DOI: https://doi.org/10.1007/s10570-026-06933-4
تاريخ النشر: 2026-01-20
المؤلف: Büşra Sekizkardeş وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة طريقة خالية من المحفزات لإنشاء مواد ماصة قائمة على الورق قوية ومستقلة من خلال ربط المونتموريلونيت (MMT) بمواد فلتر الورق (FP) باستخدام سلاسل بوليديميثيلسيلوكسان (PDMS). أظهرت التحليلات أن المركب كان له سمك قدره 4.0 ± 0.7 جرام م$^{-2}$، مع كون MMT يشكل 2.2 ± 0.3 wt% من المادة. كانت المساحات السطحية المحددة المقاسة 203.4 م$^{2}$ جرام$^{-1}$ لـ MMT، و1.3 م$^{2}$ جرام$^{-1}$ لـ FP، و1.8 م$^{2}$ جرام$^{-1}$ لمركب PDMS/MMT/FP. أظهر المركب تحسينًا كبيرًا في إزالة الأزرق الميثيلين (MB)، حيث حقق كفاءة إزالة بنسبة 90.0% مقارنة بـ 51.3% لـ FP النقي، على الرغم من تحميل MMT المنخفض.
تؤكد الدراسة على المحبة للماء لكل من FP النقي والمركب، حيث تشير قياسات زاوية الاتصال إلى امتصاص سريع للماء. أظهر تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) أن هيكل FP ظل سليمًا بعد دمج MMT، بينما أشار التحليل الحراري الوزني (TGA) إلى وجود طلاء مشترك من PDMS وMMT. اقترحت البيانات الطيفية تفاعلات بين MMT وPDMS وألياف السليلوز في FP، مما قد يشكل روابط Si-O-C. اتبعت حركيات الامتصاص سلوكًا من الدرجة الثانية الزائفة، وملاءمت معادلة الامتصاص لنموذج لانغموير، مما يشير إلى الامتصاص الكيميائي بشكل أساسي من خلال التفاعلات مع مجموعات -OH على FP وMMT. ستركز الأبحاث المستقبلية على تعزيز أداء المركب مع تحميلات غير عضوية أعلى واستكشاف تطبيقه في أنظمة متعددة المكونات، مع البحث أيضًا عن بدائل أكثر صداقة للبيئة لعملية التخليق.
مقدمة
تتناول مقدمة ورقة البحث التحديات الحرجة التي تواجه الموارد المائية العالمية، والتي تعود أساسًا إلى النمو السكاني، وتغير المناخ، والتلوث، مما زاد من الطلب على المياه النظيفة. من بين الملوثات الكبيرة، تشكل الأصباغ الاصطناعية، وخاصة الأزرق الميثيلين (MB)، تهديدًا كبيرًا لجودة المياه، حيث ينتهي جزء ملحوظ من إنتاج الأصباغ في مياه الصرف الصحي. تؤكد الورقة على قيود تقنيات إزالة الأصباغ التقليدية، التي غالبًا ما تتطلب موارد كبيرة ويمكن أن تولد ملوثات ثانوية. بالمقابل، يتم تسليط الضوء على الامتصاص كطريقة فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة لإزالة الأصباغ، مستفيدة من مجموعة متنوعة من المواد الماصة، بما في ذلك المواد القائمة على الكربون وورق الفلتر المعدل (FP).
تركز الدراسة على تعزيز فائدة FP كدعم للمواد الماصة المسحوقة، تحديدًا من خلال طريقة جديدة خالية من المحفزات لربط المونتموريلونيت (MMT) باستخدام سلاسل بوليديميثيلسيلوكسان (PDMS). تهدف هذه الطريقة إلى التغلب على التحديات المرتبطة باستعادة المواد الماصة المسحوقة. تشير النتائج الأولية إلى أن حتى نسبة صغيرة من MMT تحسن بشكل كبير من كفاءة إزالة MB، مما يقرب من مضاعفة السعة مقارنة بـ FP غير المعدل. تؤكد تقنيات التوصيف على سلامة الهيكل للمركب وتقترح وجود روابط تساهمية محتملة بين PDMS وFP، مما يبرز وعد هذا المركب القائم على الورق في تطبيقات معالجة المياه المستدامة.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في إجراءاتهم التجريبية. المادة الرئيسية هي بوليديميثيلسيلوكسان (PDMS) المنتهي بـ trimethylsilyl بوزن جزيئي قدره 5970 جرام/مول، مصدرها شركة Gelest Inc. تشمل المواد الأخرى ورق الفلتر Whatman FP Grade 1، المونتموريلونيت (MMT)، رباعي هيدروفوران (THF) من درجة المواد الكيميائية، صبغة الأزرق الميثيلين Certistain® الجافة، السليلوز الميكروي (MCC)، حمض الهيدروكلوريك المدخن، والإيثانول، جميعها تم الحصول عليها من موردين موثوقين مع نقاوة محددة.
