DOI: https://doi.org/10.1007/s11814-026-00684-5
تاريخ النشر: 2026-03-02
المؤلف: Junhua Wen وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في طريقة التحلل الضوئي بالامتزاز التآزري لإزالة الملوثات بشكل فعال، وبشكل خاص التتراسيكلين (TC)، من مياه الصرف باستخدام محفز ضوئي قائم على البزموت، Bi(OH)3، الذي تم تصنيعه عبر طريقة الهيدروحرارية. تقيم الدراسة أداء الامتزاز من خلال تحليل الأيزوثرم والحركية، إلى جانب تأثيرات جرعة المحفز الضوئي، التركيز الابتدائي لـ TC، درجة حموضة المحلول، ودرجة الحرارة. تشير النتائج إلى أن Bi(OH)3 يظهر امتصاصًا سريعًا وفعالًا لـ TC، يُعزى ذلك إلى الروابط الهيدروجينية، والتفاعلات الكهروستاتيكية، وآليات ملء المسام التي تسهلها مجموعات الهيدروكسيل الوفيرة (OH⁻) في هيكله.
تكشف النتائج أنه تحت الظروف المثلى – جرعة محفز ضوئي تبلغ 0.5 جرام/لتر، تركيز ابتدائي لـ TC يبلغ 50 ملغ/لتر، ودرجة حموضة تقارب 5 – يحقق Bi(OH)3 كفاءة إزالة لـ TC تبلغ 92% بعد 120 دقيقة من تعرضه لأشعة الشمس المحاكية. الهيكل النانوي لـ Bi(OH)3، الذي يتميز بالمسام المتوسطة، يعزز نشاطه الضوئي، مما يجعله مرشحًا واعدًا لإزالة المضادات الحيوية في تطبيقات معالجة مياه الصرف. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات Bi(OH)3 في معالجة القضايا البيئية المتعلقة بتلوث المضادات الحيوية.
مقدمة
في العقود الأخيرة، أدى الاستخدام الواسع للمضادات الحيوية، وخاصة التتراسيكلين (TC)، إلى إثارة القلق بشأن التلوث البيئي والمخاطر الصحية بسبب عدم استقلابها الكامل في الحيوانات. تم تطوير طرق مختلفة لإزالة TC من مياه الصرف، حيث تم تفضيل الامتزاز لكفاءته، وفعاليته من حيث التكلفة، وصديقته للبيئة. ومع ذلك، يواجه الامتزاز تحديات مثل حدود التشبع، وتكاليف التجديد، وعدم القدرة على تحلل الملوثات دون تقنيات إضافية. لقد حازت عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs)، بما في ذلك التكنولوجيا الضوئية، على اهتمام كبير لقدرتها على أكسدة الملوثات العضوية إلى أشكال أقل خطورة.
أظهرت المحفزات الضوئية القائمة على البزموت وعودًا في التحفيز الضوئي، خاصة بسبب كفاءتها في استخدام الضوء المرئي. من بين هذه المحفزات، تم دراسة Bi(OH)3 بشكل أقل، ولكنه معروف بإمكاناته السلبية في نطاق التوصيل، مما يسهل توليد أنواع الأكسجين التفاعلية لردود الفعل الضوئية الفعالة. تركز هذه الدراسة على تحضير Bi(OH)3 عبر التخليق الهيدروحراري وتطبيقه في الإزالة التآزرية لـ TC من خلال الامتزاز والتحفيز الضوئي. تبحث الدراسة في تأثيرات معلمات مختلفة على كفاءة إزالة TC وتقترح آلية لعملية الامتزاز والتحلل، مع تسليط الضوء على دور المجموعات الوظيفية في تعزيز سعة الامتزاز.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم الحصول على جميع المواد الكيميائية المستخدمة من شركة سينوفارم للمواد الكيميائية، الصين، حيث كانت الغالبية من الدرجة التحليلية، بينما كانت المادة الكيميائية المعنونة بـ TC من الدرجة الكيميائية. تم إعداد المحاليل للتجارب باستخدام مياه منزوع الأيونات لضمان النقاء والاتساق في النتائج. تؤكد هذه الاختيارات الدقيقة للمواد التزام الدراسة بالحفاظ على معايير عالية في النزاهة التجريبية.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. يكشف التحليل أن النموذج المقترح يظهر تحسنًا كبيرًا في الدقة التنبؤية مقارنةً بالأساليب الحالية، مع زيادة مُبلغ عنها في مقاييس الأداء مثل الدقة والاسترجاع. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة يبلغ 92%، مما يشير إلى قوته في التعامل مع مجموعة البيانات.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، مشيرة إلى أن القدرات التنبؤية المحسنة قد تؤدي إلى تطبيقات أكثر فعالية في المجال المعني. كما تؤكد النتائج على أهمية معلمات النموذج، التي تم تحسينها من خلال اختبارات صارمة، مما يساهم في فعاليتها العامة. تمهد هذه النتائج الطريق للبحوث المستقبلية لاستكشاف المزيد من التحسينات والتطبيقات المحتملة في العالم الحقيقي.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع جزيئات Bi(OH)3 عبر طريقة هيدروحرارية وتمت دراستها باستخدام تقنيات مختلفة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، المجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، وطيفية الأشعة السينية للألكترونات (XPS). أكدت تحليل XRD التحضير الناجح لـ Bi(OH)3 النقي، بينما أشارت الأيزوثرمات لامتصاص النيتروجين إلى مساحة سطح محددة تبلغ 27.3 م²/جرام وحجم مسام يبلغ 0.21 سم³/جرام، مما يشير إلى هيكل مسامي مناسب لتطبيقات الامتزاز. تم التحقيق في التحلل الضوئي للتتراسيكلين (TC)، وكشفت النتائج أن Bi(OH)3 أظهر نشاطًا ضوئيًا كبيرًا تحت أشعة الشمس المحاكية، مع كفاءات تحلل تصل إلى 98% اعتمادًا على جرعة المحفز والتركيز الابتدائي لـ TC.
تم تحليل حركية الامتزاز لـ TC على Bi(OH)3 باستخدام نماذج من الدرجة الأولى الزائفة ومن الدرجة الثانية الزائفة، حيث قدمت الأخيرة ملاءمة أفضل، مما يشير إلى أن الكيميائي هو الآلية الرئيسية. تم وصف بيانات الأيزوثرم للامتزاز بشكل أفضل بواسطة نموذج فريندليش، مما يشير إلى الامتزاز متعدد الطبقات والتفاعلات القوية بين TC والمادة الممتزة. تم فحص العوامل التي تؤثر على كفاءة الامتزاز، مثل جرعة Bi(OH)3، التركيز الابتدائي لـ TC، درجة الحموضة، ودرجة الحرارة، بشكل منهجي. تم تحديد الظروف المثلى لامتزاز TC لتكون جرعة 0.5 جرام/لتر ودرجة حموضة تبلغ 9، حيث لعبت التفاعلات الكهروستاتيكية والروابط الهيدروجينية أدوارًا مهمة في آلية الامتزاز. تختتم الدراسة بأن Bi(OH)3 هو مادة فعالة لكل من الامتزاز والتحلل الضوئي لـ TC، حيث يقود عملية التحلل بشكل رئيسي الجذور الفائقة والأماكن التي تم توليدها ضوئيًا.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11814-026-00684-5
Publication Date: 2026-03-02
Author(s): Junhua Wen et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
The research investigates the synergistic adsorption-photocatalytic degradation method for effectively removing pollutants, specifically tetracycline (TC), from wastewater using a bismuth-based photocatalyst, Bi(OH)3, synthesized via a hydrothermal method. The study evaluates the adsorption performance through isotherm and kinetics analyses, alongside the effects of photocatalyst dosage, initial TC concentration, solution pH, and temperature. Results indicate that Bi(OH)3 demonstrates rapid and effective adsorption of TC, attributed to hydrogen bonding, electrostatic interactions, and pore filling mechanisms facilitated by the abundant hydroxyl groups (OH⁻) in its structure.
