DOI: https://doi.org/10.1007/s42773-024-00387-2
تاريخ النشر: 2025-01-02
المؤلف: Yuan Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: معالجة المياه بالأكسدة المتقدمة
نظرة عامة
تتناول هذه الورقة البحثية دور حمض الهيوميك (HA) كعنصر مهم من المواد العضوية الطبيعية (NOM) وتأثيراته على معالجة المياه، خاصة فيما يتعلق بتكوين نواتج التطهير الضارة وآثارها السلبية على صحة الإنسان والبيئة. يلخص المؤلفون فعالية الفحم الحيوي والفحم الحيوي المعدل في إزالة NOM الشبيه بـ HA من المياه، مع تسليط الضوء على الآليات المعنية، بما في ذلك الامتزاز من خلال ملء المسام، والتفاعلات الكهروستاتيكية، وتكديس π-π، وروابط الهيدروجين، بالإضافة إلى العمليات المؤكسدة التي تسهلها الجذور الحرة النشطة مثل ⋅OH، ⋅O₂⁻، SO₄⁻⋅، و¹O₂.
تخلص الورقة إلى التأكيد على الحاجة إلى مزيد من البحث في تعديل الفحم الحيوي لتعزيز أدائه التحفيزي وتأثيراته التآزرية مع المؤكسدات من أجل التحلل المعدني الكامل لـ HA إلى CO₂ وH₂O. كما تحدد الفجوات في الأبحاث الحالية، خاصة فيما يتعلق بتقييم سلامة الفحم الحيوي، والمخاطر البيئية المحتملة المرتبطة باستخدامه، وإعادة تدوير الفحم الحيوي بعد الامتزاز. يدعو المؤلفون إلى نهج أكثر شمولاً لتطبيق الفحم الحيوي في معالجة المياه، مع معالجة كل من فعاليته وآثاره البيئية لتعزيز الممارسات المستدامة في إدارة NOM.
مقدمة
**مقدمة**
حمض الهيوميك (HA) هو مادة ماكرومولكولية معقدة تتشكل أساسًا من التحلل الميكروبي لمخلفات النباتات وأنسجة الحيوانات. يتميز بقدرته على الذوبان في المحاليل القلوية ويفتقر إلى وزن جزيئي أو صيغة هيكلية محددة. على الرغم من هذه التعقيدات، اقترح الباحثون نماذج هيكلية محاكاة لـ HA، والتي تتكون من الكربون (C)، والهيدروجين (H)، والأكسجين (O)، والنيتروجين (N)، والكبريت (S)، وعناصر أخرى، حيث يشكل الكربون أكثر من نصف كتلته. يتضمن هيكل HA حلقات عطرية وأليسيكلية، بالإضافة إلى مجموعات وظيفية متنوعة مثل الكربوكسيل، والهيدروكسيل الفينولي، والكربونيل، والكينون، والأمين، ومجموعات الميثوكسي، مما يساهم في تفاعليته الكيميائية.
HA شائع في البيئات الطبيعية، بما في ذلك المياه الجوفية، والمياه السطحية، ومياه الشرب، وكذلك في مرافق معالجة مياه الصرف الصحي البلدية، مع تركيزات تتراوح من الميكروغرامات إلى المليغرامات لكل لتر. إن وجوده المستمر في النظم البيئية المائية، حتى عند تركيزات منخفضة، يشكل مخاطر على سلامة المياه وصحة الإنسان، مما يبرز أهميته كعامل بيئي حاسم.