تعتبر هذه المواد حيوية للإعداد التجريبي، مما يضمن موثوقية ودقة النتائج. تشير مستويات النقاء العالية للمواد الكيميائية إلى التركيز على تقليل التلوث والتباين في التجارب التي تم إجراؤها.
نتائج
تشير النتائج إلى أن مركب PDMS/MMT/FP يظهر محبة كبيرة للماء، كما يتضح من امتصاص قطرات الماء السريع، مماثل لورق الفلتر النقي (FP). يُعزى هذا السلوك إلى الطبيعة المسامية لركيزة ألياف السليلوز، التي تسمح للماء بالتغلغل من خلال العمل الشعري على الرغم من طلاء PDMS. يُظهر تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) أن إضافة PDMS إلى المونتموريلونيت (MMT) لا تؤدي إلى تغييرات كبيرة في طيف XRD، مما يشير إلى عدم اكتمال تقشير صفائح MMT. تكشف مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) عن نطاقات اهتزازية مميزة لكل من PDMS وMMT، مع تحولات ملحوظة تشير إلى تفاعلات سطحية قد تعزز صلابة الروابط وتقييد حرية الاهتزاز.
تقدر التحليلات الحرارية الوزنية (TGA) سمك الطلاء للمركب بحوالي 1 ميكرومتر، بينما تؤكد المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM) على دمج جزيئات MMT بنجاح في ركيزة FP. تُظهر دراسات الامتصاص أن مركب PDMS/MMT/FP يحقق كفاءة إزالة للأزرق الميثيلين (MB) تبلغ 90.0%، وهي أعلى بكثير من 51.3% إزالة بواسطة FP النقي. تشير حركيات الامتصاص إلى أن العملية تتحكم فيها التفاعلات الكيميائية بشكل أساسي، حيث يظهر المركب معدل انتشار أعلى مقارنة بـ FP. تؤكد النتائج على فعالية MMT كمواد ماصة عند دمجه مع FP، مما يعزز الأداء العام للمركب في تطبيقات إزالة الأصباغ.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير طريقة جديدة لتحضير مركبات PDMS/MMT/FP، تتضمن إذابة PDMS في THF، تليها إضافة MMT ورش الطلاء على الركائز الورقية. خضعت العينات لسلسلة من المعالجات، بما في ذلك المعالجة الحرارية والاستخراج باستخدام Soxhlet، لضمان إزالة المواد غير المرتبطة وتعزيز الالتصاق. أكدت تقنيات التوصيف مثل التحليل الحراري الوزني (TGA) ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) على دمج MMT بنجاح في مصفوفة PDMS، مع الإشارة إلى وزن الطلاء المشترك قدره 4.0 ± 0.7 جرام م² وتحميل MMT قدره 2.2 ± 0.3 wt%.
أظهر مركب PDMS/MMT/FP تحسينات كبيرة في امتصاص الأزرق الميثيلين (MB)، حيث حقق كفاءة إزالة تبلغ 90.0%، مقارنة بـ 51.3% لـ FP النقي. اتبعت حركيات الامتصاص سلوكًا من الدرجة الثانية الزائفة، مما يشير إلى الامتصاص الكيميائي، وملاءمت البيانات بشكل جيد مع نموذج معادلة لانغموير. تبرز الدراسة التفاعل الفعال بين الصبغة الكاتيونية والمجموعات الوظيفية على كل من ركيزة FP وMMT، مع الحفاظ على سلامة الهيكل للمركب حتى بعد التعرض المطول لمحلول MB. ستركز الأبحاث المستقبلية على استكشاف بدائل أكثر صداقة للبيئة لاستخدام المذيبات وتوسيع تطبيق المركب إلى أنظمة متعددة المكونات، بما في ذلك الأصباغ الأنيونية والمعادن الثقيلة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10570-026-06933-4
Publication Date: 2026-01-20
Author(s): Büşra Sekizkardeş et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This research presents a catalyst-free method for creating robust, self-standing paper-based adsorbents by attaching montmorillonite (MMT) to filter paper (FP) substrates using polydimethylsiloxane (PDMS) chains. Characterization revealed that the composite had a thickness of 4.0 ± 0.7 g m$^{-2}$, with MMT constituting 2.2 ± 0.3 wt% of the material. The specific surface areas measured were 203.4 m$^{2}$ g$^{-1}$ for MMT, 1.3 m$^{2}$ g$^{-1}$ for FP, and 1.8 m$^{2}$ g$^{-1}$ for the PDMS/MMT/FP composite. The composite demonstrated a significant improvement in methylene blue (MB) removal, achieving 90.0% removal efficiency compared to 51.3% for pristine FP, despite the low MMT loading.
