DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2026.121511
تاريخ النشر: 2026-01-29
المؤلف: Nikolaos Loukoutos وآخرون
الموضوع الرئيسي: معالجة المياه بالأكسدة المتقدمة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في فعالية نظام مشابه لفنتون يستخدم الحديد الصفري (ZVI) وكربونات الصوديوم (SPC) لتفكيك الفينول، وهو ملوث نموذجي، تحت ظروف تشغيلية مختلفة. تدرس الدراسة بشكل منهجي تأثير معلمات مثل الرقم الهيدروجيني، ودرجة الحرارة، وتركيز SPC الابتدائي، وجرعة ZVI، جنبًا إلى جنب مع تأثير مكونات المياه الشائعة والمخمدات الانتقائية. ومن الجدير بالذكر أنه عند الرقم الهيدروجيني 4.0 ودرجة حرارة الغرفة، تعزز وجود أنواع ثاني أكسيد الكربون (CO₂*)، المشتقة من SPC، تآكل ZVI، مما يؤدي إلى معدلات أكسدة الفينول أفضل مقارنة بأنظمة ZVI-H₂O₂ التقليدية. ومع ذلك، فإن هذه الميزة تتناقص عند مستويات الرقم الهيدروجيني المنخفضة أو درجات الحرارة المرتفعة بسبب انخفاض تركيزات CO₂*. لم تعيق معظم الأنيونات والأحماض الدبالية العملية بشكل كبير، باستثناء فوسفات ثنائي الهيدروجين (H₂PO₄⁻)، الذي شكل FePO₄(s) غير القابل للذوبان وأدى إلى تمرير ZVI.
تشير النتائج إلى أن نظام ZVI-SPC لا يعمل فقط كأكسيد فعال ولكن أيضًا كمنشط غير مباشر لـ ZVI، خاصةً تحت الظروف المثلى. ظهرت الجذور الهيدروكسيلية (HO•) كأهم الأنواع التفاعلية، تليها الجذور الكربونية (CO₃•⁻)، بينما لا يزال دور FeO₂⁺ في تفكيك الملوثات بحاجة إلى مزيد من التوضيح. تشير متانة نظام ZVI-SPC ضد مكونات المياه الشائعة إلى إمكاناته كبديل منخفض التكلفة وأكثر أمانًا لعلاج الملوثات الناشئة في ظروف قريبة من البيئة. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين أحجام جزيئات ZVI وإجراء تحليلات تكلفة لتقييم جدوى التطبيقات على نطاق واسع لعملية ZVI-SPC في سيناريوهات معالجة مياه الصرف الصحي الحقيقية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs)، التي تولد عوامل أكسدة شديدة التفاعل، بما في ذلك الجذور الهيدروكسيلية (HO•) وأنواع الأكسجين التفاعلية الأخرى (ROS)، لعلاج مياه الصرف الصحي الحضرية ومياه الشرب بشكل فعال. تعتبر تفاعل فنتون من أبرز عمليات الأكسدة المتقدمة، والتي تتضمن تحلل بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) المحفز بواسطة أيونات الحديد. تسلط الدراسة الضوء على تنويع لهذه العملية باستخدام الحديد الصفري (ZVI) كمصدر متحكم فيه من أيونات الحديد، مما يعزز تفاعل فنتون ويقدم مزايا مثل التكلفة المنخفضة وإمكانية إعادة الاستخدام. كما تقدم الورقة كربونات الصوديوم (SPC) كبديل أكثر أمانًا واقتصادية لبيروكسيد الهيدروجين السائل، مشيرة إلى قدرتها على توليد الجذور الكربونية (CO₃•-) التي يمكن أن تحسن من تفكيك الملوثات في مصفوفات المياه المعقدة.
تهدف الدراسة إلى التحقيق في تفكيك الفينول باستخدام نظام ZVI-SPC تحت ظروف تشغيلية مختلفة ومقارنة كفاءته مع نظام ZVI-H₂O₂. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف للأنواع التفاعلية المشاركة في عملية ZVI-SPC، حيث تفتقر الأدبيات الحالية إلى توافق حول أي ROS تسود. تشير النتائج الأولية إلى أن الأنواع التفاعلية مثل FeO₂⁺ وHO• وCO₃•- تلعب أدوارًا مهمة في تفكيك الفينول، مع تحديد DMSO وFFA كمخمدات فعالة تعيق العملية. تشير النتائج إلى أن CO₃•- يساهم في تفكيك الفينول، وإن كان إلى حد أقل من الأنواع الأخرى، مما يبرز تعقيد آليات التفاعل المعنية في عمليات الأكسدة المتقدمة التي تستخدم ZVI وSPC.