طرق
في هذا القسم، يناقش المؤلفون قيود طرق الإزالة الفردية لحمض الهيوميك (HA) بسبب هيكله المعقد، داعين إلى استخدام طرق تآزرية لتعزيز كفاءة الإزالة. يتم استخدام تركيبات مختلفة من تقنيات المعالجة، بما في ذلك تفاعل الامتزاز-فينتون، وتحفيز الامتزاز-بيرسلفات، وتفاعل فوتوكاتاليز-فينتون، لتحقيق معدلات إزالة أعلى. على سبيل المثال، أظهر ليو وآخرون (2022) أن استخدام الفحم الحيوي للامتزاز جنبًا إلى جنب مع بيرسلفات وتحفيز الميكروويف أدى إلى معدلات إزالة HA تصل إلى 85.06%. ساعدت الفقاعات الناتجة عن الميكروويف في توليد جذور الكبريتات ($SO_4^{\cdot-}$)، التي تمتلك إمكانات أكسدة عالية، مما يعزز عملية التحلل.
بالإضافة إلى ذلك، استخدم أوسكوي وآخرون (2016) ظروفًا حمضية لتعزيز نقل الإلكترونات، مستفيدين من الإمكانات العالية لـ $SO_4^{\cdot-}$ في عملية أكسدة متقدمة مزدوجة (AOP) تشمل بيرسلفات وتحفيز الضوء فوق البنفسجي، محققين تحلل HA كبير. علاوة على ذلك، استكشف ترونغ وآخرون (2020a) إزالة المواد العضوية الطبيعية (NOM) بالتحفيز الضوئي في نظام بيروكسيد الهيدروجين ($H_2O_2$)، ووجدوا أن الجذور الهيدروكسيلية ($\cdot OH$) المنتجة بالتزامن مع التحفيز الضوئي كسرت بفعالية الهياكل العطرية ومجموعات الكربوكسيل، مما أدى إلى تحويل الجزيئات العضوية الصغيرة إلى مركبات غير عضوية.
نقاش
تسلط قسم النقاش في الورقة الضوء على الدور المتعدد الجوانب لحمض الهيوميك (HA) في جودة المياه، مشددًا على تأثيره على اللون والطعم وتكوين نواتج التطهير السامة. إن الهيكل الجزيئي المعقد لـ HA يعقد إزالته، مما يحفز البحث في عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) المختلفة مثل تفاعلات فينتون، والتحفيز الضوئي، وطرق الامتزاز. من بين هذه، برز الفحم الحيوي كمواد ماصة واعدة منخفضة التكلفة بسبب خصائص سطحه المواتية وقدرته على التعديل لتحسين خصائص الامتزاز والتحفيز.
تتأثر فعالية الفحم الحيوي في إزالة HA بعدة عوامل، بما في ذلك مصدره، ودرجة حرارة التحلل الحراري، وطرق التعديل. تنتج مصادر الكتلة الحيوية المختلفة فحومًا حيوية بخصائص فيزيائية كيميائية مميزة، تؤثر على قدراتها على الامتزاز. عادةً ما تعزز درجات حرارة التحلل الحراري الأعلى من مساحة السطح وبنية المسام للفحم الحيوي، مما يحسن كفاءة إزالة الملوثات. علاوة على ذلك، يمكن أن تعزز تقنيات التعديل المختلفة—مثل تحميل المعادن، ومعالجة الحمض/القلوي، وإدخال البوليمر—بشكل كبير من قدرات امتصاص الفحم الحيوي من خلال زيادة المواقع النشطة وتحسين الخصائص السطحية. تؤكد الورقة على الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف لعلاقات الهيكل-النشاط بين الفحم الحيوي وHA، بالإضافة إلى الآليات الكامنة وراء إزالة HA، لتحسين تطبيقات الفحم الحيوي في معالجة المياه.
DOI: https://doi.org/10.1007/s42773-024-00387-2
Publication Date: 2025-01-02
Author(s): Yuan Li et al.
Primary Topic: Advanced oxidation water treatment
Overview
This review paper focuses on the role of humic acid (HA) as a significant component of natural organic matter (NOM) and its implications for water treatment, particularly concerning the formation of disinfection byproducts and its adverse effects on human health and the environment. The authors summarize the efficacy of biochar and modified biochar in removing HA-like NOM from water, highlighting the mechanisms involved, including adsorption through pore filling, electrostatic interactions, π-π stacking, and hydrogen bonding, as well as oxidative processes facilitated by active free radicals such as ⋅OH, ⋅O₂⁻, SO₄⁻⋅, and ¹O₂.
