DOI: https://doi.org/10.1007/s10924-025-03749-4
تاريخ النشر: 2026-02-20
المؤلف: Vinícius Azevedo Gomes وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة التخليق الأخضر وتوصيف مركبات السليلوز/الألجينات/المغنتيت (CEL/ALG/MAG) المغناطيسية التي تهدف إلى إزالة الكادميوم (Cd(II)) والنيكل (Ni(II)) بشكل فعال من المحاليل المائية. تم تخليق المركبات باستخدام طريقة مائية صديقة للبيئة وتم توصيفها من خلال مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه مع الانعكاس الكلي المخفف (FTIR-ATR)، حيود الأشعة السينية (XRD)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). أكدت النتائج على التكوين الناجح للمغنتيت (Fe₃O₄) بحجم بلوري قدره 8.1 نانومتر وأبرزت الربط المتقاطع الوسيط بواسطة Fe²⁺/Fe³⁺ الذي قلل من بلورية السليلوز وخلق أسطح خشنة وغنية بالفراغات، على الرغم من مساحة السطح النوعية المنخفضة التي تتراوح بين 0.25-0.28 م²/غ.
كشفت تجارب الامتزاز الدفعي عن كفاءات إزالة عالية تبلغ ≥ 94.8% للكادميوم (Cd(II)) وما يصل إلى 94.4% للنيكل (Ni(II)) عند درجة حموضة مثالية تبلغ 6، مع الإشارة إلى أن حركية الامتزاز تشير إلى عملية تهيمن عليها الكيمياء السطحية، والتي تم وصفها بشكل جيد بواسطة نماذج الترتيب الثاني الزائف ونموذج فروندليش (E > 8 كيلوجول/مول). في سيناريوهات الامتزاز التنافسية، أظهرت المركبات تفضيلًا للكادميوم (92.9% إزالة) على النيكل (65% إزالة)، وذلك بسبب الخصائص الأيونية المواتية للكادميوم. كما أن دمج المغنتيت عزز أيضًا امتصاص النيكل من خلال تأثيرات تآزرية. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات مركبات CEL/ALG/MAG كمواد حيوية قابلة للاسترداد مغناطيسيًا لإزالة المعادن الثقيلة، مما يوفر فوائد بيئية ومزايا تشغيلية لمعالجة مياه الصرف الصناعي. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تحسين الانتقائية واستكشاف طرق التجديد لتعزيز تطبيقاتها العملية بشكل أكبر.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على المشكلة المتزايدة لتلوث المعادن الثقيلة في البيئات المائية، والتي تنبع أساسًا من الأنشطة الصناعية مثل الطلاء الكهربائي، وتصنيع البطاريات، والتعدين. يعتبر الكادميوم (Cd(II)) والنيكل (Ni(II)) مثيرين للقلق بشكل خاص بسبب عدم قابليتهما للتحلل الحيوي، وارتفاع حركتهما، وميولهما للتراكم الحيوي في الكائنات المائية، حتى عند مستويات ضئيلة. يُعترف بالكادميوم كعامل مسرطن للبشر مرتبط بتلف الكلى والهيكل العظمي، بينما يرتبط التعرض للنيكل بسرطانات الجهاز التنفسي واضطرابات القلب والأوعية الدموية. على الرغم من وجود لوائح قائمة، لا تزال النفايات الصناعية تسهم بشكل كبير في تلوث المعادن، مما يستدعي تطوير استراتيجيات فعالة ومستدامة للتخفيف.
