Sustainable Synthesis and Characterization of Nanocomposites for Simultaneous Removal of Heavy Metals and Organic Pollutants from Industrial Wastewater

Abstract

heavy metals (As, Cd, Cr, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, and Zn) in petrochemical wastewater and Rose Bengal dye in textile industrial wastewater pose serious environmental and public health risks due to their toxicity, persistence, and bioaccumulation potential. The effective removal of these pollutants from their respective effluents remains a major challenge in sustainable wastewater management. ZnFe₂O₄ spinel ferrite nanoparticles were synthesized via co-precipitation using zinc acetate dihydrate and iron(III) chloride hexahydrate, followed by calcination at 800 °C. XRD confirmed a single-phase cubic spinel structure (Fd3̄m) with a lattice parameter of 8.4300 Å and a crystallite size of 26.74 ± 0.50 nm. FTIR identified metal–oxygen stretching vibrations at 531 and 432 cm⁻¹, while UV-Vis spectroscopy revealed an optical bandgap of 2.5 eV, confirming visible-light photoactivity. When applied to real petrochemical wastewater, the nanoparticles achieved removal efficiencies exceeding 99.90% for all ten heavy metals within 30 minutes, with Cr, Mo, and Se reaching complete elimination after 20 minutes. They also reduced oil-in-water content, TSS, and COD by 95.20%, 93.83%, and 98.34%, respectively. Under natural solar irradiation, the photocatalytic degradation of Rose Bengal dye reached 94.38% within 90 minutes without any chemical additives or artificial light sources. These results establish ZnFe₂O₄ nanoparticles as a versatile and sustainable material capable of addressing both inorganic and organic pollutants in different complex industrial effluents تمثل المعادن الثقيلة ( As ،Cd ،Cr ،Mn ،Mo ،Ni ،Pb ،Sb ،Se، و Zn) في مياه الصرف البتروكيماوي وصبغة روز بنغال في مياه الصرف النسيجي تهديدا بيئيا وصحيا خطيرا بسبب سميتها وثباتها وإمكانية تراكمها البيولوجي .ويظل ازالتها الفعالة من مياه الصرف الخاصة بها تحديا رئيسيا في الإدارة المستدامة لمياه الصرف الصناعي .تم تصنيع نانوجسيمات O₄ ZnFe ₂سبينيل فريت بطريقة الترسيب المشترك باستخدام اسيتات الزنك ثنائي الماء وكلوريد الحديد (III) سداسي الماء ،تلاها التكليس عند800درجة مئوية .اكد تحليل XRDبنية سبينيل مكعبة أحادية الطور (Fd3̄ m )بمعامل شبكة 8.4300Åوحجم بلورات 26.74±0.50نانومتر.كشف FTIR عن اهتزازات تمدد معدن -اكسجين عند531و432سم⁻¹،بينما اظهر UV-VISفجوة نطاق بصرية قدرها2.5 الكترون فولت ،مؤكدا النشاط الضوئي تحت الضوء المرئي .عند تطبيقها مياه صرف بتروكيماوية حقيقية ،حققت النانوجسيمات كفاءات إزالة تجاوزت %99.90 لجميع المعادن الثقيلة العشرة خلال 30دقيقة ،مع إزالة كاملة لCr وMo وSe . 20بعد 20دقيقة . كما خفضت محتوى الزيت في الماء والمواد العالقة والطلب الكيميائي على الأكسجين بنسب % 95.20و %93.83 و%98.34على التوالي .تحت الاشعاع الشمسي الطبيعي ،بلغ تحلل صبغة% 94.38 Rose Bengalفي 90 دقيقة دون أي مضافات كيميائية اومصدر ضوء اصطناعي .تثيت هذه النتائج ان نانو جسيمات ZnFe₂ O₄مادة متعددة الوظائف ومستدامة قادرة على معالجة الملوثات غير العضوية والعضوية في مياه الصرف الصناعي المغقدة المختلفة