مطالعات علوم محیط زیست

مطالعات علوم محیط زیست

سنتز نانو کامپوزیت زئولیت/نانو لوله های کربنی (CNTs) به منظور حذف فسفات از محلول آبی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه منابع طبیعی و محیط زیست واحد علوم و تحقیقات ، دانشگاه آزاد اسلامی تهران،ایران
2 گروه منابع طبیعی و محیط زیست- واحد علوم و تحقیقات- دانشگاه آزاد اسلامی- تهران
3 پژوهشکده سلامت،دانشگاه علوم پزشکی کرمانشاه،کرمانشاه،ایران
10.22034/jess.2025.537298.2388
چکیده
فسفر از عناصر ضروری برای رشد گیاهان و جانوران به‌شمار می‌رود، اما ورود بیش از حد آن از طریق فاضلاب و کودهای شیمیایی به منابع آبی منجر به آلودگی زیست ‌محیطی می‌گردد. این پژوهش با هدف بررسی کارایی نانوکامپوزیت زئولیت/نانولوله‌کربنی(CNT) در حذف یون فسفات از محلول‌های آبی و تحلیل ساختار و عملکرد آن تحت شرایط مختلف انجام شد. نانوکامپوزیت مورد نظر به روش سنتز شیمیایی تهیه و با استفاده از آنالیزهای FTIR، FESEM، XRD و BET مشخصه‌یابی گردید. نتایج آزمون XRD ساختار بلوری نانوکامپوزیت را تأیید کرد و طیف FTIR بیشترین جذب را در عدد موجی 02/1643 cm⁻¹ نسبت داد. آزمون BET سطح ویژه بالا و حضور مزوحفره ها را نشان داد و تصاویر FESEM نمایانگر مورفولوژی یکنواخت بودند. فرایند حذف فسفات در شرایط مختلفی از جمله pH، زمان تماس، دوز جاذب و غلظت فسفات بررسی شد. شرایط بهینه برای جذب فسفات در pH برابر 7 و زمان تماس 60 دقیقه با بازده حذف 91% به‌دست آمد. با افزایش غلظت اولیه فسفات، ظرفیت جذب افزایش و درصد حذف 48/78درصدکاهش یافت. مدل سینتیکی شبه‌مرتبه دوم و ایزوترم لانگمویر با ضریب تعیین (R²=0.987) بهترین تطابق را با داده‌های تجربی داشتند. نتایج بررسی ترمودینامیکی نشان داد که فرآیند جذب در دماهای مختلف از کارایی مناسبی برخوردار است. همچنین، نانوکامپوزیت پس از سه مرحله بازیافت، همچنان ظرفیت جذب قابل توجهی 50/24 mg/g و درصد حذف 68/81% را حفظ کرد. این یافته‌ها نشان‌دهنده پتانسیل بالای نانوکامپوزیت زئولیت/CNT در تصفیه آب و کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی هستند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Synthesis of Zeolite nanocomposite/ Carbon Nanotubes (CNTs) for phosphate removal from aqueous solution

نویسندگان English

Melika Nour 1
Lobat Taghavi 2
Ayoob Rezaie 3
1 Department of Natural Resources and Environment, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Department of natural resources and environment, SR.C. IAU . Tehran
3 Health Research Center, Kermanshah University of Medical Sciences, Kermanshah, Iran
چکیده English

Instructions
people, animals and plants with good and healthy growing. But when too much of it—especially as phosphate—gets into rivers, lakes or groundwater, it’s bad news. Stuff like farm fertilizers, city runoff, and factory waste dumps phosphate into water, causing something called eutrophication. That’s when the algae and the plankton go hog wild, make the water gross, smelly, and cloudy, suck up all the oxygen—and mess things up for fish and other aquatic critters. Even a tiny bit, like 100 micrograms per liter, can kind of set this in motion, so it's a problem everywhere, from big lakes to small streams. This mess comes from two places: us adding too much phosphorus to water and old phosphorus stuck in lake or river bottoms sneaking back out over time. So, we got to find smart ways to clean it up and stop it from coming back. There are a bunch of methods—like reverse osmosis, ion exchange, chemical tricks, electric treatments, or using bacteria and plants—but I think adsorption is the way to go. It’s like using a sponge that soaks up phosphate and holds onto it. It’s cheap, works really well, doesn’t leave junk behind, and you can tweak it to fit different types of water or pollution levels. People are now hyped about super tiny materials called Nano adsorbents. They’re so small they’ve got tons of surface area to grab pollutants. Two cool ones are zeolites and carbon nanotubes (CNTs). Zeolites are like tiny cages that trap ions and help reactions go faster. CNTs are strong, bendy, and have some neat electrical and chemical properties. By mixing them, we made a special hybrid material called a nanocomposite to clean phosphate from water in a more efficient and targeted way. In this study, we tested how good it is by playing around with things like water acidity, how much material we used, how long it sat in the solution, and how much phosphate was present in the water samples.

