Watafiti walitumia Saccharomyces cerevisiae kutengeneza chembe-nano za fedha zenye ukubwa wa takribani 10 nm chini ya uga wa sumaku wa 500 Gauss na kuziingiza katika muundo wa chembe-duara unaotegemea graphene oxide na sodium alginate. Chembe-duara za Ag-GONA zilizotengenezwa zilijaribiwa dhidi ya ioni za metali nzito Pb(II), Hg(II) na Cd(II), pamoja na vichafuzi vya kikaboni kama naphthalene, phenol na fluorene. Katika masharti makuu ya majaribio ya utafiti, pH 7, muda wa mgusano wa 6 saa na 298 K vilijitokeza; uwezo wa juu zaidi wa adsorpsheni ulioripotiwa ulifikia 326,77 mg/g kwa Pb, 300,37 mg/g kwa Hg, 219,13 mg/g kwa Cd, 71,93 mg/g kwa naphthalene, 67,77 mg/g kwa fluorene na 58,11 mg/g kwa phenol. Hata hivyo, haya ni matokeo ya adsorpsheni katika mazingira ya maabara; utafiti hautoi ushahidi wa utendaji wa shambani katika mfumo kamili, endelevu wa kutibu maji machafu ya kiwanda cha kusafisha mafuta.

Kwa mtazamo wa Uturuki, utafiti huu ni muhimu hasa kwa wazo la kuondoa metali nzito na vichafuzi vya kikaboni vyenye harufu pete katika adsorbenti moja katika viwanda vya kusafisha mafuta na taasisi za viwandani zinazofanana. Hata hivyo, maji machafu ya chanzo yalichukuliwa kutoka eneo la Mashariki ya Kati na Afrika Kaskazini, na utafiti haufanyi uthibitishaji wa moja kwa moja chini ya muundo wa ioni, chumvi, yabisi zinazoning'inia, maudhui ya mafuta, mizigo halisi ya majimaji au masharti ya uendeshaji wa ndani ya maji machafu ya viwanda vya kusafisha mafuta nchini Uturuki. Kwa hiyo, badala ya kuhamisha moja kwa moja uwezo na viwango vya uondoaji vilivyoripotiwa kwenda kwenye mitambo ya Uturuki, uthibitishaji wa kiwango cha majaribio kwa kutumia matriksi ya maji machafu ya eneo husika unahitajika.

Tatizo kuu la utafiti ni nini?

Maji machafu ya kiwanda cha kusafisha mafuta yanaweza kuwa na metali nzito, misombo ya phenolic na vichafuzi mbalimbali vya kikaboni vyenye harufu pete. Kuondoa vichafuzi hivi kwa ufanisi mkubwa ndani ya mfumo mmoja wa matibabu hakuhitaji tu adsorbenti ionyeshe uwezo mkubwa; pia kunahitaji iwe rahisi kutenganishwa na maji, itumike tena, na iweze kuingiliana na madarasa tofauti ya vichafuzi.

Mbinu ya utafiti inaunganisha sifa tatu za nyenzo: ureaktivu mkubwa wa uso wa chembe-nano za fedha, eneo kubwa la uso na vikundi tendaji vya graphene oxide, na uwezo wa muundo wa chembe-duara unaotegemea alginate kuunda adsorbenti inayoweza kutenganishwa kimwili na kutumiwa tena.

Ag-GONA iliundwaje?

Katika usanisi wa chembe-nano za fedha, Saccharomyces cerevisiae, inayojulikana kama hamira ya kuokea, ilitumika. Seli za hamira zilikuzwa katika 30 °C na pH 6,5; mazingira yaliyokuwa na 1 mM AgCl, 50 mM NaCl na 20 mM bafa ya MOPS yaliandaliwa kama kitangulizi cha fedha. Msongamano wa seli ulirekebishwa kuwa takribani OD₆₀₀ ≈ 1,5 na mchanganyiko ukakorogwa kwa 300 rpm.

