DOI: https://doi.org/10.1007/s44246-024-00171-8
تاريخ النشر: 2025-01-26
المؤلف: Fuxuan Bi وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تقدم البحث تخليق وتوصيف هيدروشار مغناطيسي معدل من بولي كلوريد الفينيل (PVC-AMHC) لإزالة فعالة للرصاص (Pb(II)) والبيسفينول أ (BPA) من مياه الصرف. تم إنشاء PVC-AMHC من خلال الكربنة الهيدروحرارية المشتركة لبولي كلوريد الفينيل وقش الذرة، تليها تنشيط باستخدام هيدروكسيد الصوديوم (NaOH). أظهرت نتائج التوصيف أن كل من تعديل PVC وتنشيط NaOH عززا مجموعات الوظائف المحتوية على الأكسجين على المادة، وتم دمج Fe₃O₄ بنجاح على سطحها. أظهرت المادة قدرات امتصاص كبيرة، حيث حققت أقصى امتصاص للرصاص (Pb(II)) عند 217.53 ملغ/غ وBPA عند 185.53 ملغ/غ خلال 130 و30 دقيقة، على التوالي، عبر نطاق واسع من الرقم الهيدروجيني.
كشفت التحليلات الديناميكية الحرارية أن عمليات الامتصاص لكل من الملوثات كانت تلقائية وماصة للحرارة. تضمنت آليات إزالة Pb(II) التعقيد، والجذب الكهروستاتيكي، وملء المسام، بينما كان امتصاص BPA يسهل بشكل أساسي من خلال الروابط الهيدروجينية وملء المسام. من الجدير بالذكر أن PVC-AMHC أظهر قدرات تجديد قوية ومقاومة للتداخل من أيونات مختلفة متواجدة، مما يبرز إمكانيته كمواد ماصة صديقة للبيئة لإزالة متزامنة للرصاص (Pb(II)) وBPA من المياه الملوثة، وبالتالي معالجة التحديات المتعلقة بإعادة استخدام نفايات PVC.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على القضية الملحة للمعادن الثقيلة والملوثات العضوية، وخاصة الرصاص (Pb(II)) والبيسفينول أ (BPA)، في البيئات المائية بسبب التحضر. الرصاص (Pb(II)) شائع في صناعات مختلفة ويشكل مخاطر صحية كبيرة، بما في ذلك الأضرار التي تلحق بالجهاز الدموي والاضطرابات الإدراكية لدى الأطفال. BPA، وهو ملوث عضوي، مرتبط باضطرابات الغدد الصماء حتى عند تركيزات منخفضة. نظرًا للتأثيرات الضارة لهذه الملوثات، يؤكد البحث على الحاجة إلى تقنيات إزالة فعالة، وخاصة من خلال طرق الامتصاص، التي تُفضل بسبب جدواها الاقتصادية وسهولة تشغيلها.
تقترح الورقة نهجًا جديدًا لتعزيز قدرة الامتصاص للهيدروشار (HC) عن طريق تعديله باستخدام بولي كلوريد الفينيل (PVC) من خلال الكربنة الهيدروحرارية المشتركة (Co-HTC) جنبًا إلى جنب مع قش الذرة (CS). لا تعالج هذه الطريقة فقط تحديات إدارة نفايات PVC ولكن تهدف أيضًا إلى تحسين خصائص الامتصاص للمادة. تشمل أهداف البحث إعداد HC مغناطيسي معدل بـ PVC، وتحليل مورفولوجيا السطح ومجموعات الوظائف، وتقييم أداء الامتصاص تحت ظروف مختلفة، واستكشاف الآليات الأساسية لإزالة Pb(II) وBPA. تكمن ابتكارات الدراسة في دمج تعديل PVC والمغنطة لإنشاء مادة ماصة أكثر فعالية مع تعزيز الاستدامة البيئية من خلال إعادة استخدام النفايات.
طرق
في قسم الطرق، يوضح المؤلفون المواد والمواد الكيميائية المستخدمة في تجاربهم. تم الحصول على جميع المواد الكيميائية، بما في ذلك كلوريد الحديد (III) سداسي الماء (FeCl$_3$•6H$_2$O)، بولي كلوريد الفينيل (PVC)، سترات الصوديوم (Na$_3$C$_6$H$_5$O$_7$•2H$_2$O)، نترات الرصاص (II) (Pb(NO$_3$)$_2$•5H$_2$O)، وأسيتات الصوديوم (CH$_3$COONa)، من شركة Guangdong Wengjiang Chemical Reagent, Ltd. لتحضير محاليل BPA والرصاص (II)، قام المؤلفون بإذابة كميات محددة من جزيئات BPA ومسحوق نترات الرصاص (II) في الماء المقطر. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على الكيتوزان (CS) من مقاطعة خنان، الصين، مما يشير إلى التركيز على المواد المحلية المصدر لإعداد التجارب.
مناقشة
تناقش البحث إعداد وتوصيف هيدروشار مغناطيسي معدل من بولي كلوريد الفينيل (PVC-AMHC) مصمم لامتصاص أيونات الرصاص (Pb(II)) والبيسفينول أ (BPA) من المحاليل المائية. شمل التخليق مزج الهيدروشار مع مواد كيميائية مختلفة وتعريضه للكربنة الهيدروحرارية، تليها تنشيط باستخدام هيدروكسيد الصوديوم. أكدت تقنيات التوصيف مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وطيف تحويل فورييه للأشعة تحت الحمراء (FT-IR)، وحيود الأشعة السينية (XRD) دمج جزيئات الحديد النانوية بنجاح وتطوير هيكل مسامي، مما يعزز قدرات الامتصاص للمادة.