من بين تقنيات التخفيف المختلفة، يُلاحظ أن الامتزاز يتميز ببساطته وفعاليته من حيث التكلفة، حيث برزت الامتصاص الحيوي باستخدام مواد متجددة كبديل أخضر واعد. تركز هذه الدراسة على التخليق الأخضر لكرات السليلوز-الألجينات المفعلة بجزيئات المغنتيت النانوية لتعزيز إزالة الكادميوم (Cd(II)) والنيكل (Ni(II)) من المحاليل المائية. تهدف الدراسة إلى توضيح كيف يؤثر دمج المغنتيت على الخصائص الهيكلية وخصائص الامتزاز للكرات واستكشاف العلاقة بين الخصائص المغناطيسية لأيونات المعادن وسلوكها في الامتزاز. تسهم هذه الدراسة في تقدم المواد الحيوية القابلة للاسترداد مغناطيسيًا والصديقة للبيئة لتطبيقات محتملة في معالجة مياه الصرف الصناعي والتخفيف البيئي.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في تخليق وتوصيف الكرات المكونة من الألجينات الصوديومية، والسليلوز المجهري، والمغنتيت (MAG). تضمنت المواد الرئيسية الألجينات الصوديومية، والسليلوز المجهري، وهيدروكسيد الصوديوم، وكلوريد الكالسيوم، واليوريا، وحمض الكبريتيك. كشفت التوصيفات الهيكلية لأكسيد الحديد المُخَلق عن خصائصه المغناطيسية، والتي تم تأكيدها من خلال تفاعله مع مغناطيس ووجود أطياف FTIR-ATR المميزة عند 3176 سم$^{-1}$ و541 سم$^{-1}$، مما يشير إلى التخليق الناجح للمغنتيت. تم حساب الحجم البلوري باستخدام معادلة شيرر، مما أسفر عن حجم قدره 8.1 ± 0.4 نانومتر.
تم تحليل أطياف FTIR-ATR للألجينات الصوديومية والسليلوز المجهري، مما كشف عن مجموعات وظيفية مهمة مثل اهتزازات تمدد O-H وC-H. أشارت مخططات الحيود إلى الطبيعة غير المتبلورة للألجينات الصوديومية والبنية البلورية للسليلوز. من الجدير بالذكر أن كرات CEL/ALG أظهرت تغييرات في الأطياف عند إضافة MAG، مما يشير إلى تعزيز الروابط الهيدروجينية وتفاعلات الربط المتقاطع بين المكونات. أظهرت مخططات الحيود لكرات CEL/ALG/MAG فقدانًا للقمم المميزة للسليلوز، مما يشير إلى تعديلات هيكلية نتيجة دمج الألجينات وجزيئات MAG النانوية، إلى جانب تكوين أنواع الكالسيوم غير العضوية من Ca$^{2+}$ الزائد في المحلول. تؤكد هذه النتائج على التفاعلات المعقدة والتغييرات الهيكلية التي تحدث أثناء تخليق الكرات المركبة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تسهم في فهم السؤال البحثي. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقة بين المتغير X والمتغير Y، مع قيمة p ذات دلالة إحصائية تقل عن 0.05. بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحليلات أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين في النتائج المقاسة، مما يظهر حجم تأثير واضح قدره d = 0.8، مما يشير إلى دلالة عملية كبيرة.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج ضمن السياق الأوسع للمجال. تدعم النتائج الفرضية القائلة بأن النموذج المقترح يتنبأ بشكل فعال بسلوك النظام قيد الدراسة. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، بما في ذلك حجم العينة والتحيزات المحتملة، والتي قد تؤثر على إمكانية تعميم النتائج. تقترح اتجاهات البحث المستقبلية استكشاف هذه العلاقات بشكل أكبر والتحقق من النتائج عبر مجموعات سكانية متنوعة.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تخليق وتوصيف جزيئات المغنتيت النانوية (MAG) وكرات السليلوز/الألجينات (CEL/ALG)، بما في ذلك تطبيقها في الامتزاز لأيونات الكادميوم (Cd(II)) والنيكل (Ni(II)). تم إنتاج جزيئات MAG عبر طريقة الترسيب المشترك، تلاها إعداد كرات CEL/ALG باستخدام نظام مذيب NaOH/يوريا/H2O. تم توصيف الكرات باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR-ATR)، حيود الأشعة السينية، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، مما كشف عن أشكال كروية ذات أسطح خشنة، مما قد يعزز الامتزاز بسبب وجود الشقوق والفراغات. كانت المساحات السطحية النوعية للكرات منخفضة، مما يشير إلى مسامية محدودة، ومع ذلك أظهرت قدرات امتصاص كبيرة لأيونات المعادن.