Uga wa sumaku wenye ukubwa wa takribani 500 Gauss uliwekwa kwenye chombo cha mmenyuko, sumaku ikawekwa takribani 2 cm kutoka kwenye chombo, na mchakato ukaendelezwa katika 30 °C kwa 4 saa. Watafiti wanaeleza kuwa seli za hamira zilichangia upunguzaji wa ioni za fedha na uthabiti wa chembe-nano za Ag zilizotengenezwa.

Kwa graphene oxide, 25 mg GO ilisambazwa katika 5 mL ya maji yaliyotolewa ioni na 0,2 g sodium alginate ikaongezwa. Mchanganyiko ulidondoshewa katika suluhisho la %5'lik CaCl₂ ili kuunda chembe-duara, kisha ukaachwa kwa takribani saa tatu kwa uunganishaji-msalaba. Baadaye chembe-duara zilitibiwa ndani ya 5 mL ya suluhisho lenye 250 mg PEG katika 40 °C kwa 20 saa.

Muundo wa nyenzo ulithibitishwa vipi?

Picha za SEM zinaonyesha kuwa chembe-nano za fedha zilisambazwa ndani ya matriksi ya sodium alginate na kwamba tabaka za graphene ziliunda mtandao uliopenyana ndani ya muundo. Mofolojia hii isiyo ya kawaida na yenye vinyweleo ni muhimu kwa kuongeza maeneo ya uso yanayoweza kufikiwa na molekuli za vichafuzi.

Katika picha za TEM, chembe-nano za Ag zilionekana kwa kiasi kikubwa kuwa za duara na zenye ukubwa wa wastani wa takribani 10 nm; hakuna aglomeresheni kubwa iliyojitokeza iliyoripotiwa.

Katika uchambuzi wa XRD, pamoja na kilele cha 2θ ≈ 9,98° kinachohusishwa na graphene oxide, vilele vya 38,1°, 44,3°, 64,5° na 77,7° vilivyopewa maana ya nanokristali za fedha vilionekana. Watafiti waliunganisha uakisi huu na ndege za (111), (200), (220) na (311) katika muundo wa fuwele wa fedha wa ujazo uliokita katikati ya nyuso.

Matokeo ya FTIR yanaonyesha kuwa vikundi vya hydroxyl na vikundi vingine tendaji vyenye oksijeni vipo juu ya adsorbenti. Watafiti wanatathmini kuwa vikundi hivi vina jukumu katika uundaji wa kompleksi na ioni za metali na katika mwingiliano wa uso na vichafuzi vya kikaboni.

Kwa nini pH ilikuwa ya kuamua?

Katika uondoaji wa ioni za metali, utendaji wa Ag-GONA uliongezeka kwa wazi pH ilipopanda kutoka pH 2'dan hadi pH 7'ye. Karibu na pH 7, uondoaji wa Pb ulifikia takribani %89, Hg takribani %80 na Cd takribani %99,7. Katika chanzo, ongezeko hili linaelezwa kwa ushindani wa ioni za H⁺ na maeneo ya adsorpsheni katika pH ya chini, na kwa kuimarika kwa mwingiliano wa elektrostatiki na uundaji wa kompleksi na kationi za metali kutokana na kuondolewa kwa protoni kwenye vikundi tendaji vya uso kadiri hali inavyokaribia upande wa kati.

Katika vichafuzi vya kikaboni pia ongezeko la pH kwa ujumla lilionyesha athari chanya. Chembe-duara za Ag-GONA zilitoa takribani %80 uondoaji wa naphthalene, %76 phenol na %75 fluorene katika pH 7'de.

Muda wa mgusano ulionyesha nini?

Moja ya sifa muhimu za Ag-GONA ni kwamba adsorpsheni huendelea kwa kasi katika saa za mwanzo. Katika majaribio ya metali nzito, baada ya 6 saa uondoaji wa takribani %99,8 kwa Pb, %96,11 kwa Hg na %98 kwa Cd uliripotiwa. Kwa vichafuzi vya kikaboni, katika muda huo huo naphthalene ilifikia takribani %86, phenol %69,5 na fluorene %59.

