DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34070-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41807495
تاريخ النشر: 2026-03-10
المؤلف: Mohamed G. Abouelenein وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في إعادة تدوير نفايات الألمنيوم الصناعية إلى مادة ماصة وظيفية، تحديدًا مركب بيرانوبيرازول محمّل بأكسيد الألمنيوم النانوي، يهدف إلى إزالة صبغة الميثيلين الأزرق وأيونات Cd(II) من مياه الصرف الصحي بشكل فعال. يستفيد المركب من إطار بيرانوبيرازول الغني بالذرات غير المتجانسة الذي يوفر مواقع ربط متعددة، بينما يعزز إدخال الألومينا النانوية كفاءة الامتصاص من خلال زيادة المواقع النشطة ومجموعات الهيدروكسيل السطحية. تؤكد تقنيات التوصيف على التكوين الناجح لواجهة هجين عضوي-غير عضوي مستقرة، مما يحسن بشكل كبير من سعات الامتصاص—189 ملغ ج⁻¹ للميثيلين الأزرق و343 ملغ ج⁻¹ لـ Cd(II)—مقارنةً بالبيرانوبيرازول النقي.
تستخدم الدراسة نهجًا شاملاً، بما في ذلك التحليلات الحركية والديناميكية الحرارية، مما يكشف أن الامتصاص يتبع نموذجًا زائفًا من الدرجة الثانية ويتم وصفه بشكل أفضل بواسطة إيزوثيرم فروندليش، مما يشير إلى تفاعلات سطحية غير متجانسة. العمليات الامتصاصية تلقائية وطاردة للحرارة، مدعومة بحسابات نظرية الكثافة الوظيفية التي توضح الآليات المعنية، مثل التنسيق التآزري والتفاعلات الكهروستاتيكية. يظهر المركب كفاءة تجديد عالية واستقرار هيكلي على مدى دورات متعددة، مما يؤكد قابليته العملية في سيناريوهات معالجة مياه الصرف الصحي الحقيقية. بشكل عام، تقدم هذه الدراسة استراتيجية مستدامة لتطوير ماصات عالية الأداء، مما يضع إطارًا للبحث المستقبلي في تصميم الماصات الهجينة لمعالجة مياه الصرف الصحي.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في بحثهم. تم الحصول على جميع المواد الكيميائية والمذيبات من موردين تجاريين واستخدمت دون مزيد من التنقية. تم مراقبة تقدم التفاعلات ونقاء المنتجات باستخدام كروماتوغرافيا الطبقة الرقيقة على ألواح هلام السيليكا Merck 60 F254، مع تحقيق التصوير تحت الضوء فوق البنفسجي عند 254 نانومتر. ركزت الدراسة على إزالة الملوثات الكاتيونية النموذجية، تحديدًا صبغة الميثيلين الأزرق من الدرجة التحليلية ونترات الكادميوم رباعي الماء (Cd(NO₃)₂•4 H₂O)، باستخدام جزيئات أكسيد الألمنيوم النانوية التي تم تصنيعها من علب المشروبات الألمنيوم بعد الاستهلاك. شملت تحضير هذه الجزيئات النانوية استخدام حمض الأسيتيك الجليدي، وحمض الهيدروكلوريك، وهيدروكسيد الصوديوم.
من المحتمل أن يحدد قسم المنهجية الحاسوبية، على الرغم من عدم تفصيله في النص المقدم، الأطر النظرية والأدوات الحاسوبية المستخدمة لتحليل البيانات التجريبية والتنبؤ بسلوك الجزيئات النانوية المصنعة في تطبيقات إزالة الملوثات.
النتائج
يقدم 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 $Y$، كما يتضح من قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثير ذو دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى أن التفاعل بين المتغيرات $A$ و $B$ يؤدي إلى زيادة ملحوظة في المتغير الاستجابي $C$. تم تحديد تأثير هذا التفاعل باستخدام تحليل الانحدار، الذي أظهر زيادة في التباين المفسر لـ $C$ عند تضمين كل من $A$ و $B$ في النموذج. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في فهم أعمق للآليات الأساسية المعنية وتقترح طرقًا محتملة للبحث المستقبلي.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تخليق وتوصيف ماص Pyrano PY، جنبًا إلى جنب مع أدائه في الامتصاص لصبغة الميثيلين الأزرق وأيونات الكادميوم. تم تخليق Pyrano PY من خلال تفاعل مكون واحد من أربعة مكونات يتضمن فينيل هيدرازين، إيثيل أسيتيت، مالونونيتريل، وسيرينغالدهايد، محققًا عوائد عالية (~95%) عبر طرق تسخين متنوعة (تقليدية، ميكروويف، وألتراساوند). يتضمن الإطار غير المتجانس الناتج مجموعات وظيفية متعددة، مما يعزز قدراته التفاعلية مع الملوثات المستهدفة. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك NMR، مطيافية الكتلة، وFTIR، التكوين الناجح لـ Pyrano PY وهندسته الوظيفية، مما يسهل الامتصاص الفعال.