The study confirms the hydrophilicity of both pristine FP and the composite, with contact angle measurements indicating rapid water absorption. X-ray diffraction (XRD) analysis showed that the FP structure remained intact post-MMT incorporation, while thermogravimetric analysis (TGA) indicated a combined coating of PDMS and MMT. Spectroscopic data suggested interactions between MMT, PDMS, and cellulose fibers in FP, potentially forming Si-O-C bonds. The adsorption kinetics followed pseudo-second order behavior, and the adsorption isotherm fitted the Langmuir model, indicating chemisorption primarily through interactions with -OH groups on FP and MMT. Future research will focus on enhancing the composite’s performance with higher inorganic loadings and exploring its application in multi-component systems, while also seeking greener alternatives for the synthesis process.
Introduction
The introduction of the research paper addresses the critical challenges facing global water resources, primarily due to population growth, climate change, and pollution, which have escalated the demand for clean water. Among the significant pollutants, synthetic dyes, particularly methylene blue (MB), pose a substantial threat to water quality, with a notable portion of dye production ending up in wastewater. The paper emphasizes the limitations of conventional dye removal technologies, which often require extensive resources and can generate secondary pollutants. In contrast, adsorption is highlighted as a cost-effective and environmentally friendly method for dye removal, leveraging a variety of adsorbents, including carbon-based materials and modified filter paper (FP).
The study focuses on enhancing the utility of FP as a support for powdered adsorbents, specifically through a novel, catalyst-free method of attaching montmorillonite (MMT) using polydimethylsiloxane (PDMS) chains. This approach aims to overcome the challenges associated with the recovery of powdered adsorbents. Preliminary results indicate that even a small percentage of MMT significantly improves MB removal efficiency, nearly doubling the capacity compared to unmodified FP. Characterization techniques confirm the structural integrity of the composite and suggest potential covalent bonding between PDMS and FP, underscoring the promise of this innovative paper-based composite in sustainable water treatment applications.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their experimental procedures. The primary material is trimethylsilyl-terminated polydimethylsiloxane (PDMS) with a molecular weight of 5970 g/mol, sourced from Gelest Inc. Other materials include Whatman FP Grade 1 filter paper, montmorillonite (MMT), reagent-grade tetrahydrofuran (THF), Methylene Blue Certistain® dry dye, microcrystalline cellulose (MCC), hydrochloric acid fuming, and ethanol, all obtained from reputable suppliers with specified purities.
These materials are critical for the experimental setup, ensuring the reliability and accuracy of the results. The high purity levels of the chemicals suggest a focus on minimizing contamination and variability in the experiments conducted.
Results
The results indicate that the PDMS/MMT/FP composite exhibits significant hydrophilicity, as evidenced by rapid water droplet absorption, similar to the pristine filter paper (FP). This behavior is attributed to the porous nature of the cellulose fiber substrate, which allows water to penetrate through capillary action despite the PDMS coating. X-ray diffraction (XRD) analysis shows that the addition of PDMS to montmorillonite (MMT) does not lead to significant changes in the XRD spectrum, suggesting incomplete exfoliation of MMT sheets. Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy reveals characteristic vibrational bands for both PDMS and MMT, with notable shifts indicating interfacial interactions that may enhance bond stiffness and restrict vibrational freedom.
Thermogravimetric analysis (TGA) estimates the coating thickness of the composite to be approximately 1 µm, while scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) confirm the successful incorporation of MMT particles into the FP substrate. The adsorption studies demonstrate that the PDMS/MMT/FP composite achieves a methylene blue (MB) removal efficiency of 90.0%, significantly higher than the 51.3% removal by pristine FP. The adsorption kinetics suggest that the process is primarily controlled by chemical interactions, with the composite exhibiting a higher diffusion rate compared to FP. The findings underscore the effectiveness of MMT as an adsorbent when combined with FP, enhancing the composite’s overall performance in dye removal applications.
Discussion
In this study, a novel method for preparing PDMS/MMT/FP composites was developed, involving the dissolution of PDMS in THF, followed by the addition of MMT and subsequent spray-coating onto paper substrates. The samples underwent a series of treatments, including heat treatment and Soxhlet extraction, to ensure the removal of unbound materials and enhance adhesion. Characterization techniques such as thermogravimetric analysis (TGA), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, and scanning electron microscopy (SEM) confirmed the successful incorporation of MMT into the PDMS matrix, with TGA indicating a combined coating weight of 4.0 ± 0.7 g m² and MMT loading of 2.2 ± 0.3 wt%.
The PDMS/MMT/FP composite demonstrated significant improvements in methylene blue (MB) adsorption, achieving a removal efficiency of 90.0%, compared to 51.3% for pristine FP. The adsorption kinetics followed pseudo-second-order behavior, suggesting chemisorption, and the data fitted well with the Langmuir isotherm model. The study highlights the effective interaction between the cationic dye and the functional groups on both the FP substrate and MMT, with the composite maintaining structural integrity even after prolonged exposure to MB solutions. Future research will focus on exploring greener alternatives for solvent use and extending the composite’s application to multi-component systems, including anionic dyes and heavy metals.