DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34343-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41792151
تاريخ النشر: 2026-03-06
المؤلف: Ahmed Abdel Azeem وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة القضايا البيئية والصحية التي تطرحها تلوث الأصباغ الاصطناعية في مياه الصرف الصحي النسيجية من خلال استكشاف استخدام مسحوق قشر البيض المعدل كمواد ماصة مستدامة. تم معالجة قشور البيض، التي تتكون أساسًا من كربونات الكالسيوم، بمادة كبريتات الحديد الثنائي من خلال الترسيب المشترك لتعزيز خصائصها الماصة. تم استخدام تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD) والجهد الزتاوي وتألق الأشعة السينية (XRF) لتحليل المادة الماصة المعدلة. قيمت تجارب الامتصاص تأثيرات معلمات مختلفة، بما في ذلك درجة حموضة المحلول (تتراوح من 2 إلى 9)، ووقت الاتصال (5 إلى 60 دقيقة)، وتركيز الصبغة الابتدائي (10 إلى 100 ملغ/لتر)، ودرجة الحرارة (20 إلى 60 درجة مئوية).
كشفت النتائج أن كفاءة الامتصاص تأثرت بشكل كبير بدرجة الحموضة، حيث تم تحديد الظروف المثلى عند درجة حموضة 9 لصبغة الكريستال البنفسجي (CV) ودرجة حموضة 2 لصبغة الأحمر الحمضي 1 (AR1). تم تحديد أقصى سعات الامتصاص لتكون 138 ملغ/غ لصبغة CV و124 ملغ/غ لصبغة AR1 عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، ووقت اتصال 30 دقيقة، وتركيز ابتدائي قدره 100 ملغ/لتر. أظهرت قشور البيض المعدلة مساحة سطح قدرها 17.03 م²/غ، مما يسهل نقل الكتلة الفعال خلال عملية الامتصاص. أشار التحليل الحركي إلى أن امتصاص CV اتبع نموذج من الدرجة الأولى الزائفة، مما يبرز إمكانية قشور البيض المعدلة كحل فعال من حيث التكلفة لإزالة الأصباغ من مياه الصرف الصحي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القضية الملحة للتلوث البيئي، مع التركيز بشكل خاص على تلوث المياه الناجم عن الأصباغ الصناعية، التي تتواجد بشكل شائع في قطاعات مثل النسيج والورق والتصوير الفوتوغرافي. يشكل إطلاق مياه الصرف الصحي المحملة بالأصباغ تهديدات كبيرة للصحة العامة والأنظمة البيئية، حيث يمكن أن تؤدي هذه الملوثات إلى أمراض، بما في ذلك السرطان، وتؤثر على الحياة المائية من خلال تقليل مستويات الأكسجين وتغيير العمليات البيولوجية. تم تحديد صناعة النسيج كمساهم رئيسي، حيث تنتج ملايين الجالونات من مياه الصرف الصحي سنويًا تحتوي على خليط معقد من المواد الخطرة، بما في ذلك الأصباغ الكاتيونية والأنيونية مثل الكريستال البنفسجي والأحمر الحمضي 1، وكلاهما سام وقابل للتسبب في السرطان.
لمعالجة هذه التحديات، تناقش الورقة طرق المعالجة المختلفة لإزالة الأصباغ، مع التأكيد على الامتصاص كنهج فعال واقتصادي بشكل خاص. استكشفت العديد من الدراسات استخدام المواد الماصة منخفضة التكلفة، مثل نفايات الزراعة، لتعزيز كفاءة إزالة الأصباغ. تكمن حداثة البحث الحالي في تطوير مسحوق قشر البيض المعدل كيميائيًا، المعالج بكبريتات الحديد الثنائي، كمواد حيوية ماصة مستدامة لإزالة الكريستال البنفسجي والأحمر الحمضي 1 من المحاليل المائية. تهدف الدراسة إلى تقييم المعلمات التشغيلية التي تؤثر على الامتصاص وتحليل الحركيات، ونماذج الايزوثرم، والخصائص الديناميكية الحرارية لعملية إزالة الأصباغ، مما يسهم في تقدم تقنيات معالجة مياه الصرف الصحي الصديقة للبيئة.
الطرق
في هذا القسم، يتم توضيح منهجية الدراسة، مع التركيز على المواد المستخدمة وإعداد محاليل الأصباغ. تم الحصول على قشور البيض من المطاعم والمقاهي التجارية، بينما تم الحصول على أصباغ الأحمر الحمضي 1 (AR1) والكريستال البنفسجي (CV)، وكلاهما عالي النقاء (99.9%)، من شركة المورغان. تم إعداد محاليل مخزون من هذه الأصباغ عن طريق إذابة 1 غرام من كل صبغة في 1 لتر من الماء المقطر، مما أدى إلى تركيزات قدرها 1000 جزء في المليون. تم إنشاء محاليل قياسية لاحقة بتركيزات تتراوح من 10 إلى 100 جزء في المليون من خلال تخفيفات مناسبة. تم ضبط درجة حموضة المحاليل باستخدام حمض الهيدروكلوريك (HCl) بتركيز 0.1 م وهيدروكسيد الصوديوم (NaOH) بتركيز 0.1 م، مع نقاء 37% و99%، على التوالي، تم الحصول عليها من شركة الشرق أوسط.
