DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-51191-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42177259
تاريخ النشر: 2026-05-23
المؤلف: Nazan Yılmaz
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في فعالية الفحم النشط المستخرج من قشور الرمان المهملة لإزالة الأموكسيسيلين (AMX) من المحاليل المائية. أظهر الممتص مساحة سطح BET عالية تبلغ 1307 م²/غ وهيكل ميكرو-مسامي متطور جيدًا، محققًا كفاءة إزالة قصوى تبلغ 97% تحت ظروف مثلى (pH 2، 0.05 غ، 25 °م، 50 ملغ/لتر)، مع الحفاظ على 87% إزالة عند pH قريب من المحايد (pH 6). وجدت الدراسة أن زيادة التركيز الأولي لـ AMX قللت من كفاءة الإزالة بسبب تشبع مواقع الامتصاص، بينما انخفضت درجات الحرارة الأعلى من الامتصاص، مما يؤكد طبيعة العملية الطاردة للحرارة. أشارت التحليلات الحركية إلى أن نموذج الترتيب الثاني الزائف هو الأفضل لوصف حركيات الامتصاص، مما يشير إلى تفاعلات خاضعة للسطح، وكانت بيانات التوازن ملائمة بشكل أفضل لنموذج فريندليش، مما يدل على سلوك امتصاص غير متجانس.
كشفت التقييمات الديناميكية الحرارية أن عملية الامتصاص تلقائية (ΔG° تتراوح من -6.13 إلى -5.16 كيلوجول/مول) وطاردة للحرارة (ΔH° = -15.59 كيلوجول/مول)، مع انخفاض في العشوائية عند واجهة الصلب-السائل (ΔS° = -32.29 جول/مول ك). تشير القيمة المنخفضة نسبيًا للإنثالبي إلى أن آليات الامتصاص الفيزيائية، بما في ذلك الجذب الكهروستاتيكي وملء المسام، تحكم بشكل رئيسي عملية الامتصاص. تسلط النتائج الضوء على إمكانيات هذا الممتص منخفض التكلفة والمستدام للتطبيقات العملية في معالجة مياه الصرف، مع توصية بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف التجديد والأداء في ظروف مياه الصرف الحقيقية، حيث استخدمت الدراسة الحالية محاليل صناعية.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على قشور الرمان المهملة من منشآت معالجة العصير المحلية في أفيوكاراهيسار، تركيا، لتكون مادة سابقة لإنتاج الفحم النشط (AC). تم تصنيع الفحم النشط من خلال عملية تنشيط كيميائية باستخدام KOH تلتها عملية التحلل الحراري. على وجه التحديد، تم خلط مسحوق قشور الرمان المجفف مع KOH بنسبة كتلة من الكتلة الحيوية إلى KOH تبلغ 1:3، وتم تجفيفه عند 105 °م لمدة 24 ساعة، ثم تم كربنته عند 800 °م لمدة ساعة واحدة تحت تدفق نيتروجين يبلغ حوالي 100 مل/دقيقة. بعد الكربنة، تم غسل المنتج بالماء المقطر الساخن حتى تم تحقيق pH محايد، ثم تم تجفيفه مرة أخرى عند 105 °م، وتخزينه في حاويات كهرمانية محكمة الإغلاق. قبل التجربة، تم طحن الفحم النشط ونخله إلى حجم جزيئي يبلغ 250 ميكرومتر أو أقل لضمان التجانس.
استخدمت الدراسة مواد كيميائية متنوعة، بما في ذلك الأموكسيسيلين ثلاثي الهيدرات (≥ 98%)، الأسيتونيتريل (درجة HPLC، ≥ 99.9%)، الميثانول (≥ 99%)، الإيثانول (≥ 99%)، هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، حمض الهيدروكلوريك (HCl)، فوسفات ثنائي الهيدروجين البوتاسيوم (KH₂PO₄)، وحمض الفوسفوريك (H₃PO₄)، جميعها تم الحصول عليها من سيغما-ألدريش (تركيا). تم الحصول على مياه فائقة النقاء بمقاومة تبلغ 18.2 مΩ•سم باستخدام نظام Merck-Millipore Milli-Q، مما يضمن جودة عالية للمواد الكيميائية المستخدمة في تجارب الامتصاص التي أجريت في هذه الدراسة.