Muda wa mgusano ulipozidi 6 saa, kwa baadhi ya vichafuzi hakuna ongezeko la ziada lililoonekana, na hata kupungua kidogo kulitokea. Watafiti wanahusisha hali hii na kusheheni kwa maeneo ya uso, kubadilika kwa usawa wa adsorpsheni-desorpsheni au desorpsheni ya sehemu.

Nini kilitokea mkusanyiko wa awali ulipoongezeka?

Katika chembe-duara za udhibiti za GONA, kadiri mkusanyiko wa awali wa kichafuzi ulivyoongezeka, asilimia ya uondoaji kwa ujumla ilipungua. Chembe-duara za Ag-GONA, kwa upande mwingine, zilionyesha utendaji wa juu na thabiti zaidi kwa ioni za metali nzito. Kwa mfano, uondoaji wa Pb ulipungua kutoka takribani %99 hadi %98,56 wakati mkusanyiko wa awali ulipoongezeka kutoka 10 mg/L'den hadi 110 mg/L'ye.

Katika vichafuzi vya kikaboni, kupungua kulionekana wazi zaidi kutokana na kusheheni kwa maeneo ya adsorpsheni. Uondoaji wa naphthalene ulipungua kutoka takribani %84 hadi %74, phenol kutoka %64,7 hadi %49 na fluorene kutoka %53,1 hadi %42,36.

Athari ya joto

Katika masafa ya 298–328 K, kadiri joto lilivyoongezeka, upungufu mdogo lakini wa kawaida katika uondoaji wa metali nzito na vichafuzi vya kikaboni uliripotiwa. Watafiti wanahusisha tabia hii na asili ya kutoa joto ya adsorpsheni. Hata hivyo, lugha ya kimfumo katika sehemu tofauti za makala si thabiti kabisa: tathmini ya kinetiki inasisitiza kemisorpsheni, wakati sehemu ya mjadala wa joto inataja mchakato kama “physisorption-driven”. Katika sehemu ya utaratibu, kwa upande mwingine, kemisorpsheni imara zaidi kwa ioni za metali na mwingiliano dhaifu na unaoweza kurudi nyuma wa van der Waals kwa molekuli za kikaboni unaelezwa.

Uwezo wa juu zaidi wa adsorpsheni

Uwezo wa juu zaidi ulioripotiwa katika muhtasari wa utafiti ni kama ufuatao. Thamani ya Pb inatolewa kama 326,77 mg/g katika muhtasari na sehemu ya hitimisho, huku ikiwa imezungushwa kuwa 326 mg/g katika Tablo 1 na jedwali la ulinganisho.

Langmuir, Freundlich na PSO zilionyesha nini?

Data za usawa zililinganishwa kwa kutumia izothermu za Langmuir na Freundlich. Waandishi kwa ujumla wanasema kuwa modeli ya Langmuir ilieleza data vizuri zaidi na kwamba adsorpsheni inaendana na kushikamana kwa tabaka moja kwenye maeneo ya uso yenye usawa. Thamani za kipengele cha utenganishaji cha Langmuir, R_L, kuwa kati ya 0 na 1 pia zilifasiriwa na watafiti kama hali inayofaa kwa adsorpsheni.

Hata hivyo, kwa Pb, jedwali linaonyesha mgawo wa ulinganifu wa Freundlich R²=0,9875, ilhali thamani ya Langmuir ni R²=0,98633'tür. Kwa hiyo, tafsiri kamili kwamba “Langmuir ilitoa ulinganifu bora kwa wazi kwa vichafuzi vyote” haiungwi mkono kikamilifu na jedwali la chanzo.