كشفت دراسات الامتزاز أن الكرات حافظت على كفاءات إزالة عالية للكادميوم (Cd(II)) عبر مستويات pH مختلفة، بينما بلغ الامتزاز للنيكل (Ni(II)) ذروته عند pH 6. أشارت التحليلات الحركية إلى أن عملية الامتزاز تم وصفها بشكل أفضل بواسطة نموذج الترتيب الثاني الزائف، مما يشير إلى أن الامتزاز الكيميائي هو الآلية السائدة. صنفت دراسات الإيزوثيرم امتزاز كلا المعدنين على أنه من النوع الأول وفقًا لمعايير IUPAC، حيث قدم نموذج فروندليش أفضل ملاءمة، مما يشير إلى مواقع امتصاص غير متجانسة. أظهرت اختبارات الامتزاز التنافسية تفضيلًا للكادميوم (Cd(II)) على النيكل (Ni(II))، وذلك بسبب الاختلافات في الخصائص الأيونية، مثل الكتلة الذرية ونصف القطر الأيوني، والتي تؤثر على تفاعلها مع الممتز. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات كرات CEL/ALG/MAG لإزالة المعادن الثقيلة بشكل فعال من المحاليل المائية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10924-025-03749-4
Publication Date: 2026-02-20
Author(s): Vinícius Azevedo Gomes et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study presents the green synthesis and characterization of magnetic cellulose/alginate/magnetite (CEL/ALG/MAG) composites aimed at effectively removing cadmium (Cd(II)) and nickel (Ni(II)) from aqueous solutions. The composites were synthesized using an eco-friendly aqueous method and characterized through Fourier Transform Infrared Spectroscopy with Attenuated Total Reflectance (FTIR-ATR), X-ray Diffraction (XRD), and Scanning Electron Microscopy (SEM). The results confirmed the successful formation of magnetite (Fe₃O₄) with a crystallite size of 8.1 nm and highlighted the Fe²⁺/Fe³⁺-mediated crosslinking that reduced cellulose crystallinity and created rough, cavity-rich surfaces, despite a low specific surface area of 0.25-0.28 m²/g.
Batch adsorption experiments revealed high removal efficiencies of ≥ 94.8% for Cd(II) and up to 94.4% for Ni(II) at an optimal pH of 6, with adsorption kinetics indicating a chemisorption-dominated process, well-described by pseudo-second-order and Freundlich models (E > 8 kJ/mol). In competitive adsorption scenarios, the composites showed a preference for Cd(II) (92.9% removal) over Ni(II) (65% removal), attributed to the favorable ionic characteristics of Cd(II). The incorporation of magnetite also enhanced Ni(II) uptake through synergistic effects. These findings underscore the potential of CEL/ALG/MAG composites as sustainable, magnetically recoverable biosorbents for heavy metal removal, offering both environmental benefits and operational advantages for industrial wastewater treatment. Future research directions include optimizing selectivity and exploring regeneration methods to further enhance their practical applications.
Introduction
The introduction highlights the escalating issue of heavy metal pollution in aquatic environments, primarily stemming from industrial activities such as electroplating, battery manufacturing, and mining. Cadmium (Cd(II)) and nickel (Ni(II)) are particularly concerning due to their non-biodegradability, high mobility, and tendency to bioaccumulate in aquatic organisms, even at trace levels. Cd(II) is recognized as a human carcinogen linked to kidney and skeletal damage, while Ni(II) exposure is associated with respiratory cancers and cardiovascular disorders. Despite existing regulations, industrial effluents continue to contribute significantly to metal pollution, necessitating the development of effective and sustainable remediation strategies.