نتائج
تُعرض نتائج دراسة التحقق للطريقة التحليلية باستخدام الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC). تم إعداد محاليل قياسية من AMX في نطاق التركيز من 1-50 ميكروغرام/مل من محلول مخزون بتركيز 500 ميكروغرام/مل، وتم اختبار الطريقة على مدى ثلاثة أيام متتالية مع ستة تكرارات لكل تركيز. تم تسجيل مناطق القمم وأوقات الاحتفاظ، وتم إنشاء رسم بياني للتقويم من خلال رسم منطقة القمة مقابل التركيز. أسفرت التحليلات الانحدارية عن علاقة خطية، حيث تم تحديد الميل والاعتراض عبر طريقة المربعات الصغرى.
أشارت مقاييس التحقق، بما في ذلك متوسط الاسترداد المطلق، والانحراف المعياري النسبي (RSD)، ومعامل التحديد ($R^2$)، إلى أن طريقة HPLC التزمت بإرشادات المجلس الدولي للتوافق (ICH). تؤكد النتائج أن الطريقة دقيقة، خطية، حساسة، دقيقة، وقوية، كما هو موضح في الجدول 1 من الدراسة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق بشكل شامل في خصائص وأداء الامتصاص للفحم النشط المستخرج من قشور الرمان لإزالة الأموكسيسيلين (AMX) من المحاليل المائية. أظهر الفحم النشط مساحة سطح BET عالية تبلغ 1307.0 م²/غ ونقطة الشحن الصفري (pHpzc) تبلغ 7.7، مما يدل على طبيعته الأمفوتيرية. كشفت تجارب الامتصاص أن كفاءة إزالة AMX تأثرت بشكل كبير بـ pH المحلول، وجرعة الممتص، والتركيز الأولي، ودرجة الحرارة. حدثت أفضل إزالة (حوالي 97%) عند pH حمضي (2-4)، بينما انخفضت الكفاءات في الظروف المحايدة والقلوية بسبب تأثيرات التنافر الكهروستاتيكي وتشبع المواقع. كانت حركيات الامتصاص موصوفة بشكل أفضل بواسطة نموذج الترتيب الثاني الزائف، مما يشير إلى أن التفاعلات السطحية تحكم بشكل رئيسي عملية الامتصاص.
أشارت التحليلات الديناميكية الحرارية إلى أن امتصاص AMX على الفحم النشط هو تلقائي وطارد للحرارة، مع بقاء قيم الطاقة الحرة لجيبس (ΔG°) سلبية عبر درجات حرارة مختلفة، مما يعكس انخفاضًا في التلقائية مع زيادة درجة الحرارة. قدم نموذج فريندليش ملاءمة أفضل لبيانات التوازن مقارنة بنموذج لانغموير، مما يدل على امتصاص غير متجانس على سطح الفحم. تم تحديد سعة الامتصاص القصوى لتكون 100 ملغ/غ، مما يبرز فعالية الفحم النشط المصنع دون الحاجة إلى تعديلات إضافية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن هذا الفحم النشط هو ممتص واعد ومستدام لإزالة المضادات الحيوية من مياه الصرف، مع آثار محتملة للتطبيقات العملية في الترميم البيئي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-51191-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42177259
Publication Date: 2026-05-23
Author(s): Nazan Yılmaz
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
The research investigates the efficacy of activated carbon derived from waste pomegranate peels for the removal of amoxicillin (AMX) from aqueous solutions. The adsorbent demonstrated a high BET surface area of 1307 m²/g and a well-developed micro-mesoporous structure, achieving a maximum removal efficiency of 97% under optimal conditions (pH 2, 0.05 g, 25 °C, 50 mg/L), and maintaining 87% removal at near-neutral pH (pH 6). The study found that increasing the initial concentration of AMX reduced removal efficiency due to adsorption site saturation, while higher temperatures decreased adsorption, confirming the process’s exothermic nature. Kinetic analysis indicated that the pseudo-second-order model best described the adsorption kinetics, suggesting surface-controlled interactions, and equilibrium data were best fitted by the Freundlich model, indicating heterogeneous adsorption behavior.
