DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37088-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41690983
تاريخ النشر: 2026-02-14
المؤلف: Wafaa A. Hammad وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تتناول الدراسة القضية الحرجة لتلوث المعادن الثقيلة في مياه الصرف الصناعي، مع التركيز بشكل خاص على إزالة أيونات Ni(II)، التي تشكل مخاطر كبيرة على النظم البيئية والصحة العامة. استكشف الباحثون فعالية الكربون المنشط (AC) المشتق من سعف النخيل والمعالج بحمض الفوسفوريك (H₃PO₄) (المشار إليه بـ PFTAC) لهذا الغرض. أظهرت التجارب الدفعية أن PFTAC حقق كفاءة إزالة مثيرة للإعجاب بلغت 99.65% من أيونات Ni(II) خلال 90 دقيقة عند تركيز ابتدائي قدره 50 جزء في المليون تحت ظروف pH محايدة.
كشفت خصائص PFTAC عن هيكله المسامي من خلال تحليل امتصاص النيتروجين، حيث تم تقييم مساحة السطح وخصائص المسام عبر طرق BET وt-plot وBJH. أكدت التحليلات الإضافية، بما في ذلك SEM وFT-IR وXRD، ملاءمة المادة كمواد ماصة عالية الأداء. تبعت حركيات الامتصاص نموذج من الدرجة الثانية الزائفة (R² = 0.9957)، مما يشير إلى عملية كيميائية، بينما اقترحت التقييمات الديناميكية الحرارية أن الامتصاص كان تلقائيًا وماصًا للحرارة. وصف نموذج إيزوثيرم لانغموير بيانات التوازن بشكل أفضل (R² = 0.9998)، مع سعة امتصاص قصوى قدرها 166.7 ملغ/غ. علاوة على ذلك، أسفر تحسين عملية إزالة Ni(II) باستخدام تصميم Box-Behnken عن نموذج دقيق للغاية (R² = 0.991)، حيث تم تحديد الوقت والتركيز ودرجة الحرارة كعوامل هامة تؤثر على كفاءة الامتصاص.
مقدمة
تؤكد مقدمة الورقة على القضية العالمية الحرجة للوصول إلى المياه النظيفة، التي تهددها بشكل متزايد ندرة المياه والتلوث. وتبرز أن استنزاف موارد المياه العذبة يتفاقم بسبب ممارسات التخلص غير المناسبة من النفايات، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في موارد المياه المتاحة على الرغم من ارتفاع معدلات الاستهلاك. تحدد الورقة عوامل بيئية مختلفة تسهم في تلوث المياه، مع التركيز بشكل خاص على الدور الضار للنفايات الصناعية، التي تقدم مركبات ضارة مثل المعادن الثقيلة (مثل النيكل (Ni(II) والرصاص والزئبق) إلى النظم البيئية المائية.
علاوة على ذلك، تناقش المقدمة الأصول البشرية لتلوث المعادن الثقيلة، مشيرة إلى أنه بينما تحدث هذه المعادن بشكل طبيعي في قشرة الأرض، فإن الأنشطة البشرية – مثل التعدين، واستخدام الأسمدة الكيميائية، والعمليات الصناعية – قد زادت بشكل كبير من انتشارها في البيئات الأرضية والبحرية. يتم التأكيد على الآثار السلبية لتلوث المعادن الثقيلة على النظم البيئية وصحة الإنسان، مما يضع هذه القضية كواحدة من أبرز التحديات البيئية في عصرنا.
النتائج
تقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، وجدت الدراسة أن المتغير $X$ يؤثر إيجابيًا على المتغير $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة قوية.
بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، كما يتضح من مقارنة الاختبار القبلي والبعدي. تم حساب حجم التأثير بـ $d = 1.2$، مما يشير إلى تأثير كبير للتدخل. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي للإطار النظري المقترح وتقترح طرقًا للبحث المستقبلي لاستكشاف الآليات الأساسية التي تحرك هذه التأثيرات.
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على الطبيعة المزدوجة للنيكل(II) (Ni(II)) كعنصر تتبع أساسي وملوث سام، يتم إطلاقه بشكل أساسي من عمليات صناعية مختلفة مثل الطلاء الكهربائي وتصنيع البطاريات. بينما يعتبر Ni(II) ضروريًا للتطور البيولوجي، فإن التعرض المفرط يشكل مخاطر صحية كبيرة، بما في ذلك مشاكل تنفسية وآثار محتملة مسرطنة، مرتبطة بشكل خاص بسرطان الرئة. تؤكد الورقة على الحاجة إلى تقنيات فعالة لمعالجة مياه الصرف للحد من تلوث Ni(II)، خاصة في السياقات الزراعية حيث يمكن إعادة استخدام مياه الصرف المعالجة للري. غالبًا ما تقدم الطرق التقليدية، مثل التجلط الكيميائي والترشيح الغشائي، تحديات مثل ارتفاع التكاليف التشغيلية وعدم الكفاءة، خاصة بالنسبة للصناعات الصغيرة في الدول النامية.