كشفت تجارب الامتصاص أن PVC-AMHC أظهر قدرات امتصاص كبيرة تبلغ 217.53 ملغ/غ للرصاص (Pb(II)) و185.53 ملغ/غ للبيسفينول أ (BPA)، مع إظهار حركيات الامتصاص امتصاصًا سريعًا أوليًا تلاه اقتراب أبطأ نحو التوازن. تأثر عملية الامتصاص بالرقم الهيدروجيني، حيث حدثت إزالة مثلى للرصاص (Pb(II)) بين الرقم الهيدروجيني 2.0 و5.0، بينما ظل امتصاص BPA مستقرًا عبر نطاق أوسع من الرقم الهيدروجيني. كما سلطت الدراسة الضوء على مرونة المادة ضد الكاتيونات المتداخلة وإمكاناتها للتجديد، حيث أظهرت كفاءة تزيد عن 51% بعد عدة دورات. بشكل عام، يمثل PVC-AMHC حلاً واعدًا للإزالة الفعالة للملوثات الخطرة من مياه الصرف، مستفيدًا من مواد رخيصة وتقنيات تعديل بسيطة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44246-024-00171-8
Publication Date: 2025-01-26
Author(s): Fuxuan Bi et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
The research presents the synthesis and characterization of polyvinyl chloride modified magnetic hydrochar (PVC-AMHC) for the effective removal of lead (Pb(II)) and bisphenol A (BPA) from wastewater. PVC-AMHC was created through the co-hydrothermal carbonization of polyvinyl chloride and corn straw, followed by activation with sodium hydroxide (NaOH). Characterization results indicated that both PVC modification and NaOH activation enhanced the oxygen-containing functional groups on the material, and Fe₃O₄ was successfully incorporated onto its surface. The material demonstrated significant adsorption capacities, achieving maximum uptake of Pb(II) at 217.53 mg/g and BPA at 185.53 mg/g within 130 and 30 minutes, respectively, across a broad pH range.
The thermodynamic analysis revealed that the adsorption processes for both contaminants were spontaneous and endothermic. The mechanisms for Pb(II) removal involved complexation, electrostatic attraction, and pore filling, while BPA adsorption was primarily facilitated by hydrogen bonding and pore filling. Notably, PVC-AMHC exhibited strong regeneration capabilities and resistance to interference from various co-existing ions, underscoring its potential as an environmentally friendly adsorbent for simultaneous removal of Pb(II) and BPA from contaminated water, thereby addressing challenges related to PVC waste reuse.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the pressing issue of heavy metal and organic pollutants, particularly lead (Pb(II)) and bisphenol A (BPA), in aquatic environments due to urbanization. Pb(II) is prevalent in various industries and poses significant health risks, including damage to the blood system and cognitive impairments in children. BPA, an organic pollutant, is linked to endocrine disorders even at low concentrations. Given the harmful effects of these pollutants, the study emphasizes the need for effective removal techniques, particularly through adsorption methods, which are favored for their economic viability and operational convenience.
The paper proposes a novel approach to enhance the adsorption capacity of hydrochar (HC) by modifying it with polyvinyl chloride (PVC) through co-hydrothermal carbonization (Co-HTC) alongside corn straw (CS). This method not only addresses the challenges of PVC waste management but also aims to improve the material’s adsorption properties. The research objectives include the preparation of PVC-modified magnetic HC, analysis of surface morphology and functional groups, evaluation of adsorption performance under various conditions, and exploration of the underlying mechanisms of Pb(II) and BPA removal. The study’s innovations lie in the integration of PVC modification and magnetization to create a more effective adsorbent while promoting environmental sustainability through waste reutilization.
Methods
In the Methods section, the authors detail the materials and chemicals utilized in their experiments. All chemicals, including iron(III) chloride hexahydrate (FeCl$_3$•6H$_2$O), polyvinyl chloride (PVC), sodium citrate (Na$_3$C$_6$H$_5$O$_7$•2H$_2$O), lead(II) nitrate (Pb(NO$_3$)$_2$•5H$_2$O), and sodium acetate (CH$_3$COONa), were sourced from Guangdong Wengjiang Chemical Reagent, Ltd. To prepare the BPA and lead(II) solutions, the authors dissolved specific quantities of BPA particles and lead(II) nitrate powder in distilled water. Additionally, chitosan (CS) was obtained from Henan Province, China, indicating a focus on locally sourced materials for the experimental setup.
Discussion
The research discusses the preparation and characterization of a novel polyvinyl chloride modified magnetic hydrochar (PVC-AMHC) designed for the adsorption of lead ions (Pb(II)) and bisphenol A (BPA) from aqueous solutions. The synthesis involved blending hydrochar with various reagents and subjecting it to hydrothermal carbonization, followed by activation with sodium hydroxide. Characterization techniques such as scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and X-ray diffraction (XRD) confirmed the successful incorporation of iron nanoparticles and the development of a porous structure, enhancing the material’s adsorption capabilities.
The adsorption experiments revealed that PVC-AMHC exhibited significant uptake capacities of 217.53 mg/g for Pb(II) and 185.53 mg/g for BPA, with the adsorption kinetics showing rapid initial uptake followed by a slower approach to equilibrium. The adsorption process was influenced by pH, with optimal removal of Pb(II) occurring between pH 2.0 and 5.0, while BPA uptake remained stable across a broader pH range. The study also highlighted the material’s resilience against interfering cations and its potential for regeneration, demonstrating over 51% efficiency after multiple cycles. Overall, PVC-AMHC presents a promising solution for the effective removal of hazardous pollutants from wastewater, leveraging inexpensive materials and simple modification techniques.