Umbo la jumla la modeli ya kinetiki ya daraja la pili bandia (pseudo-second-order, PSO) iliyotumiwa katika uchambuzi wa kinetiki limetolewa katika utafiti kama ifuatavyo:

\[ \frac{t}{q_t}=\frac{t}{k_2q_e^2}+\frac{t}{q_e} \]

Hapa \(q_t\) inaonyesha uwezo wa adsorpsheni wakati t; \(q_e\) uwezo wa adsorpsheni katika usawa; na \(k_2\) konstanti ya kasi ya adsorpsheni ya daraja la pili. Katika utafiti, migawo ya ulinganifu wa PSO kwa Pb, Hg, Cd, naphthalene, phenol na fluorene hubadilika takribani kati ya 0,9909 na 0,99962. Watafiti wanatafsiri ulinganifu huu mkubwa kama ishara kwamba kemisorpsheni au uhamisho wa elektroni kati ya adsorbenti na adsorbati unaweza kuwa na jukumu katika mchakato unaodhibiti kasi. Hata hivyo, ulinganifu mzuri na modeli ya kinetiki pekee haupaswi kuchukuliwa kama ushahidi wa moja kwa moja wa utaratibu wa molekuli.

Utaratibu wa adsorpsheni unaelezwaje?

Katika utafiti, utaratibu unapendekezwa ambapo mofolojia yenye vinyweleo ya uso wa Ag-GONA na vikundi tendaji kama hydroxyl, amino, carbonyl na carboxyl hufanya kazi pamoja. Inaelezwa kuwa ioni za metali zinaweza kushikiliwa kwenye maeneo haya kupitia kugawana jozi za elektroni, uundaji wa kompleksi, mvutano wa elektrostatiki na ubadilishaji wa ioni; vichafuzi vya kikaboni vinaweza kuunganishwa kwenye uso kupitia kujaza vinyweleo, vifungo vya hidrojeni, mwingiliano wa elektrostatiki na mwingiliano dhaifu wa van der Waals.

Kwa hiyo, utafiti haupunguzi adsorpsheni kuwa utaratibu mmoja; unapendekeza kuwa kuna michango kadhaa kama adsorpsheni ya uso, mvutano wa elektrostatiki, uundaji wa kompleksi, ubadilishaji wa ioni na, katika baadhi ya hali, uundaji wa mashapo ya kikemikali.

Je, chembe-duara ziliweza kutumiwa tena?

Katika majaribio ya urekebishaji upya, chembe-duara zilizobeba vichafuzi zilirekebishwa hadi pH 5 kwa HCl na kutibiwa kwa saa tatu kwa suluhisho lenye 200 ppm CaCl₂. Matumizi ya CaCl₂ yalilenga kusaidia kuhifadhi uimara wa kimitambo wa chembe-duara za alginate.

Kwa Pb(II), viwango vya uondoaji katika mizunguko sita mfululizo viliripotiwa kuwa takribani %99,9, %98, %93, %83, %82 na %78 mtawalia. Kwa vichafuzi vya kikaboni, naphthalene ilishuka kutoka %88 hadi %63, phenol kutoka %86 hadi %66 na fluorene kutoka takribani %86,1 hadi %61. Licha ya kupungua kwa utendaji, inaonekana kuwa chembe-duara zilibaki na uwezo wa maana wa adsorpsheni hata katika mzunguko wa sita.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Chembe-duara za Ag-GONA zilionyesha utendaji wa juu zaidi wa kuondoa vichafuzi kuliko chembe-duara za udhibiti za GONA chini ya masharti ya majaribio ya utafiti.
• Uwezo wa juu zaidi wa adsorpsheni katika kiwango cha mamia ya mg/g uliripotiwa kwa Pb(II), Hg(II) na Cd(II).
• Naphthalene, phenol na fluorene pia ziliweza kushikiliwa na adsorbenti hiyo hiyo ya kompoziti.
• pH, muda wa mgusano, mkusanyiko wa awali na joto ziliathiri kwa wazi utendaji wa adsorpsheni.
• Modeli ya kinetiki ya PSO ilionyesha ulinganifu na data za majaribio kwa thamani kubwa za R².
• Chembe-duara hazikupoteza kabisa kazi yake katika mizunguko sita ya adsorpsheni-desorpsheni.

