Development, Characterization, and Evaluation of a Novel Catalyst for Efficient Heavy Metal Removal from Industrial Petroleum Wastewater

Abstract

Considered heavy metals, such as As(III), Be(II), Cd(II), Cr(VI), Mn(II), Mo(II), Ni(II), Pb(II), Sb(III), Se(-II), and Zn(II), in wastewater from petrochemical industries (oil and gas production plants) are a major concern in environmental toxicology due to their toxic effects on aquatic and terrestrial life. To preserve biodiversity, hydrosphere ecosystems, and human health, it is critical to remove these heavy metals from the watery environment. In this study, ZnO nanoparticles (NPs) were synthesized by a co-precipitation method , polyvinylpyrrolidone-coated ZnO nanocomposites (ZnO@PVP NCs) and characterized using UV-Vis spectrophotometry, FTIR spectroscopy, and X-Ray Diffraction (XRD) techniques, to investigate their optical properties, chemical structure, and crystalline structure. ZnO NPs exhibited an absorption peak at 311 nm and a bandgap of 1.94 eV, while ZnO@PVP NCs showed peaks at 311 nm and 361 nm with a reduced bandgap of 1.81 eV, and crystallite sizes of 22.84 ± 3.49 nm and 26.37 ± 2.90 nm, respectively. These were then used as adsorbents for the removal of As(III), Bi(II), Cd(II), Cr(VI), Mn(II), Mo(II), Ni(II), Pb(II), Sb(III), Se(-II), and Zn(II) from wastewater, achieving removal efficiencies exceeding 99.9% under optimal conditions, with ZnO@PVP NCs showing slightly enhanced performance for Cd, Mn, and Ni. Les métaux lourds, tels que As(III), Be(II), Cd(II), Cr(VI), Mn(II), Mo(II), Ni(II), Pb(II), Sb(III), Se(-II) et Zn(II), présents dans les eaux usées des industries pétrochimiques (installations de production de pétrole et de gaz), constituent une préoccupation majeure en toxicologie environnementale en raison de leurs effets toxiques sur la vie aquatique et terrestre. Pour préserver la biodiversité, les écosystèmes de l’hydrosphère et la santé humaine, il est crucial d’éliminer ces métaux lourds des milieux aqueux. Dans cette étude, des nanoparticules de ZnO (NPs) ont été synthétisées par la méthode de co-précipitation, et des nanocomposites de ZnO enrobés de polyvinylpyrrolidone (ZnO@PVP NCs) ont été caractérisés à l’aide de la spectrophotométrie UV-Vis, de la spectroscopie FTIR et de la diffraction des rayons X (DRX) pour analyser leurs propriétés optiques, leur structure chimique et leur structure cristalline. Les nanoparticules de ZnO ont présenté un pic d’absorption à 311 nm et une bande interdite de 1,94 eV, tandis que les ZnO@PVP NCs ont montré des pics à 311 nm et 361 nm avec une bande interdite réduite de 1,81 eV, et des tailles de cristallites de 22,84 ± 3,49 nm et 26,37 ± 2,90 nm, respectivement. Ces matériaux ont ensuite été utilisés comme adsorbants pour l’élimination des métaux lourds As(III), Bi(II), Cd(II), Cr(VI), Mn(II), Mo(II), Ni(II), Pb(II), Sb(III), Se(-II) et Zn(II) des eaux usées, atteignant des rendements d’élimination supérieurs à 99,9 % dans des conditions optimales, les ZnO@PVP NCs montrant une performance légèrement améliorée pour Cd, Mn et Ni. تُعتبر المعادن الثقيلة، مثل As(III) ، Be(II) ، Cd(II) ، Cr(VI) ، Mn(II) ، Mo(II) ، Ni(II) ، Pb(II) ، Sb(III) ، Se(-II) ، و Zn(II) ، الموجودة في مياه الصرف الصناعي الناتجة عن الصناعات البتروكيماوية )مصانع إنتاج النفط والغاز(، مصدر قلق رئيسي في علم السموم البيئية بسبب تأثي ا رتها السامة على الحياة المائية والبرية. لحماية التنوع البيولوجي، ونظم الإيكولوجية المائية، وصحة الإنسان، من الضروري إ ا زلة هذه المعادن الثقيلة من البيئة المائية. في هذه الد ا رسة، تم تصنيع جسيمات أكسيد الزنك النانوية ) ZnO NPs ( بطريقة الترسيب المشترك، وتم تحضير مركبات أكسيد الزنك النانوية المغلفة ببولي فينيل بيروليدون ) ZnO@PVP NCs ( وتوصيفه ا باستخدام تقنيات التحليل الطيفي بالأشعة فوق البنفسجية والمرئية ) UV-Vis (، والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحم ا رء ) FTIR (، وانح ا رف الأشعة السينية ) XRD ) لد ا رسة خصائصها البصرية، وتركيبها الكيميائي، وبنيتها البلورية. أظهرت جسيمات أكسيد الزنك النانوية قمة امتصاص عند 311 نانومتر وفجوة طاقة قدرها 1.94 إلكترون فولت، بينما أظهرت المركبات النانوية ZnO@PVP قمم امتصاص عند 311 نانومتر و 361 نانومتر مع فجوة طاقة مخفضة قدرها 1.81 إلكترون فولت، وأحجام بلورية تبلغ 22.84 ± 3.49 نانومتر و 26.37 ± 2.90 نانومتر، على التوالي. تم استخدام هذه المواد كمواد ماصة لإ ا زلة المعادن الثقيلة As(III) ، Bi(II) ، Cd(II) ، Cr(VI) ، Mn(II) ، Mo(II) ، Ni(II) ، Pb(II) ، Sb(III) ، Se(-II) ، و Zn(II) من مياه الصرف، محققة كفاءات إ ا زلة تزيد عن 99.9 % في الظروف المثلى، مع أداء محسن قليلاً للمركبات النانوية ZnO@PVP في إ ا زلة الكادميوم، والمنجنيز، والنيكل.