DOI: https://doi.org/10.3389/fnuen.2025.1736818
تاريخ النشر: 2026-01-09
المؤلف: Hammad Raza Khalid
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تخليق وتوصيف مركبات الجيوبوليمر/الزيوليت الهجينة التي تهدف إلى إزالة أيونات الرصاص (Pb(II)) وصبغة الأخضر اللامع (BG) من المحاليل المائية. تُشكل الجيوبوليمرات من خلال تنشيط القلويات لمواد الألومينوسيليكات، وتظهر خصائص مشابهة للزيوليتات، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الامتصاص. استخدم الباحثون هيدروكسيد الصوديوم وسيليكات الصوديوم لتنشيط خلطات الرماد المتطاير وخبث الفرن العالي، تلاها معالجة هيدروحرارية لتسهيل تحويل هلام الجيوبوليمر غير المتبلور إلى زيوليتات بلورية.
قامت الدراسة بتغيير منهجي للمعلمات مثل عوامل الرغوة، ودرجة ملوحة القلويات، وحجم الحبيبات لتقييم تأثيرها على أداء الامتصاص. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وتحليل بروناوير-إيميت-تيلر (BET)، على تشكيل مراحل الزيوليت وقدمت رؤى حول الطبيعة المسامية للمركبات. أشارت النتائج إلى كفاءات إزالة كبيرة من Pb(II) (حتى 123 ملغ/غ) وصبغة BG (حتى 115 ملغ/غ). ومن الجدير بالذكر أن النتائج تتحدى الافتراضات التقليدية من خلال إثبات أن متوسط قطر المسام له تأثير أكبر من مساحة السطح في تحديد سعة الامتصاص للمواد الممتصة من النوع الكتلي. تؤكد هذه الدراسة على إمكانيات المواد القائمة على الجيوبوليمر في معالجة المياه وتقترح تطبيقات أوسع في إدارة النفايات المشعة بسبب التشابه الهيكلي بين المعادن الثقيلة وبعض النظائر المشعة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الجيوبوليمرات، وهي مواد رابطة منخفضة الكالسيوم تنشط بالقلويات تم تخليقها من مواد الألومينوسيليكات مثل الميتاكاولين، وخبث الفرن العالي، والرماد المتطاير. تتضمن العملية إذابة المونومرات في محلول قلوي، مما يؤدي إلى تكوين أوليغومرات، وبلمرة، وتجلط، مما ينتج عنه هلام كثيف ذو قوة ميكانيكية ملحوظة، ومقاومة كيميائية، وثبات حراري. بسبب هذه الخصائص، تعتبر الجيوبوليمرات بدائل قابلة للتطبيق للأسمنت البورتلاندي التقليدي في تطبيقات الخرسانة. يتميز هيكلها الكيميائي بتوزيع عشوائي للسيليكون (Si) والألمنيوم (Al) في شكل رباعي السطوح، مع كاتيونات متوازنة الشحنة من المنشط القلوي، مما يشبه الزيوليتات غير المتبلورة.
تسلط الورقة الضوء على إمكانيات مركبات الجيوبوليمر/الزيوليت الهجينة في الترميم البيئي، خاصة في معالجة مياه الصرف الصحي المشعة، بفضل سلامتها الهيكلية وسعتها الامتصاصية. أظهرت الدراسات السابقة قدرات امتصاص كبيرة لمختلف الملوثات، مثل Cu(II) وPb(II)، باستخدام مواد قائمة على الجيوبوليمر. ومع ذلك، هناك فجوة في المعرفة بشأن تأثير خصائص المسام على أداء الامتصاص. تهدف هذه الدراسة إلى استكشاف منهجي لتخليق وتوصيف وقدرات الامتصاص لمركبات الجيوبوليمر/الزيوليت، باستخدام الرماد المتطاير من الفئة F وخبث الفرن العالي المجروش كمواد خام. ستقوم الدراسة بفحص تأثيرات المعلمات التجريبية المختلفة على أداء الامتصاص، مما يوفر رؤى لتطوير مواد ممتصة فعالة لتطبيقات معالجة المياه.
طرق
في هذه الدراسة، تم تخليق حبيبات الجيوبوليمر-الزيوليت باستخدام الرماد المتطاير من الفئة F (80% كتلة) وخبث الفرن العالي المجروش (20% كتلة) كمواد رابطة. تم تحقيق تنشيط هذه المواد الخام من خلال مزيج من محلولات هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) وسيليكات الصوديوم (SS)، حيث تتكون تركيبة SS من حوالي 29% كتلة SiO₂، و10% كتلة Na₂O، و61% كتلة H₂O. تم الحفاظ على نسبة كتلة المنشط إلى الرابطة عند 1، وتم تحديد نسبة كتلة SS إلى NaOH عند 0.33، بما يتماشى مع الأبحاث السابقة (خالد وآخرون، 2019؛ وانغ ز. وآخرون، 2021).
