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.