Matokeo ambayo utafiti hauyathibitishi

• Utafiti huu hauonyeshi mafanikio ya muda mrefu ya uendeshaji endelevu katika mtambo kamili wa kutibu maji machafu ya kiwanda cha kusafisha mafuta.
• Matokeo ya urekebishaji upya wa mizunguko sita hayathibitishi kuwa adsorbenti itadumisha utendaji huo huo kwa miezi au miaka.
• Uwezo wa adsorpsheni wa maabara haumaanishi moja kwa moja kwamba asilimia ileile ya uondoaji itapatikana katika mtiririko wa kiwango cha viwanda.
• Utafiti hauhesabu kwa kina gharama ya uzalishaji wa adsorbenti kwa kiwango kikubwa, upotevu wa chembe-nano za fedha au athari kamili ya kimazingira ya mzunguko wa maisha.
• Haijaonyeshwa moja kwa moja kwamba utendaji huo huo utapatikana katika maji machafu ya viwanda vya kusafisha mafuta nchini Uturuki.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muundo wa majaribio

Uwezo wa adsorpsheni na hesabu ya uondoaji

Katika utafiti, uwezo wa adsorpsheni katika usawa ulihesabiwa kwa uhusiano ufuatao:

\[ q=\frac{(C_0-C_f)V}{M} \]

Hapa \(C_0\) inaonyesha mkusanyiko wa awali wa adsorbati, \(C_f\) mkusanyiko baada ya mchakato, \(V\) ujazo wa suluhisho la adsorbati na \(M\) wingi wa adsorbenti. Katika chanzo, mikusanyiko iliripotiwa kwa mg/L na uwezo wa adsorpsheni kwa mg/g.

Ufanisi wa uondoaji kwa asilimia ulihesabiwa kama:

\[ RE(\%)=\frac{C_0-C_f}{C_0}\times100 \]

.

Matokeo makuu ya kiasi

* Uwezo wa Pb umetolewa kama 326,77 mg/g katika muhtasari na hitimisho, na kama 326 mg/g katika Tablo 1 na Tablo 3'te.

Matokeo ya izothermu

Masafa yote ya R_L yaliyoripotiwa katika modeli ya Langmuir yako kati ya 0 na 1. Thamani za Langmuir R² zilizoripotiwa ni 0,98633 kwa Pb, 0,96505 kwa Hg, 0,96205 kwa Cd, 0,99262 kwa naphthalene, 0,99658 kwa phenol na 0,98547 kwa fluorene.

Thamani za Freundlich R² ni 0,9875, 0,9084, 0,9578, 0,9846, 0,9621 na 0,9412 mtawalia. Kwa hiyo, ulinganifu wa Langmuir ni mkubwa zaidi kwa Hg, Cd, naphthalene, phenol na fluorene, wakati kwa Pb modeli hizo mbili ziko karibu sana na thamani ya Freundlich ni kubwa kidogo sana.

Kutokuwiana kwa mlinganyo na joto ndani ya chanzo

Uandishi wa mlinganyo wa mstari wa izothermu ya Freundlich uliotolewa katika utafiti wa chanzo unaonekana kutofautiana na uwasilishaji wa kawaida. Kwa uaminifu kwa chanzo cha kisayansi, mlinganyo huo haujabadilishwa kimyakimya ili “kurekebishwa” hapa. Vivyo hivyo, muhtasari, majaribio ya joto na jedwali la ulinganisho la utafiti yanaunga mkono sharti la 298 K, ilhali katika sehemu ya hitimisho sentensi kuhusu uwezo bora inaandika 398 K. Kwa hiyo, katika maandishi haya ya Verianla, 298 K imehifadhiwa kama muktadha wa majaribio, na kauli ya 398 K imeelezwa kando kama kutokuwiana ndani ya chanzo.

Matokeo kwa upande wa urekebishaji upya na maisha ya matumizi

Baada ya mizunguko sita, uondoaji wa Pb ulipungua hadi %78. Kupungua kwa utendaji pia kulionekana kwa vichafuzi vya kikaboni; kwa naphthalene, phenol na fluorene katika mzunguko wa sita, uondoaji wa takribani %63, %66 na %61 uliripotiwa mtawalia. Matokeo haya yanaonyesha kuwa adsorbenti inaweza kutumiwa tena; lakini jaribio la mizunguko sita haliwakilishi maisha yote ya matumizi ya viwandani.