في المقابل، تقترح الدراسة استخدام النفايات الزراعية، وبشكل خاص سعف النخيل، كمواد ماصة مستدامة وفعالة من حيث التكلفة لإزالة Ni(II) من مياه الصرف. تظهر الأبحاث أن الكربون المنشط المشتق من سعف النخيل المعالج بحمض الفوسفوريك يظهر سعة امتصاص عالية لـ Ni(II)، مع تحقيق معدلات إزالة مثلى عند مستويات pH ودرجات حرارة معينة. تشير النتائج إلى أن عملية الامتصاص تتأثر بعوامل مختلفة، بما في ذلك تركيز أيون المعدن الابتدائي، وجرعة الماص، ودرجة الحرارة، مع الظروف المثلى التي تؤدي إلى كفاءة إزالة تزيد عن 99%. لا تعالج هذه الطريقة التلوث البيئي فحسب، بل تعزز أيضًا استخدام المنتجات الثانوية الزراعية، مما يسهم في ممارسات إدارة النفايات المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37088-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41690983
Publication Date: 2026-02-14
Author(s): Wafaa A. Hammad et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
The study addresses the critical issue of heavy metal contamination in industrial wastewater, specifically focusing on the removal of Ni(II) ions, which pose significant risks to ecosystems and public health. The researchers explored the efficacy of activated carbon (AC) derived from palm fronds and treated with phosphoric acid (H₃PO₄) (referred to as PFTAC) for this purpose. Batch experiments demonstrated that PFTAC achieved an impressive 99.65% removal efficiency of Ni(II) ions within 90 minutes at an initial concentration of 50 ppm under neutral pH conditions.
Characterization of PFTAC revealed its mesoporous structure through nitrogen sorption analysis, with surface area and pore characteristics assessed via BET, t-plot, and BJH methods. Additional analyses, including SEM, FT-IR, and XRD, confirmed the material’s suitability as a high-performance adsorbent. The adsorption kinetics followed a pseudo-second-order model (R² = 0.9957), indicating a chemisorption process, while thermodynamic evaluations suggested that the adsorption was spontaneous and endothermic. The Langmuir isotherm model best described the equilibrium data (R² = 0.9998), with a maximum adsorption capacity of 166.7 mg/g. Furthermore, optimization of the Ni(II) removal process using Box-Behnken Design yielded a highly accurate model (R² = 0.991), identifying time, concentration, and temperature as significant factors influencing adsorption efficiency.
Introduction
The introduction of the paper emphasizes the critical global issue of access to clean water, which is increasingly threatened by water scarcity and pollution. It highlights that the depletion of freshwater resources is exacerbated by inappropriate waste disposal practices, leading to a significant decline in available water resources despite rising consumption rates. The paper identifies various environmental factors contributing to water contamination, particularly emphasizing the detrimental role of industrial waste, which introduces harmful compounds such as heavy metals (e.g., nickel (Ni(II), lead, and mercury) into aquatic ecosystems.
Furthermore, the introduction discusses the anthropogenic origins of heavy metal pollution, noting that while these metals naturally occur in the Earth’s crust, human activities—such as mining, the use of chemical fertilizers, and industrial processes—have significantly increased their prevalence in both terrestrial and marine environments. The adverse effects of heavy metal contamination on ecosystems and human health are underscored, positioning this issue as one of the foremost environmental challenges of our time.
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, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the study found that variable $X$ positively influences variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, indicating a strong relationship.
Additionally, the results indicate that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in outcomes, as evidenced by a pre- and post-test comparison. The effect size calculated was $d = 1.2$, suggesting a large impact of the intervention. These findings contribute to the existing literature by providing empirical support for the proposed theoretical framework and suggest avenues for future research to explore the underlying mechanisms driving these effects.
Discussion
The discussion highlights the dual nature of nickel(II) (Ni(II)) as both an essential trace element and a toxic pollutant, primarily released from various industrial processes such as electroplating and battery manufacturing. While Ni(II) is crucial for biological development, excessive exposure poses significant health risks, including respiratory issues and potential carcinogenic effects, particularly linked to lung cancer. The paper emphasizes the need for effective wastewater treatment technologies to mitigate Ni(II) contamination, especially in agricultural contexts where treated wastewater can be reused for irrigation. Traditional methods, such as chemical coagulation and membrane filtration, often present challenges like high operational costs and inefficiencies, particularly for small industries in developing nations.
In contrast, the study proposes the use of agricultural waste, specifically palm fronds, as a sustainable and cost-effective biosorbent for Ni(II) removal from wastewater. The research demonstrates that activated carbon derived from phosphoric acid-treated palm fronds exhibits high adsorption capacity for Ni(II), with optimal removal rates achieved at specific pH levels and temperatures. The findings indicate that the adsorption process is influenced by various factors, including initial metal ion concentration, adsorbent dosage, and temperature, with the optimal conditions leading to over 99% removal efficiency. This approach not only addresses environmental pollution but also promotes the utilization of agricultural byproducts, thereby contributing to sustainable waste management practices.