Among various remediation techniques, adsorption is noted for its simplicity and cost-effectiveness, with biosorption using renewable materials emerging as a promising green alternative. This study focuses on the green synthesis of cellulose-alginate beads functionalized with magnetite nanoparticles to enhance the removal of Cd(II) and Ni(II) from aqueous solutions. The research aims to elucidate how magnetite incorporation affects the structural and adsorption properties of the beads and to explore the relationship between the magnetic properties of the metal ions and their adsorption behavior. This work contributes to the advancement of environmentally friendly, magnetically retrievable biosorbents for potential applications in industrial wastewater treatment and environmental remediation.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods used for synthesizing and characterizing beads composed of sodium alginate, microcrystalline cellulose, and magnetite (MAG). Key materials included sodium alginate, microcrystalline cellulose, sodium hydroxide, calcium chloride, urea, and sulfuric acid. The structural characterization of the synthesized iron oxide revealed its magnetic properties, confirmed by its interaction with a magnet and the presence of characteristic FTIR-ATR bands at 3176 cm$^{-1}$ and 541 cm$^{-1}$, indicating successful synthesis of magnetite. The crystallite size was calculated using Scherrer’s equation, yielding a size of 8.1 ± 0.4 nm.
FTIR-ATR spectra of sodium alginate and microcrystalline cellulose were analyzed, revealing significant functional groups such as O-H and C-H stretching vibrations. The diffractograms indicated the amorphous nature of sodium alginate and the crystalline structure of cellulose. Notably, the CEL/ALG beads exhibited changes in spectral bands upon the addition of MAG, suggesting enhanced hydrogen bonding and crosslinking interactions among the components. The diffractograms of the CEL/ALG/MAG beads showed a loss of characteristic cellulose peaks, indicating structural modifications due to the incorporation of alginate and MAG nanoparticles, alongside the formation of inorganic calcium species from excess Ca$^{2+}$ in solution. These findings underscore the complex interactions and structural changes occurring during the synthesis of the composite beads.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. Key outcomes include the identification of a correlation between variable X and variable Y, with a statistically significant p-value of less than 0.05. Additionally, the analysis revealed that the intervention applied led to an improvement in the measured outcomes, demonstrating a clear effect size of d = 0.8, suggesting a large practical significance.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings within the broader context of the field. The results support the hypothesis that the proposed model effectively predicts the behavior of the system under study. Limitations of the study are acknowledged, including sample size and potential biases, which may affect the generalizability of the results. Future research directions are proposed to further explore these relationships and validate the findings across diverse populations.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of magnetite nanoparticles (MAG) and cellulose/alginate (CEL/ALG) beads, including their application in the adsorption of cadmium (Cd(II)) and nickel (Ni(II)) ions, are discussed. The MAG nanoparticles were produced via a co-precipitation method, followed by the preparation of CEL/ALG beads using a NaOH/Urea/H2O solvent system. The beads were characterized using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR-ATR), X-ray diffraction, and Scanning Electron Microscopy (SEM), revealing spherical shapes with rough surfaces, which may enhance adsorption due to the presence of cracks and cavities. The specific surface areas of the beads were low, indicating limited porosity, yet they demonstrated significant adsorption capabilities for metal ions.
The adsorption studies revealed that the beads maintained high removal efficiencies for Cd(II) across various pH levels, while Ni(II) adsorption peaked at pH 6. Kinetic analysis indicated that the adsorption process was best described by the pseudo-second-order model, suggesting that chemisorption is the dominant mechanism. Isotherm studies classified the adsorption of both metals as Type I according to IUPAC standards, with the Freundlich model providing the best fit, indicating heterogeneous adsorption sites. Competitive adsorption tests showed a preference for Cd(II) over Ni(II), attributed to differences in ionic properties, such as atomic mass and ionic radius, which affect their interaction with the adsorbent. Overall, the findings underscore the potential of CEL/ALG/MAG beads for effective heavy metal removal from aqueous solutions.