Materials and Methods
To make our nanocomposite, we took 20 grams of zeolite and mixed it with just 0.03 grams of CNTs. We tossed them in a clean container, stirred them up for 30 minutes with a magnetic stirrer, then spun it in a centrifuge for 10 minutes to separate the solid part from the liquid. We dried the solid in an oven at 80°C for a whole day, then baked it at 600°C in a furnace for 3 hours to make it sturdy and enhance its structure. This process helped embed the CNTs into the zeolite network. For the actual tests, we made water samples with phosphate concentrations ranging from 10 to 50 mg/L in 100 mL of distilled water. We adjusted the water’s pH from 2 to 11 using sodium hydroxide or hydrochloric acid. We also tried different contact times (from 10 to 120 minutes) and different dosages of the material (from 0.01 to 0.05 grams) to figure out what setup gave the best phosphate removal results. These variables—pH, time, material amount, and phosphate level—all affect how well the material grabs phosphate, how much it can hold onto, and whether you can use it again for multiple rounds.
We checked out: How it grabs phosphate: We tested two main models—Langmuir (where phosphate sticks in a single layer) and Freundlich (where it can form multilayers). How fast it works: We looked at pseudo-first-order (based on free sites) and pseudo-second-order (based on chemical bonding) kinetic models. We used a number called R² (correlation coefficient) to see which model fit the data better. Energy side of things: We calculated Gibbs free energy to figure out if the process happens spontaneously or not.

We used materials like sodium hydrogen phosphate for the phosphate solution, nitric acid to clean CNTs, and sodium hydroxide for pH adjustment. Equipment included a super accurate digital scale, magnetic stirrer, centrifuge, furnace, shaker, oven, and lab tools like FTIR, FESEM, XRD, and BET to check out the material’s chemistry, surface, crystal structure, and surface area. We ran each test at least three times to make sure our data was reliable.

Results and Discussion
Our zeolite/CNT nanocomposite was awesome at cleaning phosphate! Here’s the scoop: FTIR tests showed a strong signal at 1643.02 cm⁻¹ with 135.54% absorption, meaning the surface had active sites perfect for grabbing phosphate ions. FESEM and XRD showed it has a smooth, crystalline structure with lots of mesopores—tiny holes that help trap phosphate really well. BET analysis confirmed the surface area was big, which means more places to hold pollutants. It worked best at pH 7 (which is like normal drinking water) after 60 minutes of contact time, removing 91% of the phosphate. When we added more phosphate (10 to 50 mg/L), the percentage of removal dipped slightly, but the total amount removed increased, which is a good sign. The process followed Langmuir and pseudo-second-order models closely, with an R² of 0.987, showing these models are spot-on. It still worked great even after three cycles of reuse, which makes it really promising for real-world applications where cost and durability matter. Our results line up with other scientific studies but stand out for a few reasons. Some researchers using modified materials only reached 39% phosphate removal, while our composite hit 91%. Another group got 91% too, but only under acidic conditions—ours worked great at neutral pH, which is easier to maintain and safer. Similar performance was seen with iron-CNT composites and hybrid materials like MOF/CNT or magnetic graphene oxide, but our focus on phosphate specifically gave it an edge. We didn’t study biosensors or multiple pollutants—just laser-focused on getting phosphate out, and it paid off.

Conclusion
Our zeolite/CNT nanocomposite is a total champ at cleaning phosphate from water. It worked best at pH 7 after 60 minutes, removing 91% of phosphate. Even at higher phosphate concentrations, it held strong. All tests—from FTIR and FESEM to BET and XRD—proved it’s got an excellent structure full of functional groups and pores. The Langmuir and pseudo-second-order models explained its behavior perfectly, and it stayed effective even after being reused three times. That’s a win for sustainability. This material could seriously help fix phosphate pollution in real settings. It’s cheap, strong, works under normal conditions, and doesn’t need fancy chemicals or extreme pH. The next thing to do is to scale it up — try it in larger water treatment systems like in municipalities or industry, perhaps even see how it does with other pollutants as well. It’s a move forward in the battle for cleaner water and a healthier environment.

