Thesis (M.Sc)-Cairo University, 2025.

Bibliography: pages 114-146.

Water contamination from industrial effluents is a significant global
environmental issue, as synthetic dyes and heavy metals are among the most
hazardous and toxic contaminants. Reactive azo dyes such as Reactive Black
5 (RB5) are chemically stable, highly soluble, and resistant to biodegradation.
Simultaneously, lead ions (Pb²⁺) pose significant hazards to ecosystems and
human health owing to their persistence and bioaccumulation. Addressing
these dual contaminants simultaneously requires innovative, cost-effective,
sustainable treatment technologies. This study, for the first time, investigates
the sequential modification of sisal fiber (SF), a low-cost lignocellulosic
material, using hydrogen peroxide (H₂O₂), sodium chloride (NaCl), and the
cationic surfactant benzyl dimethyl hexadecyl ammonium chloride (HDBAC),
enabling the simultaneous removal of reactive black 5 dye (RB5) and lead ions
(Pb2+) from wastewater. The modifications enhanced adsorption efficiency by
introducing additional carbonyl, carboxyl, aromatic, and quaternary
ammonium groups. FTIR, SEM, BET, EDX, and XRD characterization
confirmed substantial chemical and morphological changes, including a
fivefold increase in surface area after H₂O₂/NaCl treatment, compared to raw
SF. In contrast, subsequent HDBAC modification reduced the total pore
volume and specific surface area. Optimization of HDBAC concentration
resulted in removing 95.5% of RB5 and 43.1% of Pb2+ at pH 5.7, 1.5 g/L
adsorbent dosage, and room temperature. Selective adsorption of RB5 was
observed at pH 2, (45-55)°C temperatures, or by adding trace amounts of Ca2+.
Kinetic studies show RB5 follows PFO, whereas Pb2+ fits the Elovich model.
Isotherm data indicate Langmuir monolayer adsorption for RB5 and
Freundlich multilayer adsorption for Pb²⁺ in single systems, while the opposite
trend was observed in the two-component system. The co-presence of RB5 and
Pb2+ enhanced RB5 removal while reducing Pb2+ uptake. The Langmuir
monolayer adsorption capacity (qL) increased from 10.17 mg/g (single) to
17.26 mg/g (two-component) for RB5 dye and dropped from 170.01 mg/g
(single) to 45.57 mg/g (two-component) for Pb2+. These results highlight
competitive and cooperative adsorption mechanisms in multi-contaminant
systems, underscoring the importance of mechanistic insights for process
optimization. Comparative evaluation showed that the qL of HDBAC-OSF, in
millimeter-scale form, outperformed various powdered and nano-sized
adsorbents reported in the literature, offering superior performance while
maintaining simplicity, scalability, and environmental compatibility. Overall,
this research provides a novel and practical bio-based adsorbent for the
simultaneous removal of dyes and heavy metals, advancing sustainable
wastewater treatment strategies and contributing to green chemistry and
circular economy frameworks. This thesis aims to develop a cost-effective,
surface-modified sisal fiber adsorbent capable of removing both Reactive
Black 5 dye and Pb²⁺ ions from wastewater, while also providing mechanistic
insights into adsorption under single and (two-component) systems.

