Multi-functional hybrid nanocomposites for detection and removal of heavy metals present in wastewater /
Marwa Waheed Mohamed,
Multi-functional hybrid nanocomposites for detection and removal of heavy metals present in wastewater / المتراكبات النانوية الهجينة متعددة الوظائف للكشف وإزالة بعض الفلزات الثقيلة الموجودة فى مياه الصرف الصحي by Marwa Waheed Mohamed ; Supervisors Prof. Dr. Gehad Genidy Mohamed, Prof. Ahmed Nabile Emam Osman. - 94 pages : illustrations ; 25 cm. + CD.
Thesis (M.Sc)-Cairo University, 2025.
Bibliography: pages 82-94.
Water contamination by heavy metals, particularly chromium, presents a severe
environmental and public health concern due to its toxic, non-biodegradable nature and its
potential to accumulate in the food chain. Industrial activities, including electroplating,
tanning, and textile production, significantly contribute to chromium pollution, particularly in
the form of hexavalent chromium (Cr(VI)) and trivalent chromium (Cr(III)). Conventional
treatment methods such as chemical precipitation, ion exchange, and membrane filtration
have limitations, including high costs and incomplete removal. Nanotechnology has emerged
as a promising alternative for water purification due to the unique physicochemical properties
of nanomaterials, including high surface area, reactivity, and tunable adsorption capacities.
This thesis explores the synthesis, characterization, and application of multifunctional hybrid
nanocomposites for the efficient removal of Cr(III) ions from wastewater. The developed
nanocomposites include CS/TiO2, CS/ZnO, CS/ZnO/g-C3N4, and CS/TiO2-Ag/g-C3N4,
integrating chitosan with metal oxides, graphitic carbon nitride, and silver nanoparticles.
These materials were synthesized using environmentally friendly methods and characterized
through various analytical techniques such as transmission electron microscopy (TEM), X-ray
diffraction (XRD), dynamic light scattering (DLS), zeta potential and Brunauer-Emmett-
Teller (BET) surface area analysis. The adsorption performance of the nanocomposites was
evaluated under different experimental conditions, including contact time, initial Cr(III) ion
concentration, and adsorbent dosage. Among the tested materials, CS/TiO2-Ag/g-C3N4
exhibited the highest adsorption efficiency, achieving a 90.05% removal rate within 150
minutes. The adsorption mechanism followed a two-phase process, consisting of initial rapid
surface adsorption followed by intra-particle diffusion. Lower initial chromium
concentrations correlated with higher removal efficiencies due to increased availability of
adsorption sites. The study also determined optimal adsorption parameters, highlighting the
importance of composite composition in maximizing removal efficiency. This research
underscores the potential of hybrid nanocomposites as cost-effective and sustainable materials
for heavy metal remediation in wastewater treatment applications. By leveraging the synergistic properties of chitosan, metal oxides, and graphitic carbon nitride, these materials
offer enhanced adsorption, stability, and reusability. Future research should focus on scaling
up production, optimizing regeneration techniques, and exploring real-world industrial