کلیدواژه‌ها English

Zeolite Nanocomposite
Carbon Nanotubes (CNTs)
Phosphate Removal
Synthesis
Aqueous Solution
1.       Adil, S., & Kim, J.-O. (2023). The effectiveness and adsorption mechanism of iron-carbon nanotube composites for removing phosphate from aqueous environments. Chemosphere, 313, 137503.
2.       Guo, J., Jin, X., Hossain, M. F., Lu, J., Lu, Q., Zhou, Y., & Zhou, Y. (2024). Recent advances in the removal and recovery of phosphorus from aqueous solution by metal-based adsorbents. Resources, Conservation and Recycling, 204.
3.       Jagadeesan, A. K., Thangavelu, K., & Dhananjeyan, V. (2020). Carbon nanotubes: Synthesis, properties and applications. In Carbon Nanotubes (pp. 1–20).
4.       Jain, A., Kumari, S., Agarwal, S., & Khan, S. (2021). Water purification via novel nano-adsorbents and their regeneration strategies. Process Safety and Environmental Protection, 152(3)
5.       Kumari, S., Dong, Y., & Safferman, S. I. (2025). Phosphorus adsorption and recovery from waste stream using biochar: Review of mechanisms, modifications, and agricultural applications. Applied Water Science, 15, 162
6.       McKay, G., Almanassra, I. W., Kochkodan, V., Atieh, M. A., & Al-Ansari, T. (2021). Review of phosphate removal from water by carbonaceous sorbents. Journal of Environmental Management, 287.
7.       Miao, J., Lang, Z., Xue, T., Li, Y., Li, Y., Cheng, J., Zhang, H., & Tang, Z. (2020). Revival of zeolite-templated nanocarbon materials: Recent advances in energy storage and conversion. Advanced Science, 7 (20), 2001135.
8.       Nakhlestani, N., Taghavi, L., Dehghani, M., & Panahi, H. A. (2024). Efficient removal of Pb(II) and Cd(II) ions from aqueous solutions using a 5-aminoisophthalic acid polymerized magnetic graphene oxide composite. Iran. J. Chem. Chem. Eng.(IJCCE) Research Article Vol, volume43, Issue7
9.       Owenby, M., Desrosiers, D.-A., & Vaneeckhaute, C. (2021). Phosphorus removal and recovery from wastewater via hybrid ion exchange nanotechnology: A study on sustainable regeneration chemistries. npj Clean Water, 4, 6.
10.   Ren, Y., Wentian, Z., Duan, X., & Goswami, N. (2022). Recent advances in electrochemical removal and recovery of phosphorus from water: A review. Environmental Functional Materials, 1 (1).
11.   Shang, Y., Wang, Y., Qi, Z., & Gao, Z. (2021). Proportional modulation of zinc-based MOF/carbon nanotube hybrids for simultaneous removal of phosphate and emerging organic contaminants with high efficiency. Chemical Engineering Journal, 417.
12.   Sodha, V., Gaur, R., Bandyopadhyay, R., & Shahabuddin, S. (2022). Comprehensive review on zeolite-based nanocomposites for treatment of effluents from wastewater. Nanomaterials, 12 (18).
13.   Usman, M. O., Aturagaba, G., Ntale, M., & Nyakairu, G. W. (2022). A review of adsorption techniques for removal of phosphates from wastewater. Water Sci Technol, Volume 86, Issue 12.
14.   Wang, B., Hu, X., Zhou, D., Zhang, H., Chen, R., Guo, W., Wang, H., Zhang, W., Hong, Z., & Lyu, D. (2021). Highly selective and sustainable clean-up of phosphate from aqueous phase by eco-friendly lanthanum cross-linked polyvinyl alcohol/alginate/palygorskite composite hydrogel beads. Journal of Cleaner Production, 298, 126878