Thermodynamic evaluations revealed that the adsorption process is spontaneous (ΔG° ranging from -6.13 to -5.16 kJ/mol) and exothermic (ΔH° = -15.59 kJ/mol), with a decrease in randomness at the solid-liquid interface (ΔS° = -32.29 J/mol K). The relatively low enthalpy value suggests that physisorption mechanisms, including electrostatic attraction and pore filling, predominantly govern the adsorption. The findings highlight the potential of this low-cost and sustainable adsorbent for practical applications in wastewater treatment, with future research recommended to explore regeneration and performance in real wastewater conditions, as the current study utilized synthetic solutions.
Methods
In this study, waste pomegranate peels were sourced from local juice-processing facilities in Afyonkarahisar, Turkey, to serve as precursor material for activated carbon (AC) production. The AC was synthesized through a KOH chemical activation process followed by pyrolysis. Specifically, dried pomegranate peel powder was mixed with KOH at a biomass-to-KOH mass ratio of 1:3, dried at 105 °C for 24 hours, and then carbonized at 800 °C for 1 hour under a nitrogen flow of approximately 100 mL/min. After carbonization, the product was washed with hot distilled water until a neutral pH was achieved, dried again at 105 °C, and stored in airtight amber containers. Prior to experimentation, the AC was ground and sieved to a particle size of 250 μm or less to ensure uniformity.
The study utilized various chemicals, including amoxicillin trihydrate (≥ 98%), acetonitrile (HPLC grade, ≥ 99.9%), methanol (≥ 99%), ethanol (≥ 99%), sodium hydroxide (NaOH), hydrochloric acid (HCl), potassium dihydrogen phosphate (KH₂PO₄), and phosphoric acid (H₃PO₄), all procured from Sigma-Aldrich (Turkey). Ultrapure water with a resistivity of 18.2 MΩ•cm was obtained using a Merck-Millipore Milli-Q system, ensuring high-quality reagents for the adsorption experiments conducted in this research.
Results
The results of the validation study for the analytical method using High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) are presented. Standard solutions of AMX were prepared in the concentration range of 1-50 µg/mL from a stock solution of 500 µg/mL, and the method was tested over three consecutive days with six replicates for each concentration. The peak areas and retention times were recorded, and a calibration graph was generated by plotting peak area against concentration. The regression analysis yielded a linear relationship, with the slope and intercept determined via the least squares method.
The validation metrics, including absolute mean recovery, relative standard deviation (RSD), and the coefficient of determination ($R^2$), indicated that the HPLC method adhered to the International Council for Harmonisation (ICH) guidelines. The findings confirm that the method is accurate, linear, sensitive, precise, and robust, as detailed in Table 1 of the study.
Discussion
In this study, the characterization and adsorption performance of activated carbon derived from pomegranate peels were thoroughly investigated for the removal of amoxicillin (AMX) from aqueous solutions. The activated carbon exhibited a high BET surface area of 1307.0 m²/g and a point of zero charge (pHpzc) of 7.7, indicating its amphoteric nature. The adsorption experiments revealed that AMX removal efficiency was significantly influenced by solution pH, adsorbent dose, initial concentration, and temperature. Optimal removal (approximately 97%) occurred at acidic pH (2-4), while efficiencies decreased at neutral and alkaline conditions due to electrostatic repulsion and site saturation effects. The adsorption kinetics were best described by the pseudo-second-order model, suggesting that surface interactions predominantly govern the adsorption process.
Thermodynamic analysis indicated that the adsorption of AMX onto the activated carbon is spontaneous and exothermic, with Gibbs free energy values (ΔG°) remaining negative across varying temperatures, reflecting a decrease in spontaneity with increasing temperature. The Freundlich isotherm model provided a better fit for the equilibrium data compared to the Langmuir model, indicating heterogeneous adsorption on the carbon surface. The maximum adsorption capacity was determined to be 100 mg/g, highlighting the effectiveness of the synthesized activated carbon without requiring additional modifications. Overall, the findings suggest that this activated carbon is a promising and sustainable adsorbent for the removal of antibiotics from wastewater, with potential implications for practical applications in environmental remediation.