يُعد تلوث المياه الناتج عن المخلفات الصناعية من أبرز التحديات البيئية العالمية حيث تُعتبر الأصباغ الصناعية والمعادن الثقيلة من أكثر الملوثات ثباتًا وسُمّية لما لها من مخاطر صحية وبيئية. فالأصباغ التفاعلية مثل الصبغة السوداء التفاعلية 5 (RB5) تتميز بثباتها الكيميائي وقابليتها للذوبان المرتفعة ومقاومتها للتحلل الحيوي، في حين تشكل أيونات الرصاص (Pb²⁺) مخاطر جسيمة على النظم البيئية وصحة الإنسان نتيجة لثباتها وقدرتها على التراكم الحيوي. إن التعامل مع هذين الملوثين في آن واحد يتطلب تقنيات معالجة مبتكرة وفعّالة من حيث التكلفة والاستدامة. تتناول هذه الدراسة ولأول مرة التعديل المتتابع لألياف السيزال (SF)، وهي مادة لجنوسليلوزية منخفضة التكلفة عبر عملية من ثلاث خطوات تشمل أكسدة فوق أكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، ومعالجة كلوريد الصوديوم (NaCl)، والتعديل بمادة خافضة للتوتر السطحي موجبة الشحنة وهي بنزيل ثنائي ميثيل هكسادسيل كلوريد الأمونيوم (HDBAC) وقد اجريت هذه التعديلات لتعزيز كفاءة الامتزاز عبر إدخال مجموعات كيميائية اضافية مثل الكربونيل والكربوكسيل بالاضافة الى مجموعات الامونيوم الرباعية موجبة الشحنة. وأكّد جهاز مطافية الاشعة تحت الحمراء (FTIR)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وتحليل المساحة السطحية (BET)، والتحليل الطيفي بالأشعة السينية( EDX)، وحيود الأشعة السينية (XRD) حدوث تغيرات جوهرية في البنية الكيميائية والمورفولوجية، بما في ذلك زيادة المساحة السطحية بمقدار خمسة أضعاف بعد معالجة فوق اكسيد الهيدروجين وكلوريد الصوديوم مقارنة بالياف السيزال الخام و يعقبها انخفاض في حجم المسام الكلى والمساحة السطحية بعد التعديل بماده بنزيل ثنائي ميثيل هكسادسيل كلوريد الأمونيوم. أظهرت تجارب الامتزاز الدُفعي أن السيزال المعدل( HDBAC5-OSF) حققت كفاءة إزالة بلغت 95.5% للصبغة السوداء التفاعلية 5 ولأيونات الرصاص43.1% تحت ظروف مثالية عند قيمة الاس الهيدروجيني 5,7، بجرعة قدرها 1.5 جم/لتر وفى درجة حرارة الغرفـة.ولوحظت انتقائيـة في الامتزاز للصبغـة السوداء التفاعليـة عنــد قيمة الاس الهيدروجيني 2 وفى درجات حراره بين (45–55 °م)، وعند وجود كميات طفيفة من أيونات الكالسيوم (Ca²⁺) وأوضحت النماذج الحركية أن امتزاز الصبغة التفاعلية السوداء 5 يتبع نموذج الرتبة الأولى (PFO)، بينما وُصفت عملية امتصاص ايونات الرصاص بشكل أفضل بواسطة نموذج إلوفيتش (Elovich)، مما يشير إلى مسارات وآليات تفاعل مختلفة. كما بيّنت دراسة ايزوثيرم الامتزاز أن الصبغه التفاعليه السوداء 5 تخضع لامتزاز أحادي الطبقة وفق نموذج لانجمير، في حين اتبع ايونات الرصاص امتزاز متعدد الطبقات وفق نموذج فريندلش فى الانظمة الاحادية بينما انعكست هذه الاتجاهات في الأنظمة الثنائية. ومن المثير للاهتمام أن التواجد المشترك للصبغة وايونات الرصاص أدى إلى زيادة امتزاز الصبغة التفاعلية بينما انخفض امتزاز الرصاص إذ ارتفعت سعة لانجمير (qL) للـصبغة التفاعلية من 10.17 ملجم/جم في الأنظمة الأحادية إلى 17.26 ملجم/جم في الأنظمة الثنائية، في حين انخفضت سعة لانجميرلايونات الرصاص من 170.01 إلى 45.57 ملجم/جم. وأظهرت المقارنة مع الدراسات السابقة أن السيزال المعدل بحجمه الميليمتري تفوق على العديد من المواد الممتزة سواء تم طحنها أو نانوية الحجم ، حيث قدّم أداءً متفوقًا مع الحفاظ على البساطة وقابلية التوسع والملاءمة البيئية. وبشكل عام، توفر هذه الدراسة مادة ماصة حيوية مبتكرة وعملية لإزالة الأصباغ والمعادن الثقيلة في آن واحد، مما يعزز استراتيجيات معالجة مياه الصرف ويساهم في مبادئ الكيمياء الخضراء واقتصاديات التدوير.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.