15.  آدینه اصل ، آ . غفاری ، ف . فلاحی سامبران ، م. (1402) . مروری بر نانوکامپوزیت های پلیمری هوشمند و کاربردهای آنها ، کاربرد شیمی در محیط زیست ، سال چهاردهم ،شماره 54، صفحات37-55
16.  جمعیتی ، م . (1402). مروری بر نانو لوله­های کربنی و روش ساخت آنها ،کاربرد شیمی در محیط زیست ، دوره 14، شماره 55، صفحه 59-65
17.  جیریایی شراهی ، ف. شهبازی،ا .بهرامی ، ز .(1395). سنتز جاذب نانوکامپوزیت مغناطیسی و حذف یون ‌Pb(II) از پساب: اپتیمم‌سازی و مدلسازی فرآیند جذب، پژوهشی شیمی کاربردی، دوره 11، شماره 40
18.  حبیب اللهی ، س. ایروانی ، م . زارعان ، ع . (1399) . سنتز نانوکامپوزیت کلینوپتیلولیت- پلی‌آکریلونیتریل به منظور حذف زیرکونیم از محلول‌های آبی: بررسی و ارزیابی عوامل تأثیرگذار بر فرایند جذب، پارامترهای سینتیکی، ترمودینامیکی و ایزوترم‌های جذبی ، علوم و فنون هسته ای ، دوره 41 ،شماره 1
19.  حجی زاده، م. غمامی ،ش .گنجی دوست، ح.فرساد،ف. (1399).مروری بر انواع جاذب در تصفیه آب و پساب ،مطالعات علوم محیط زیست، دوره پنجم ،شماره چهارم
20.  حسن آقائی ، آ. عباسلو ، حا .بختیاری ، س. (1399).سنتز سبز نانو کامپوزیت منگنز/سپیولیت و کارایی آن در حذف نیکل از محلول های آبی،مطالعات علوم محیط زیست،دوره پنجم،شماره سوم،صفحه2823-2829
21.  رضوی مهر ، م . فکری ، م . محمدی شاد ، ف .  (1400) . سنتز نانو کامپوزیت کربن فعال/اکسید روی از ضایعات گیاه کلزا به روش شیمی سبز، بررسی عملکرد آن در حذف رنگدانه متیلن بلو و بهینه سازی پارامترهای موثر به کمک طراحی آزمایش ، سلامت و محیط زیست ، دوره 14،شماره 2
22.  صدیقی ، م . (1400) . پارامترهای موثر در حذف آلاینده‌های فسفات و آهن توسط زئولیت طبیعی اصلاح شده؛ مطالعه سینتیک و ترمودینامیک جذب سطحی ، علوم و مهندسی جداسازی، دوره: 13، شماره 2
23.  عسکری ، ف. رمضانی ، ا. رسولی گرمارودی ، ا . جعفری پطرودی ، س. محمد کاظمی ،ف . حسین زاده ، ج .(1401) . ساخت کامپوزیت هیدروژل بر پایه کربوکسی متیل سلولز اصلاح شده حرارتی و نانوزئولیت ، دوره13،شماره4
24.  قرقچیان ، ا . محمدی منش، ح . فانی ، س. حکیمی ، م . (1401) . جذب سطحی یون سیانید با نانوجاذب زئولیت کلینوپتیلولیت ، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران ،دوره 41 ،شماره 4
25.  کرمی،م .کلایی،م .(1400). بررسی اثر نانو لوله­های کربنی بر مدلسازی سینتیک پخت رزین اپوکسی،علوم و مهندسی، دوره: 6، شماره: 3
26.  محرمی ، س .(1403) . اثر pH و قدرت یونی بر کارآیی حذف فسفر از محلول های آبی توسط جاذب های معدنی اصلاح شده ، محیط زیست و مهندسی آب ، دوره ،10 شماره 1
27.  مهدوی، ش.(1394). حذف فسفات از محلول های آبی با استفاده از نانوجاذب های اکسیدی ساده و اصلاح شده (MgO، ZnO و TiO2) ،پایان نامه کارشناسی ارشد  دانشگاه ملایر،دولتی-وزارت علوم،تحقیقات و فناوری.
28.  نوری سپهر،م .دهقانی فرد،ع .کاکاوندی،ب .(1399).بررسی کارایی کیتوزان نانومغناطیسی شده در حذف نیترات و فسفات از محلول های آبی،فصلنامه علمی پژوهشی مهندسی بهداشت محیط، دوره: 7، شماره: 4
29.  نیکزاد، ع. عوض پور، ا. رضایی، ق.1397. دستگاه اندازه گیری تخلخل و سطح ویژه (BET)اساس کار،مکانیسم، عمل کرد و تحلیل داده ها،فصلنامه رویکردهای نوین در آزمایشگاه های علمی ایران، دوره: 2، شماره:3
30.  هاشمی ، م . ناصری ، ع . گلابی ، م . هوشمند ، ع . (1400) . بررسی کارایی استفاده از زئولیت کلینوپتیلولیت اصلاح شده در حذف نیترات، فسفات و شوری از زهاب کشاورزی ،علوم و مهندسی آبیاری ، دوره 45 ، شماره 1
31.  الهامی ، ش .سقا کهواز، م . رهبر،ن .(1399). حذف فسفات از آب و پساب با استفاده از پودر اسکلت داخلی سپیا (ماهی مرکب) به‌عنوان یک جاذب طبیعی، آب و فاضلاب ، دوره 31،شماره5