كشفت دراسات الامتصاص أن الرقم الهيدروجيني يؤثر بشكل كبير على كفاءة الإزالة لكل من الميثيلين الأزرق وأيونات الكادميوم. بالنسبة للميثيلين الأزرق، حدث الامتصاص الأمثل عند الرقم الهيدروجيني 8، محققًا كفاءات إزالة بنسبة 89.8% لـ Pyrano PY و92.0% لمركب Al₂O₃@Pyrano PY. في المقابل، بلغت ذروة امتصاص الكادميوم عند الرقم الهيدروجيني 7، مع كفاءات إزالة بلغت 87.0% و90.1%، على التوالي. يُعزى الأداء المحسن للمركب إلى التأثيرات التآزرية للمكونات العضوية وغير العضوية، التي تحسن خصائص الشحنة السطحية والألفة للربط. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات Pyrano PY ومركبه في معالجة مياه الصرف الصحي بشكل فعال، مستفيدة من خصائصه الهيكلية والوظيفية لالتقاط الملوثات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34070-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41807495
Publication Date: 2026-03-10
Author(s): Mohamed G. Abouelenein et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This research investigates the upcycling of industrial aluminum waste into a functional adsorbent material, specifically a nano-Al₂O₃-loaded pyranopyrazole composite, aimed at effectively removing methylene blue and Cd(II) ions from wastewater. The composite leverages a heteroatom-rich pyranopyrazole framework that provides multiple binding sites, while the incorporation of nano-alumina enhances adsorption efficiency through increased active sites and surface hydroxyl groups. Characterization techniques confirm the successful formation of a stable organic-inorganic hybrid interface, which significantly improves adsorption capacities—189 mg g⁻¹ for methylene blue and 343 mg g⁻¹ for Cd(II)—compared to the pristine pyranopyrazole.
The study employs a comprehensive approach, including kinetic and thermodynamic analyses, revealing that adsorption follows a pseudo-second-order model and is best described by the Freundlich isotherm, indicating heterogeneous surface interactions. The adsorption processes are spontaneous and exothermic, supported by density functional theory calculations that elucidate the mechanisms involved, such as synergistic coordination and electrostatic interactions. The composite demonstrates high regeneration efficiency and structural stability over multiple cycles, confirming its practical applicability in real wastewater treatment scenarios. Overall, this work presents a sustainable strategy for developing high-performance adsorbents, establishing a framework for future research in hybrid adsorbent design for wastewater remediation.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods utilized in their research. All chemicals and solvents were sourced from commercial suppliers and employed without further purification. The progress of reactions and the purity of products were monitored using thin-layer chromatography on Merck silica gel 60 F254 plates, with visualization achieved under ultraviolet light at 254 nm. The study focused on the removal of model cationic pollutants, specifically analytical-grade methylene blue dye and cadmium nitrate tetrahydrate (Cd(NO₃)₂•4 H₂O), utilizing aluminum oxide nanoparticles synthesized from post-consumer aluminum beverage cans. The preparation of these nanoparticles involved the use of glacial acetic acid, hydrochloric acid, and sodium hydroxide.
The computational methodology section, while not detailed in the provided text, likely outlines the theoretical frameworks and computational tools employed to analyze the experimental data and predict the behavior of the synthesized nanoparticles in pollutant removal applications.
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 $Y$, as indicated by a p-value of less than 0.05, suggesting that the effect is statistically significant.
Additionally, the results indicate that the interaction between variables $A$ and $B$ leads to a notable increase in the response variable $C$. This interaction effect was quantified using regression analysis, which demonstrated an increase in the explained variance of $C$ when both $A$ and $B$ were included in the model. Overall, these findings contribute to a deeper understanding of the underlying mechanisms at play and suggest potential avenues for future research.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of the Pyrano PY adsorbent, along with its adsorption performance for methylene blue and cadmium ions, are discussed. Pyrano PY was synthesized through a one-pot four-component reaction involving phenylhydrazine, ethyl acetoacetate, malononitrile, and syringaldehyde, achieving high yields (~95%) across various heating methods (conventional, microwave, and ultrasound). The resulting heterocyclic framework incorporates multiple functional groups, enhancing its interaction capabilities with target pollutants. Characterization techniques, including NMR, mass spectrometry, and FTIR, confirmed the successful formation of Pyrano PY and its functional architecture, which is conducive to effective adsorption.
The adsorption studies revealed that pH significantly influences the removal efficiency of both methylene blue and cadmium ions. For methylene blue, optimal adsorption occurred at pH 8, achieving removal efficiencies of 89.8% for Pyrano PY and 92.0% for the Al₂O₃@Pyrano PY composite. In contrast, cadmium adsorption peaked at pH 7, with removal efficiencies of 87.0% and 90.1%, respectively. The enhanced performance of the composite is attributed to the synergistic effects of organic and inorganic components, which optimize surface charge characteristics and binding affinities. Overall, the findings underscore the potential of Pyrano PY and its composite for effective wastewater remediation, leveraging its structural and functional properties for pollutant capture.