-Teller surface area (BET-SA) of 924.15 m²/g. The surface modification with copper nitrate led to a slight reduction in BET-SA but enhanced the adsorbent’s functionality, as evidenced by changes in elemental composition and the introduction of new functional groups.
Characterization techniques, including scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), confirmed the successful incorporation of Cu²⁺ ions and the presence of various functional groups that facilitate adsorption. The adsorption mechanism for metformin (MET) was elucidated, highlighting the role of hydrogen bonds, dipole-dipole interactions, and ion-dipole interactions between MET molecules and the Cu-NSAC surface. The study also emphasizes the importance of these interactions in enhancing the adsorption capacity of Cu-NSAC for MET, demonstrating its potential application in wastewater treatment scenarios.