applications for sustainable water purification solutions. التلوث المائي بالمعادن الثقيلة، ولا سيما الكروم، يمثل مشكلة بيئية وصحية خطيرة نظرًا لطبيعته السامة وغير القابلة للتحلل الحيوي، بالإضافة إلى قدرته على التراكم في السلسلة الغذائية. تساهم الأنشطة الصناعية، مثل الطلاء الكهربائي، ودباغة الجلود، وصناعة النسيج، بشكل كبير في تلوث المياه بالكروم، خاصةً في شكل الكروم السداسي التكافؤ (Cr(VI)) والكروم الثلاثي التكافؤ (Cr(III)). تعاني الطرق التقليدية لمعالجة المياه، مثل الترسيب الكيميائي، وتبادل الأيونات، والترشيح الغشائي، من عدة قيود، بما في ذلك التكلفة العالية والإزالة غير الكاملة للملوثات. ظهرت تقنية النانو كبديل واعد لتنقية المياه بفضل الخصائص الفريدة للمواد النانوية، مثل المساحة السطحية العالية، والنشاط التفاعلي، وإمكانية ضبط قدرة الامتصاص. تهدف هذه الرسالة إلى دراسة تحضير وتوصيف وتطبيق مركبات نانوية هجينة متعددة الوظائف لإزالة أيونات Cr(III) بكفاءة من مياه الصرف الصناعي. تشمل المواد النانوية المطورة متوالفات/متراكبات CS/TiO2 و CS/ZnO وCS/ZnO/g-C3N4 وCS/TiO2-Ag/g-C3N4، والتي تمثل مزيجًا من الكيتوسان وأكاسيد المعادن، وكربون نيتريد الجرافيت، وجسيمات الفضة النانوية. تم تصنيع هذه المواد باستخدام طرق صديقة للبيئة، وتم توصيفها باستخدام تقنيات تحليلية متعددة، مثل المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، وحيود الأشعة السينية (XRD)، وتشتت الضوء الديناميكي (DLS)، وقياس الجهد السطحي (زيتا)، وتحليل مساحة السطح باستخدام طريقة برونور-إيميت-تيلر (BET). تم تقييم أداء الامتصاص للمركبات النانوية تحت ظروف تجريبية مختلفة، شملت زمن التلامس، وتركيز أيونات Cr(III) الأولي، وجرعة المادة الماصة. من بين المواد المختبرة، أظهرت المتوالفات/المتراكبات النانوية المكونة من CS/TiO2-Ag/g-C3N4 أعلى كفاءة امتصاص، حيث حققت معدل إزالة بنسبة 90.05% خلال 150 دقيقة. اتبع آلية الامتصاص نموذجًا ثنائي الطور، تضمن الامتصاص السطحي السريع في المرحلة الأولية، يليه الانتشار داخل الجسيمات. كما أظهرت النتائج أن انخفاض التركيز الأولي للكروم أدى إلى كفاءة إزالة أعلى، بسبب زيادة توافر مواقع الامتصاص. حددت الدراسة أيضًا الظروف المثلى للامتصاص، مما يبرز أهمية تركيبة المواد المركبة في تعزيز كفاءة الإزالة. و تؤكد هذه الدراسة على إمكانات المركبات النانوية الهجينة كمواد فعالة من حيث التكلفة ومستدامة لمعالجة المعادن الثقيلة في تطبيقات تنقية مياه الصرف. من خلال الاستفادة من التفاعلات التآزرية بين الكيتوسان وأكاسيد المعادن وكربون نيتريد الجرافيت، توفر هذه المواد خصائص محسّنة من حيث الامتصاص، والثبات، وإمكانية إعادة الاستخدام. ينبغي أن تركز الأبحاث المستقبلية على توسيع نطاق الإنتاج، وتحسين تقنيات التجديد، واستكشاف التطبيقات الصناعية الواقعية من أجل توفير حلول مستدامة لتنقية المياه.
Text in English and abstract in Arabic & English.
heavy metals
الفلزات الثقيلة
Graphitic carbon nitride synergy Chromium (III) removal Chitosan-based adsorbents Adsorbent dosage Plasmonic/metal oxide nanohybrids نيتريد الكربون الجرافيتي إزالة الكروم الثلاثي
631.875
Multi-functional hybrid nanocomposites for detection and removal of heavy metals present in wastewater / المتراكبات النانوية الهجينة متعددة الوظائف للكشف وإزالة بعض الفلزات الثقيلة الموجودة فى مياه الصرف الصحي by Marwa Waheed Mohamed ; Supervisors Prof. Dr. Gehad Genidy Mohamed, Prof. Ahmed Nabile Emam Osman. - 94 pages : illustrations ; 25 cm. + CD.
Thesis (M.Sc)-Cairo University, 2025.
Bibliography: pages 82-94.
Water contamination by heavy metals, particularly chromium, presents a severe
environmental and public health concern due to its toxic, non-biodegradable nature and its
potential to accumulate in the food chain. Industrial activities, including electroplating,
tanning, and textile production, significantly contribute to chromium pollution, particularly in
the form of hexavalent chromium (Cr(VI)) and trivalent chromium (Cr(III)). Conventional
treatment methods such as chemical precipitation, ion exchange, and membrane filtration
have limitations, including high costs and incomplete removal. Nanotechnology has emerged
as a promising alternative for water purification due to the unique physicochemical properties
of nanomaterials, including high surface area, reactivity, and tunable adsorption capacities.
This thesis explores the synthesis, characterization, and application of multifunctional hybrid
nanocomposites for the efficient removal of Cr(III) ions from wastewater. The developed
nanocomposites include CS/TiO2, CS/ZnO, CS/ZnO/g-C3N4, and CS/TiO2-Ag/g-C3N4,
integrating chitosan with metal oxides, graphitic carbon nitride, and silver nanoparticles.