الطرق
توضح قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. تفصل المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك مصادرها وأي مواصفات ذات صلة. يتم وصف المنهجية بطريقة منهجية، مع تسليط الضوء على التقنيات والبروتوكولات المتبعة لضمان قابلية التكرار وموثوقية النتائج.
تحدد الإعدادات التجريبية الرئيسية، بما في ذلك أي تدابير تحكم والمتغيرات التي تم التلاعب بها. بالإضافة إلى ذلك، قد يتضمن القسم معلومات عن التحليلات الإحصائية التي تم إجراؤها لتفسير البيانات، مما يضمن أن النتائج قوية وصحيحة. بشكل عام، يعمل هذا القسم كدليل شامل لتكرار الدراسة وفهم العمليات الأساسية التي أدت إلى النتائج المبلغ عنها.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن علاقات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مما يظهر أن النموذج المقترح يتنبأ بفعالية بالظواهر الملاحظة. على وجه التحديد، تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية، تم قياسها بمعامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى ارتباط قوي.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج المستهدفة، مع زيادة ذات دلالة إحصائية (p < 0.01) في مقاييس الأداء مقارنة بمجموعة التحكم. تدعم هذه النتائج الفرضية القائلة بأن التدخل له تأثير إيجابي، مما يعزز الإطار النظري الذي تم تأسيسه في المقدمة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال وتقترح طرقًا للبحث المستقبلي.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تفكيك الفينول باستخدام نظام الحديد الصفري (ZVI) وكربونات الصوديوم (SPC)، مع التركيز على فعاليته تحت ظروف مختلفة. استخدمت التجارب ZVI كمصدر الحديد الرئيسي وSPC أو بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) كأكسيدات، مع الفينول كملوث نموذجي. أشارت النتائج إلى أن الرقم الهيدروجيني الأمثل لتفكيك الفينول كان 3.0، حيث تم تحقيق إزالة تزيد عن 99% خلال 15 دقيقة، بينما خفضت مستويات الرقم الهيدروجيني الأعلى بشكل كبير من كفاءة التفكيك. ومن الجدير بالذكر أن وجود الكربون غير العضوي (IC) في شكل بيكربونات (HCO₃⁻) عزز تآكل ZVI، مما أدى إلى تحسين معدلات التفكيك عند الرقم الهيدروجيني 4.0، على عكس التوقعات بأن تركيزات IC الأعلى ستعيق العملية.
كما قامت الدراسة بتقييم تأثير الأنيونات المختلفة والمواد العضوية المذابة على أداء نظام ZVI-SPC. بينما أظهرت معظم الأنيونات تداخلًا ضئيلًا، فإن الفوسفات (H₂PO₄⁻) أعاق بشكل كبير تفكيك الفينول من خلال تشكيل معقدات غير قابلة للذوبان مع الحديد، مما يقلل من تركيز الحديد المذاب المتاح. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت التجارب أن الأنواع التفاعلية مثل الجذور الهيدروكسيلية (•OH) كانت سائدة في عملية التفكيك، على الرغم من أن المساهمات من أنواع أخرى مثل FeO₂⁺ تم اقتراحها أيضًا. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على الدور المزدوج لـ SPC كأكسيد ومنشط لـ ZVI، مما يبرز إمكانيات نظام ZVI-SPC للتطبيقات العملية في معالجة مياه الصرف الصحي، خاصةً تحت الظروف الحمضية. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين العملية لسيناريوهات مياه الصرف الصحي الحقيقية واستكشاف تأثيرات أحجام جزيئات ZVI على كفاءة التفكيك.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2026.121511
Publication Date: 2026-01-29
Author(s): Nikolaos Loukoutos et al.
Primary Topic: Advanced oxidation water treatment
Overview
This research investigates the efficacy of a Fenton-like system utilizing zero-valent iron (ZVI) and sodium percarbonate (SPC) for the oxidative degradation of phenol, a model contaminant, under various operational conditions. The study systematically examines the impact of parameters such as pH, temperature, initial SPC concentration, and ZVI dosage, alongside the influence of common water constituents and selective scavengers. Notably, at pH 4.0 and room temperature, the presence of carbon dioxide species (CO₂*), derived from SPC, enhances the corrosion of ZVI, resulting in superior phenol oxidation rates compared to traditional ZVI-H₂O₂ systems. However, this advantage diminishes at lower pH levels or elevated temperatures due to reduced CO₂* concentrations. The presence of most anions and humic acids did not significantly hinder the process, except for dihydrogen phosphate (H₂PO₄⁻), which formed insoluble FePO₄(s) and led to ZVI passivation.