The paper concludes by emphasizing the need for further research into biochar modification to enhance its catalytic performance and synergistic effects with oxidants for the complete mineralization of HA to CO₂ and H₂O. It also identifies gaps in current research, particularly regarding the safety evaluation of biochar, potential environmental risks associated with its use, and the recycling of biochar post-adsorption. The authors advocate for a more comprehensive approach to biochar application in water treatment, addressing both its efficacy and environmental implications to promote sustainable practices in managing NOM.
Introduction
**Introduction**
Humic acid (HA) is a complex macromolecular substance primarily formed from the microbial decomposition of plant residues and animal tissues. It is characterized by its solubility in alkaline solutions and lacks a definitive molecular weight or structural formula. Despite this complexity, researchers have proposed simulated structural models of HA, which is composed of carbon (C), hydrogen (H), oxygen (O), nitrogen (N), sulfur (S), and other elements, with carbon constituting over half of its mass. The structure of HA includes aromatic and alicyclic rings, along with various functional groups such as carboxyl, phenolic hydroxyl, carbonyl, quinone, amino, and methoxy groups, contributing to its chemical reactivity.
HA is prevalent in natural environments, including groundwater, surface water, and drinking water, as well as in municipal wastewater treatment facilities, with concentrations ranging from micrograms to milligrams per liter. Its persistent presence in aquatic ecosystems, even at low concentrations, poses risks to water safety and human health, highlighting its significance as a critical environmental factor.
Methods
In this section, the authors discuss the limitations of single removal methods for humic acid (HA) due to its complex structure, advocating for the use of synergistic methods to enhance removal efficiency. Various combinations of treatment techniques, including adsorption-Fenton reaction, adsorption-persulfate catalysis, and photocatalysis-Fenton reaction, are employed to achieve higher removal rates. For instance, Liu et al. (2022) demonstrated that using biochar for adsorption alongside persulfate and microwave catalysis resulted in HA removal rates of up to 85.06%. The microwave-induced cavitation facilitated the generation of sulfate radicals ($SO_4^{\cdot-}$), which possess a high redox potential, thereby enhancing the degradation process.
Additionally, Oskoei et al. (2016) utilized acidic conditions to promote electron transfer, leveraging the high redox potential of $SO_4^{\cdot-}$ in a dual advanced oxidation process (AOP) involving persulfate and ultraviolet-light catalysis, achieving significant HA degradation. Furthermore, Truong et al. (2020a) explored the photocatalytic removal of natural organic matter (NOM) in a hydrogen peroxide ($H_2O_2$) system, finding that hydroxyl radicals ($\cdot OH$) produced in conjunction with photocatalysis effectively broke down aromatic structures and carboxyl groups, leading to the conversion of small organic molecules into inorganic compounds.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the multifaceted role of humic acid (HA) in water quality, emphasizing its impact on color, taste, and the formation of toxic disinfection byproducts. HA’s complex molecular structure complicates its removal, prompting research into various advanced oxidation processes (AOPs) such as Fenton reactions, photocatalysis, and adsorption methods. Among these, biochar has emerged as a promising low-cost adsorbent due to its favorable surface characteristics and the ability to be modified for enhanced adsorption and catalytic properties.
The effectiveness of biochar in removing HA is influenced by several factors, including its source, pyrolysis temperature, and modification methods. Different biomass sources yield biochars with distinct physicochemical properties, affecting their adsorption capacities. Higher pyrolysis temperatures generally enhance the surface area and pore structure of biochar, improving its pollutant removal efficiency. Furthermore, various modification techniques—such as metal loading, acid/alkali treatment, and polymer incorporation—can significantly enhance biochar’s adsorption capabilities by increasing active sites and improving surface characteristics. The paper underscores the need for further exploration of the structure-activity relationships between biochar and HA, as well as the mechanisms underlying HA removal, to optimize biochar applications in water treatment.