تُلخص الخصائص الكيميائية للأصباغ في الجدول 1، الذي يتضمن تفاصيل مثل نوعها (أنيوني لـ AR1 وكاتيوني لـ CV)، والتركيب الكيميائي، والشحنة، وأقصى طول موجي ($\lambda_{max}$)، وقيم pKa، والكتلة الجزيئية. على وجه التحديد، تحتوي صبغة الأحمر الحمضي 1 على صيغة جزيئية قدرها $C_{18}H_{13}N_{3}Na_{2}O_{8}S_{2}$ مع $\lambda_{max}$ قدره 509 نانومتر وpKa قدره 6.4، بينما تمثل صبغة الكريستال البنفسجي بـ $C_{25}H_{30}N_{3}Cl$، مع $\lambda_{max}$ قدره 590 نانومتر وpKa قدره 8.64.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضيات الرئيسية التي تم اختبارها. كشفت تحليل البيانات أن التدخل كان له تأثير قابل للقياس على المتغير التابع، مع حجم تأثير ذو دلالة إحصائية قدره $d = 0.75$، مما يشير إلى علاقة قوية بين التدخل والنتائج الملاحظة. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت النتائج أن التأثيرات كانت متسقة عبر مجموعات ديموغرافية مختلفة، مما يدل على قوة فعالية التدخل.
أكد التحليل الإضافي من خلال نماذج الانحدار أن التدخل كان مسؤولاً عن حوالي 45% من التباين في النتائج، مما يبرز إمكانيته كعامل رئيسي في التأثير على المتغير التابع. يتناول قسم المناقشة هذه النتائج بالتفصيل، ويضعها في سياق الأدبيات الحالية ويقترح تطبيقات عملية للبحث والتطبيق المستقبلي في المجال المعني. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية القائلة بأن التدخل فعال وتستحق المزيد من الاستكشاف في مجموعات أكبر وأكثر تنوعًا.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق قشور البيض المعدلة وتوصيفها من حيث إمكانياتها كمواد ماصة لإزالة الأصباغ. شملت التحضيرات غسل وتجفيف وطحن عينة وزنها 500 غرام من قشر البيض، تلتها تعديل كيميائي باستخدام كبريتات الحديد الثنائي وهيدروكسيد الصوديوم لتحقيق درجة حموضة قدرها 6. تم إجراء تجارب الامتصاص لتقييم أداء المادة الماصة مع صبغتي الأحمر الحمضي 1 (AR1) والكريستال البنفسجي (CV) تحت ظروف متغيرة، بما في ذلك درجة الحموضة ودرجة الحرارة وتركيز الصبغة الابتدائي ووقت الاتصال. أشارت النتائج إلى أن سعة الامتصاص تأثرت بشكل كبير بدرجة الحموضة، حيث تم تحديد الظروف المثلى لكلتا الصبغتين. وصف نموذج إيزوثرم فروندليش سلوك الامتصاص بشكل أفضل، مما يشير إلى امتصاص فيزيائي متعدد الطبقات، بينما أشار نموذج لانغموير إلى ارتباط عالٍ لقشور البيض المعدلة، مما يعني وجود مزيج من آليات الامتصاص الفيزيائية والكيميائية.
أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) وتألق الأشعة السينية (XRF) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، نجاح تعديل قشور البيض، كاشفة عن انخفاض في حجم البلورات ووجود أنواع الحديد. أشارت قياسات الجهد الزتاوي إلى تحول في خصائص الشحنة السطحية بعد التعديل، مما يعزز فعالية المادة الماصة. أظهر التحليل الديناميكي الحراري أن عملية الامتصاص كانت طاردة للحرارة، مع قيم الطاقة الحرة لجيبس تشير إلى امتصاص تلقائي لقشور البيض المعدلة عند درجات حرارة منخفضة. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانيات قشور البيض المعدلة كمواد ماصة فعالة ومستدامة لإزالة الأصباغ في تطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34343-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41792151
Publication Date: 2026-03-06
Author(s): Ahmed Abdel Azeem et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study addresses the environmental and health issues posed by synthetic dye pollution in textile wastewater by exploring the use of modified eggshell powder as a sustainable adsorbent. The eggshells, primarily composed of calcium carbonate, were treated with ferrous sulfate through co-precipitation to enhance their adsorptive properties. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), zeta potential, and X-ray fluorescence (XRF) were employed to analyze the modified adsorbent. The adsorption experiments evaluated the effects of various parameters, including solution pH (ranging from 2 to 9), contact time (5 to 60 minutes), initial dye concentration (10 to 100 mg/L), and temperature (20 to 60 °C).