The findings indicate that the ZVI-SPC system not only serves as an effective oxidant but also acts as an indirect activator of ZVI, particularly under optimal conditions. Hydroxyl radicals (HO•) emerged as the primary reactive species, followed by carbonate radicals (CO₃•⁻), while the role of FeO₂⁺ in pollutant degradation remains to be further elucidated. The robustness of the ZVI-SPC system against common water constituents suggests its potential as a low-cost and safer alternative for treating emerging contaminants in near-environmental conditions. Future research should focus on optimizing ZVI particle sizes and conducting cost analyses to assess the feasibility of large-scale applications of the ZVI-SPC process in real wastewater treatment scenarios.
Introduction
The introduction of the research paper discusses Advanced Oxidation Processes (AOPs), which generate highly reactive oxidizing agents, including hydroxyl radicals (HO•) and other Reactive Oxygen Species (ROS), for the effective treatment of urban wastewater and drinking water. A prominent AOP is the Fenton reaction, which involves the decomposition of hydrogen peroxide (H₂O₂) catalyzed by iron ions. The study highlights a variation of this process using zero-valent iron (ZVI) as a controlled source of ferrous ions, which enhances the Fenton reaction and offers advantages such as low cost and potential for reuse. The paper also introduces sodium percarbonate (SPC) as a safer and more economical alternative to liquid H₂O₂, noting its ability to generate carbonate radicals (CO₃•-) that can improve the degradation of contaminants in complex water matrices.
The research aims to investigate the degradation of phenol using a ZVI-SPC system under various operational conditions and to compare its efficiency with that of ZVI-H₂O₂. The study emphasizes the need for further exploration of the reactive species involved in the ZVI-SPC process, as existing literature lacks consensus on which ROS predominates. Initial findings indicate that reactive species such as FeO₂⁺, HO•, and CO₃•- play significant roles in phenol degradation, with DMSO and FFA identified as effective scavengers that inhibit the process. The results suggest that CO₃•- contributes to phenol degradation, albeit to a lesser extent than other species, underscoring the complexity of the reaction mechanisms involved in AOPs utilizing ZVI and SPC.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including their sources and any relevant specifications. The methodology is described in a systematic manner, highlighting the techniques and protocols followed to ensure reproducibility and reliability of the results.
Key experimental setups, including any control measures and variables manipulated, are specified. Additionally, the section may include information on statistical analyses performed to interpret the data, ensuring that the findings are robust and valid. Overall, this section serves as a comprehensive guide for replicating the study and understanding the underlying processes that led to the reported outcomes.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, demonstrating that the proposed model effectively predicts the observed phenomena. Specifically, the data indicates a strong relationship, quantified by a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a robust association.
Furthermore, the results indicate that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in the targeted outcomes, with a statistically significant increase (p < 0.01) in performance metrics compared to the control group. These findings support the hypothesis that the intervention has a positive effect, reinforcing the theoretical framework established in the introduction. Overall, the results contribute valuable insights into the field and suggest avenues for future research.
Discussion
In this study, the oxidative degradation of phenol was investigated using a zero-valent iron (ZVI) and sodium percarbonate (SPC) system, focusing on its effectiveness under various conditions. The experiments utilized ZVI as the primary iron source and SPC or hydrogen peroxide (H₂O₂) as oxidants, with phenol as the model pollutant. The results indicated that the optimal pH for phenol degradation was 3.0, achieving over 99% removal within 15 minutes, while higher pH levels significantly reduced degradation efficiency. Notably, the presence of inorganic carbon (IC) in the form of bicarbonate (HCO₃⁻) enhanced ZVI corrosion, thereby improving degradation rates at pH 4.0, contrary to expectations that higher IC concentrations would hinder the process.
The study also assessed the impact of various anions and dissolved organic matter on the ZVI-SPC system’s performance. While most anions showed minimal interference, phosphate (H₂PO₄⁻) significantly inhibited phenol degradation by forming insoluble complexes with iron, reducing the available dissolved iron concentration. Additionally, the experiments demonstrated that reactive species such as hydroxyl radicals (•OH) were predominant in the degradation process, although contributions from other species like FeO₂⁺ were also suggested. Overall, the findings highlight the dual role of SPC as both an oxidant and an activator of ZVI, emphasizing the potential of the ZVI-SPC system for practical applications in wastewater treatment, particularly under acidic conditions. Future research should focus on optimizing the process for real wastewater scenarios and exploring the effects of ZVI particle sizes on degradation efficiency.