Upande wenye nguvu wa utafiti huu kwa mtazamo wa uhandisi ni kwamba unathamini kwa pamoja kushikiliwa kwa ioni za metali na vichafuzi vya kikaboni, pamoja na matumizi ya tena ya adsorbenti, kwa kutumia muundo mmoja wa adsorbenti. Kizuizi chake kikuu ni kwamba utendaji huu bado haujathibitishwa katika uendeshaji wa viwandani wenye mtiririko endelevu, kiwango kikubwa cha mtiririko na muda mrefu.

Dokezo la Chanzo na Mbinu

Jina kamili la utafiti asilia: Adsorption of heavy metal ions and organic pollutants from refining wastewater by magnetically synthesized silver nanoparticles coated with graphene oxide

Waandishi: Salma S. Syed; Liya Jacob; Fawzi Banat; Nahla Rizk; Valentina Segneri; Kamran Alam; Abdul Hai.

Waandishi husika: Kamran Alam na Abdul Hai.

Taasisi: Khalifa University Department of Chemistry; Norwegian University of Science and Technology Department of Materials Science and Engineering; Khalifa University Department of Chemical and Petroleum Engineering; Khalifa University Food Security and Technology Center; Khalifa University Department of Biomedical Engineering and Biotechnology; Sapienza University of Rome Department of Chemical Engineering.

Jarida: Scientific Reports

Juzuu / nambari ya makala: 16 / 7681

Mwaka wa uchapishaji: 2026

Tarehe ya uchapishaji: 26 Februari 2026

DOI: 10.1038/s41598-025-26709-3

Kiungo rasmi cha uchapishaji:Ukurasa rasmi wa makala wa Nature / Scientific Reports

Aina ya chanzo na uhakiki: Ni makala asilia ya utafiti iliyopitiwa na wahakiki na kuchapishwa katika Scientific Reports.

Leseni: Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0). Kwa kuwa leseni hairuhusu usambazaji wa vielelezo vya chanzo vilivyobadilishwa, katika makala hii ya Verianla vielelezo asili vya utafiti havijachorwa upya wala kuwasilishwa kama vilivyorekebishwa.

Ufadhili: Waandishi wanashukuru Khalifa University of Science and Technology, Abu Dhabi kwa ufadhili.

Upatikanaji wa data: Imeelezwa kuwa seti za data zilizotumiwa na/au kuchambuliwa katika utafiti zinaweza kupatikana kutoka kwa mwandishi husika kwa ombi la busara.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kuwa hawana mgongano wa maslahi.

Mchango wa waandishi: Uundaji wa dhana SS, AH na FB; mbinu SS na LJ; usimamizi FB, AH na KA; uthibitishaji SS, LJ, NR, KA na VS; uwasilishaji wa kuona SS, LJ na NR; rasilimali FB; rasimu ya awali SS na AH; mapitio na uhariri vilifanywa na FB, KA na AH.

Matokeo ya kisayansi katika maudhui haya ya Verianla yanategemea tu utafiti uliokaguliwa. Sehemu za bibliografia zimethibitishwa kwa rekodi rasmi ya uchapishaji; hakuna matokeo mapya ya majaribio, thamani mpya ya utendaji au utaratibu wa ziada kutoka vyanzo vya nje ulioongezwa kwenye maudhui makuu ya kisayansi.

Kizuizi kikuu cha utafiti ni utegemezi wake kwa majaribio ya batch ya adsorpsheni katika kiwango cha maabara. Ingawa chanzo halisi cha maji machafu ya kiwanda cha kusafisha mafuta kimetajwa, uthibitishaji wa muda mrefu wa shambani wa mfumo wa Ag-GONA uliotengenezwa katika mstari kamili na endelevu wa matibabu haujaonyeshwa. Urekebishaji upya umewekewa mpaka wa mizunguko sita. Aidha, ndani ya chanzo kuna tofauti ya joto ya 298 K/398 K, uwasilishaji wa aina mbili wa uwezo wa juu zaidi wa Pb kama 326/326,77 mg/g, na kutokuwiana kwa kimethodolojia katika baadhi ya kauli za izothermu/utaratibu.