تضمنت المعلمات التجريبية تغيير درجة ملوحة محلول NaOH (6 أو 8 م)، وأحجام الحبيبات (5 أو 7 مم)، وإدخال بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) كعامل رغوة. تم استخدام المعالجة الهيدروحرارية لتسهيل تحويل هلام الجيوبوليمر إلى هياكل زيوليتية. استخدمت العينات الضابطة محلول NaOH بتركيز 6 م، بينما تم استخدام محلول 8 م للعينات المعدلة. كما كانت الدراسة تهدف إلى التحقيق في تأثير حجم الحبيبات على كفاءة الامتصاص وتأثيرات تعزيز المسامية على انتشار محاليل الممتزات، مما قد يحسن معدلات وسعات الامتصاص. خضعت نصف الحبيبات من كل نوع عينة لمعالجة هيدروحرارية لتعزيز التحول الطوري من هلام الألومينوسيليكات غير المتبلور إلى مراحل الزيوليت البلورية، كما هو موضح من خلال التسمية “H” في تسميات العينات.
نتائج
في القسم المعنون “النتائج”، يتم تقديم توصيف حبيبات الجيوبوليمر-الزيوليت. توضح الدراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للحبيبات التي تم تخليقها، مع تسليط الضوء على سلامتها الهيكلية واستقرارها تحت ظروف مختلفة. تشير النتائج الرئيسية إلى أن حبيبات الجيوبوليمر-الزيوليت تظهر مسامية كبيرة ومساحة سطحية، وهي ضرورية لتطبيقاتها المحتملة في الترميم البيئي والتحفيز.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن إدخال الزيوليت في مصفوفة الجيوبوليمر يعزز القوة الميكانيكية والمقاومة الحرارية للحبيبات. تشمل التحليلات تقنيات توصيف مختلفة، مثل حيود الأشعة السينية (XRD) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، التي تؤكد على نجاح التخليق وتجانس مركب الجيوبوليمر-الزيوليت. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على الخصائص الواعدة لحبيبات الجيوبوليمر-الزيوليت للتطبيقات الصناعية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق وتوصيف حبيبات الجيوبوليمر-الزيوليت لتقييم إمكانياتها كممتزات لـ Pb(II) وصبغة BG. تضمنت التحضير قوالب مخصصة، وتنشيط قلوي، ومعالجة هيدروحرارية، مما سهل تحويل هلام الجيوبوليمر غير المتبلور إلى بلورات زيوليتية Na-P1، كما تم تأكيده بواسطة حيود الأشعة السينية (XRD) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). كشفت تقنيات التوصيف، بما في ذلك امتصاص النيتروجين ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، عن تغييرات كبيرة في مساحة السطح وبنية المسام، حيث أظهرت العينات المعالجة هيدروحرارياً زيادة في مساحة السطح ولكن انخفاض في سعات الامتصاص لكل من الملوثات. أبرزت هذه النتيجة غير المتوقعة الدور الحاسم لمتوسط قطر المسام على مساحة السطح في تحديد كفاءة الامتصاص للمواد من النوع الكتلي.
أشارت النتائج إلى أن أحجام الحبيبات الأصغر (5 مم) تعزز أداء الامتصاص بسبب نسبة مساحة السطح إلى الحجم الأعلى، بينما لم يحسن وجود عامل الرغوة سعة الامتصاص بشكل متسق. ومن الجدير بالذكر أن الحبيبات التي تم تخليقها بتركيز أعلى من NaOH (8 م) أظهرت قدرات امتصاص متفوقة، مما يعزى إلى زيادة إمكانات تبادل الكاتيونات. خلصت الدراسة إلى أن الآلية المزدوجة للامتصاص – التي تجمع بين تبادل الأيونات والارتباط الكيميائي – توفر احتفاظاً قوياً بالملوثات، مما يجعل هذه المركبات الهجينة من الجيوبوليمر/الزيوليت مرشحين واعدين للتطبيقات في معالجة المياه وإدارة النفايات المشعة. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تجديد وإعادة استخدام هذه المواد لتقييم قابليتها العملية بشكل أكبر.
DOI: https://doi.org/10.3389/fnuen.2025.1736818
Publication Date: 2026-01-09
Author(s): Hammad Raza Khalid
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study explores the synthesis and characterization of hybrid geopolymer/zeolite composites aimed at removing lead ions (Pb(II)) and brilliant green (BG) dye from aqueous solutions. Geopolymers, formed through the alkali activation of aluminosilicate materials, exhibit properties similar to zeolites, making them suitable for adsorption applications. The researchers utilized sodium hydroxide and sodium silicate to activate blends of fly ash and blast furnace slag, followed by hydrothermal treatment to facilitate the transformation of amorphous geopolymeric gel into crystalline zeolites.