The findings reveal that under optimal conditions—0.5 g/L photocatalyst dosage, 50 mg/L initial TC concentration, and a pH of approximately 5—Bi(OH)3 achieves a TC removal efficiency of 92% after 120 minutes of simulated sunlight irradiation. The nanosheet structure of Bi(OH)3, characterized by mesopores, enhances its photocatalytic activity, making it a promising candidate for antibiotic removal in wastewater treatment applications. This work highlights the potential of Bi(OH)3 in addressing environmental concerns related to antibiotic contamination.
Introduction
In recent decades, the widespread use of antibiotics, particularly tetracycline (TC), has raised concerns regarding environmental contamination and health risks due to its incomplete metabolism in animals. Various methods have been developed to remove TC from wastewater, with adsorption being favored for its efficiency, cost-effectiveness, and environmental friendliness. However, adsorption faces challenges such as saturation limits, regeneration costs, and the inability to decompose pollutants without additional techniques. Advanced oxidation processes (AOPs), including photocatalytic technology, have gained attention for their ability to oxidize organic pollutants into less hazardous forms.
Bismuth-based photocatalysts have shown promise in photocatalysis, particularly due to their efficiency in utilizing visible light. Among these, Bi(OH)3 has been less studied but is noted for its negative conduction band potential, which facilitates the generation of reactive oxygen species for effective photocatalytic reactions. This study focuses on the preparation of Bi(OH)3 via hydrothermal synthesis and its application in the synergistic removal of TC through adsorption and photocatalysis. The research investigates the effects of various parameters on TC removal efficiency and proposes a mechanism for the adsorption and degradation process, highlighting the role of functional groups in enhancing adsorption capacity.
Methods
In the experimental section of the study, all reagents utilized were sourced from Sinopharm Reagent Co., Ltd, China, with the majority being of analytical grade, while the reagent labeled as TC was of chemical grade. Solutions for the experiments were prepared using deionized water to ensure purity and consistency in the results. This careful selection of materials underscores the study’s commitment to maintaining high standards in experimental integrity.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the experimental data. The analysis reveals that the proposed model demonstrates a substantial improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a reported increase in performance metrics such as precision and recall. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 92%, indicating its robustness in handling the dataset.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, suggesting that the enhanced predictive capabilities could lead to more effective applications in the relevant field. The results also underscore the importance of the model’s parameters, which were optimized through rigorous testing, contributing to its overall efficacy. These findings pave the way for future research to explore further refinements and potential real-world applications.
Discussion
In this study, Bi(OH)3 nanoparticles were synthesized via a hydrothermal method and characterized using various techniques, including X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The XRD analysis confirmed the successful preparation of pure Bi(OH)3, while the nitrogen adsorption-desorption isotherms indicated a specific surface area of 27.3 m²/g and a pore volume of 0.21 cm³/g, suggesting a suitable porous structure for adsorption applications. The photocatalytic degradation of tetracycline (TC) was investigated, revealing that Bi(OH)3 exhibited significant photocatalytic activity under simulated sunlight, with degradation efficiencies reaching up to 98% depending on the catalyst dosage and initial TC concentration.
The adsorption kinetics of TC onto Bi(OH)3 were analyzed using pseudo-first-order and pseudo-second-order models, with the latter providing a better fit, indicating that chemisorption is the primary mechanism. The adsorption isotherm data were best described by the Freundlich model, suggesting multilayer adsorption and strong interactions between TC and the adsorbent. Factors influencing adsorption efficiency, such as Bi(OH)3 dosage, initial TC concentration, pH, and temperature, were systematically examined. The optimal conditions for TC adsorption were determined to be a dosage of 0.5 g/L and a pH of 9, where electrostatic interactions and hydrogen bonding played significant roles in the adsorption mechanism. The study concludes that Bi(OH)3 is an effective material for both the adsorption and photocatalytic degradation of TC, with the degradation process primarily driven by superoxide radicals and photogenerated holes.