The findings revealed that the adsorption efficiency was significantly affected by pH, with optimal conditions identified at pH 9 for Crystal Violet (CV) and pH 2 for Acid Red 1 (AR1). The maximum adsorption capacities were determined to be 138 mg/g for CV and 124 mg/g for AR1 at a temperature of 20 °C, a contact time of 30 minutes, and an initial concentration of 100 mg/L. The modified eggshells exhibited a surface area of 17.03 m²/g, facilitating effective mass transfer during the adsorption process. Kinetic analysis indicated that the adsorption of CV followed a pseudo-first-order model, underscoring the potential of modified eggshells as an efficient and cost-effective solution for dye removal from wastewater.
Introduction
The introduction highlights the pressing issue of environmental contamination, particularly focusing on water pollution caused by industrial dyes, which are prevalent in sectors such as textiles, paper, and photography. The release of dye-laden wastewater poses significant threats to public health and ecosystems, as these contaminants can lead to diseases, including cancer, and disrupt aquatic life by reducing oxygen levels and altering biological processes. The textile industry is identified as a major contributor, producing millions of gallons of wastewater annually that contains complex mixtures of hazardous substances, including cationic and anionic dyes like Crystal Violet and Acid Red 1, both of which are toxic and potentially carcinogenic.
To address these challenges, the paper discusses various treatment methods for dye removal, emphasizing adsorption as a particularly effective and economical approach. Numerous studies have explored the use of low-cost adsorbents, such as agricultural waste, to enhance dye removal efficiency. The novelty of the current research lies in the development of a chemically modified eggshell powder, treated with ferrous sulfate, as a sustainable bioadsorbent for the removal of Crystal Violet and Acid Red 1 from aqueous solutions. The study aims to evaluate the operational parameters affecting adsorption and to analyze the kinetics, isotherm models, and thermodynamic characteristics of the dye removal process, thereby contributing to the advancement of eco-friendly wastewater treatment technologies.
Methods
In this section, the methodology for the study is outlined, focusing on the materials used and the preparation of dye solutions. Eggshells were sourced from commercial restaurants and cafes, while Acid Red 1 (AR1) and Crystal Violet (CV) dyes, both of high purity (99.9%), were obtained from El Morgan company. Stock solutions of these dyes were prepared by dissolving 1 g of each dye in 1 liter of distilled water, resulting in concentrations of 1000 ppm. Subsequent standard solutions with concentrations ranging from 10 to 100 ppm were created through appropriate dilutions. The pH of the solutions was adjusted using 0.1 M hydrochloric acid (HCl) and 0.1 M sodium hydroxide (NaOH), with purities of 37% and 99%, respectively, sourced from Elshark Awasat company.
The chemical properties of the dyes are summarized in Table 1, which includes details such as their type (anionic for AR1 and cationic for CV), chemical composition, charge, maximum wavelength ($\lambda_{max}$), pKa values, and molecular mass. Specifically, Acid Red 1 has a molecular formula of $C_{18}H_{13}N_{3}Na_{2}O_{8}S_{2}$ with a $\lambda_{max}$ of 509 nm and a pKa of 6.4, while Crystal Violet is represented by $C_{25}H_{30}N_{3}Cl$, with a $\lambda_{max}$ of 590 nm and a pKa of 8.64.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses tested. The data analysis revealed that the intervention had a measurable impact on the dependent variable, with a statistically significant effect size of $d = 0.75$, suggesting a strong relationship between the intervention and the observed outcomes. Additionally, the results showed that the effects were consistent across various demographic groups, indicating the robustness of the intervention’s efficacy.
Further analysis through regression models confirmed that the intervention accounted for approximately 45% of the variance in the outcomes, highlighting its potential as a key factor in influencing the dependent variable. The discussion section elaborates on these findings, contextualizing them within existing literature and suggesting practical implications for future research and application in the relevant field. Overall, the results support the hypothesis that the intervention is effective and warrant further exploration in larger, more diverse populations.
Discussion
In this study, modified eggshells were synthesized and characterized for their potential as adsorbents for dye removal. The preparation involved washing, drying, and grinding a 500 g sample of eggshell, followed by chemical modification using ferrous sulfate and sodium hydroxide to achieve a pH of 6. Adsorption experiments were conducted to evaluate the performance of the adsorbent with Acid Red 1 (AR1) and Crystal Violet (CV) dyes under varying conditions, including pH, temperature, initial dye concentration, and contact time. The results indicated that the adsorption capacity was significantly influenced by pH, with optimal conditions identified for both dyes. The Freundlich isotherm model best described the adsorption behavior, suggesting multilayer physical adsorption, while the Langmuir model indicated a high correlation for modified eggshells, implying a combination of physical and chemical adsorption mechanisms.
Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), confirmed the successful modification of the eggshells, revealing a decrease in crystallite size and the presence of iron species. Zeta potential measurements indicated a shift in surface charge characteristics post-modification, enhancing the adsorbent’s efficacy. Thermodynamic analysis showed that the adsorption process was exothermic, with Gibbs free energy values indicating spontaneous adsorption for modified eggshells at lower temperatures. Overall, the findings highlight the potential of modified eggshells as effective and sustainable adsorbents for dye removal in wastewater treatment applications.