The study systematically varied parameters such as foaming agents, alkali molarity, and bead size to evaluate their impact on adsorption performance. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), scanning electron microscopy (SEM), and Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis, confirmed the formation of zeolite phases and provided insights into the porous nature of the composites. The results indicated significant removal efficiencies of Pb(II) (up to 123 mg/g) and BG dye (up to 115 mg/g). Notably, the findings challenge conventional assumptions by demonstrating that average pore diameter is more influential than surface area in determining the adsorption capacity of bulk-type adsorbents. This research underscores the potential of geopolymer-based materials for water treatment and suggests broader applications in the management of radioactive waste due to the structural similarities between heavy metals and certain radionuclides.
Introduction
The introduction of the research paper discusses geopolymers, which are low-Ca alkali-activated binders synthesized from aluminosilicate materials such as metakaolin, blast furnace slag, and fly ash. The process involves the dissolution of monomers in an alkali solution, leading to oligomerization, polymerization, and gelation, resulting in a dense gel with notable mechanical strength, chemical resistance, and thermal stability. Due to these properties, geopolymers are considered viable alternatives to traditional Portland cement in concrete applications. Their chemical structure features randomly oriented silicon (Si) and aluminum (Al) tetrahedra, with charge-balancing cations from the alkali activator, resembling amorphous zeolites.
The paper highlights the potential of geopolymer/zeolite hybrid composites for environmental remediation, particularly in treating radioactive wastewater, owing to their structural integrity and adsorptive capacity. Previous studies have demonstrated significant adsorption capabilities for various contaminants, such as Cu(II) and Pb(II), using geopolymer-based materials. However, there is a knowledge gap regarding the influence of pore characteristics on adsorption performance. This study aims to systematically explore the synthesis, characterization, and adsorption capabilities of geopolymer/zeolite composites, utilizing Class F fly ash and ground granulated blast furnace slag as raw materials. The research will examine the effects of various experimental parameters on adsorption performance, providing insights for the development of effective adsorbents for water treatment applications.
Methods
In this study, geopolymer-zeolite beads were synthesized using Class F fly ash (80 mass%) and ground granulated blast furnace slag (20 mass%) as binders. The activation of these raw materials was achieved through a mixture of sodium hydroxide (NaOH) and sodium silicate (SS) solutions, with the SS composition comprising approximately 29 mass% SiO₂, 10 mass% Na₂O, and 61 mass% H₂O. The activator-to-binder mass ratio was maintained at 1, and the SS to NaOH mass ratio was set at 0.33, consistent with previous research (Khalid et al., 2019; Wang Z. et al., 2021).
Experimental parameters included varying the molarity of the NaOH solution (6 or 8 M), bead diameters (5 or 7 mm), and the incorporation of hydrogen peroxide (H₂O₂) as a foaming agent. Hydrothermal treatment was employed to facilitate the conversion of geopolymeric gel into zeolitic structures. Control samples utilized a 6 M NaOH solution, while an 8 M solution was used for the modified samples. The study also aimed to investigate the impact of bead size on adsorption efficiency and the effects of porosity enhancement on the diffusion of adsorbate solutions, which could potentially improve adsorption rates and capacities. Half of the beads from each sample type underwent hydrothermal treatment to promote phase transformation from amorphous aluminosilicate gel to crystalline zeolite phases, as indicated by the designation “H” in the sample labels.
Results
In the section titled “Results,” the characterization of geopolymer-zeolite beads is presented. The study details the physical and chemical properties of the synthesized beads, highlighting their structural integrity and stability under various conditions. Key findings indicate that the geopolymer-zeolite beads exhibit significant porosity and surface area, which are critical for their potential applications in environmental remediation and catalysis.
Additionally, the results demonstrate that the incorporation of zeolite into the geopolymer matrix enhances the mechanical strength and thermal resistance of the beads. The analysis includes various characterization techniques, such as X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM), which confirm the successful synthesis and uniformity of the geopolymer-zeolite composite. Overall, these findings underscore the promising attributes of geopolymer-zeolite beads for industrial applications.
Discussion
In this study, geopolymer-zeolite beads were synthesized and characterized to evaluate their potential as adsorbents for Pb(II) and BG dye. The preparation involved customized molds, alkali activation, and hydrothermal treatment, which facilitated the transformation of amorphous geopolymeric gel into zeolitic Na-P1 crystals, as confirmed by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). Characterization techniques, including nitrogen physisorption and Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), revealed significant changes in surface area and pore structure, with hydrothermally-treated samples exhibiting increased surface area but reduced adsorption capacities for both contaminants. This counterintuitive result highlighted the critical role of average pore diameter over surface area in determining adsorption efficiency for bulk-type materials.
The findings indicated that smaller bead sizes (5 mm) enhanced adsorption performance due to a higher surface area-to-volume ratio, while the presence of a foaming agent did not consistently improve adsorption capacity. Notably, beads synthesized with a higher NaOH molarity (8 M) demonstrated superior adsorption capabilities, attributed to increased cation exchange potential. The study concluded that the dual mechanism of adsorption—combining ion exchange and chemical bonding—provides robust contaminant retention, making these hybrid geopolymer/zeolite composites promising candidates for applications in water treatment and radioactive waste management. Future research should focus on the regeneration and reusability of these materials to further assess their practical applicability.