These materials were synthesized using environmentally friendly methods and characterized
through various analytical techniques such as transmission electron microscopy (TEM), X-ray
diffraction (XRD), dynamic light scattering (DLS), zeta potential and Brunauer-Emmett-
Teller (BET) surface area analysis. The adsorption performance of the nanocomposites was
evaluated under different experimental conditions, including contact time, initial Cr(III) ion
concentration, and adsorbent dosage. Among the tested materials, CS/TiO2-Ag/g-C3N4
exhibited the highest adsorption efficiency, achieving a 90.05% removal rate within 150
minutes. The adsorption mechanism followed a two-phase process, consisting of initial rapid
surface adsorption followed by intra-particle diffusion. Lower initial chromium
concentrations correlated with higher removal efficiencies due to increased availability of
adsorption sites. The study also determined optimal adsorption parameters, highlighting the
importance of composite composition in maximizing removal efficiency. This research
underscores the potential of hybrid nanocomposites as cost-effective and sustainable materials
for heavy metal remediation in wastewater treatment applications. By leveraging the synergistic properties of chitosan, metal oxides, and graphitic carbon nitride, these materials
offer enhanced adsorption, stability, and reusability. Future research should focus on scaling
up production, optimizing regeneration techniques, and exploring real-world industrial
applications for sustainable water purification solutions. التلوث المائي بالمعادن الثقيلة، ولا سيما الكروم، يمثل مشكلة بيئية وصحية خطيرة نظرًا لطبيعته السامة وغير القابلة للتحلل الحيوي، بالإضافة إلى قدرته على التراكم في السلسلة الغذائية. تساهم الأنشطة الصناعية، مثل الطلاء الكهربائي، ودباغة الجلود، وصناعة النسيج، بشكل كبير في تلوث المياه بالكروم، خاصةً في شكل الكروم السداسي التكافؤ (Cr(VI)) والكروم الثلاثي التكافؤ (Cr(III)). تعاني الطرق التقليدية لمعالجة المياه، مثل الترسيب الكيميائي، وتبادل الأيونات، والترشيح الغشائي، من عدة قيود، بما في ذلك التكلفة العالية والإزالة غير الكاملة للملوثات. ظهرت تقنية النانو كبديل واعد لتنقية المياه بفضل الخصائص الفريدة للمواد النانوية، مثل المساحة السطحية العالية، والنشاط التفاعلي، وإمكانية ضبط قدرة الامتصاص. تهدف هذه الرسالة إلى دراسة تحضير وتوصيف وتطبيق مركبات نانوية هجينة متعددة الوظائف لإزالة أيونات Cr(III) بكفاءة من مياه الصرف الصناعي. تشمل المواد النانوية المطورة متوالفات/متراكبات CS/TiO2 و CS/ZnO وCS/ZnO/g-C3N4 وCS/TiO2-Ag/g-C3N4، والتي تمثل مزيجًا من الكيتوسان وأكاسيد المعادن، وكربون نيتريد الجرافيت، وجسيمات الفضة النانوية. تم تصنيع هذه المواد باستخدام طرق صديقة للبيئة، وتم توصيفها باستخدام تقنيات تحليلية متعددة، مثل المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، وحيود الأشعة السينية (XRD)، وتشتت الضوء الديناميكي (DLS)، وقياس الجهد السطحي (زيتا)، وتحليل مساحة السطح باستخدام طريقة برونور-إيميت-تيلر (BET). تم تقييم أداء الامتصاص للمركبات النانوية تحت ظروف تجريبية مختلفة، شملت زمن التلامس، وتركيز أيونات Cr(III) الأولي، وجرعة المادة الماصة. من بين المواد المختبرة، أظهرت المتوالفات/المتراكبات النانوية المكونة من CS/TiO2-Ag/g-C3N4 أعلى كفاءة امتصاص، حيث حققت معدل إزالة بنسبة 90.05% خلال 150 دقيقة. اتبع آلية الامتصاص نموذجًا ثنائي الطور، تضمن الامتصاص السطحي السريع في المرحلة الأولية، يليه الانتشار داخل الجسيمات. كما أظهرت النتائج أن انخفاض التركيز الأولي للكروم أدى إلى كفاءة إزالة أعلى، بسبب زيادة توافر مواقع الامتصاص. حددت الدراسة أيضًا الظروف المثلى للامتصاص، مما يبرز أهمية تركيبة المواد المركبة في تعزيز كفاءة الإزالة. و تؤكد هذه الدراسة على إمكانات المركبات النانوية الهجينة كمواد فعالة من حيث التكلفة ومستدامة لمعالجة المعادن الثقيلة في تطبيقات تنقية مياه الصرف. من خلال الاستفادة من التفاعلات التآزرية بين الكيتوسان وأكاسيد المعادن وكربون نيتريد الجرافيت، توفر هذه المواد خصائص محسّنة من حيث الامتصاص، والثبات، وإمكانية إعادة الاستخدام. ينبغي أن تركز الأبحاث المستقبلية على توسيع نطاق الإنتاج، وتحسين تقنيات التجديد، واستكشاف التطبيقات الصناعية الواقعية من أجل توفير حلول مستدامة لتنقية المياه.
Text in English and abstract in Arabic & English.
heavy metals
الفلزات الثقيلة
Graphitic carbon nitride synergy Chromium (III) removal Chitosan-based adsorbents Adsorbent dosage Plasmonic/metal oxide nanohybrids نيتريد الكربون الجرافيتي إزالة الكروم الثلاثي
631.875