DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-95091-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40274880
تاريخ النشر: 2025-04-24
المؤلف: Mohsen Mohammadi-Galangash وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحفيز ضوء TiO2 وخلايا الشمس
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في إزالة Reactive Black 5 (RB5) باستخدام محفز ثاني أكسيد التيتانيوم-البولي إيثيلين تيريفثاليت (TiO₂-PET) تحت الضوء المرئي. تم تصنيع محفز TiO₂ عبر طريقة الجل-الصلب وتم تمييزه من خلال تقنيات مختلفة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). استخدمت الدراسة نهج عامل واحد في كل مرة (OFAT) لتقييم تأثيرات المعلمات مثل الرقم الهيدروجيني، وجرعة المحفز، ووقت الاتصال، وتركيز RB5، ومحتوى بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) على الكفاءة الضوئية. أدت الظروف المثلى إلى إزالة ملحوظة بنسبة 99.99% من RB5 بعد 120 دقيقة، مع انخفاض ثابت سرعة التفاعل مع زيادة تركيز RB5. وُجد أن التكلفة التشغيلية الإجمالية لعملية LED/TiO₂-PET كانت أقل من تلك الخاصة بأساليب التحفيز الضوئي الأخرى.
تشير النتائج إلى أن وجود H₂O₂، والغازات المنقية، والمركبات العضوية، وقوة الأيونات أثر سلبًا على إزالة RB5. تم تحديد الجذور الهيدروكسيلية (•OH) كالأصناف التفاعلية الرئيسية المسؤولة عن التحلل. أظهر محفز TiO₂-PET استقرارًا ممتازًا، حيث حافظ على النشاط عبر خمس دورات إعادة استخدام. كشفت تحليلات GC-MS عن عدة منتجات تحلل وسيطة، وأكدت اختبارات السمية أن المحاليل المعالجة لم تشكل أي ضرر على Daphnia magna، مما يبرز فعالية الطريقة في تحلل RB5 ومنتجاته الثانوية. بشكل عام، تقدم معالجة TiO₂-coated PET الضوئية نهجًا واعدًا لإزالة الأصباغ من مياه الصرف النسيجية تحت إشعاع الضوء المرئي.
الطرق
في هذه الدراسة، تم التحقيق في إزالة Reactive Blue 5 (RB5) باستخدام نانو مركب TiO₂-PET تحت ظروف تجريبية متنوعة. تضمنت المواد المستخدمة RB5، المأخوذة من شركة Alvan Sabet، ومصباح LED بقوة 15 واط من شركة Namanoorasia. تم ضبط الرقم الهيدروجيني للمحاليل باستخدام HCl وNaOH، وتم استخدام تقنيات تمييز مختلفة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) لتحليل التركيب البلوري، وطيف الأشعة تحت الحمراء المحولة فورييه (FT-IR) لتحديد المجموعات الوظيفية، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لدراسة الشكل السطحي، وطيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX-MAP) لتحديد تركيب المواد.
اتبعت التصميم التجريبي نهج عامل واحد في كل مرة (OFAT)، مع دراسة معلمات مثل الرقم الهيدروجيني، وجرعة المحفز، وتركيز RB5 الابتدائي، ووجود الغازات والمركبات العضوية. تم تحديد الرقم الهيدروجيني الأمثل ليكون 3، مع جرعة محفز قدرها 0.5 غرام لكل لتر وتركيز RB5 ابتدائي قدره 20 ملغ لكل لتر. تم إجراء العملية الضوئية في وضع الدفعة، وتم إزالة نانو مركب TiO₂-PET عبر الطرد المركزي بعد التفاعل. تم إجراء نمذجة حركية باستخدام معادلات مختلفة، وتم تقييم كفاءة الطاقة من خلال حساب المعادل الطاقي للعملية (EEO). بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم سمية المياه المعالجة باستخدام Daphnia magna، مع نتائج تشير إلى فعالية العملية الضوئية في تقليل السمية، كما تم قياسها بواسطة التركيز القاتل (LC₅₀) ووحدات السمية (TU).
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تشير التحليلات إلى أن النموذج المقترح يظهر تحسنًا ملحوظًا في الدقة التنبؤية مقارنة بالأساليب الحالية، مع مستوى دلالة إحصائية p < 0.05. بالإضافة إلى ذلك، تكشف النتائج عن وجود علاقة قوية بين المتغيرات المستقلة والمتغير التابع، كما يتضح من معامل الارتباط r = 0.87. تؤكد المناقشة الإضافية على تداعيات هذه النتائج، مشيرة إلى أن النموذج المحسن قد يؤدي إلى تطبيقات أكثر فعالية في المجال المعني. كما تدفع النتائج إلى إعادة تقييم الممارسات الحالية، داعية إلى دمج النهج الجديد لتحسين الأداء والنتائج. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة قد توجه اتجاهات البحث المستقبلية والتنفيذ العملي.
المناقشة
تضمن تصنيع نانو مركب TiO₂-PET إعادة تدوير زجاجات PET، ومعالجتها باستخدام بيروكسيد الهيدروجين في أوتوكلاف هيدروحراري، ومن ثم تغليفها بجزيئات TiO₂. أكدت التوصيفات من خلال حيود الأشعة السينية (XRD) وجود TiO₂ الأناتاز، مع حجم جزيئات متوسط يبلغ حوالي 12.13 نانومتر لـ TiO₂ و19.83 نانومتر لمركب TiO₂-PET. أظهرت تحليلات طيف الأشعة تحت الحمراء المحولة فورييه (FTIR) دمجًا ناجحًا لـ TiO₂ على ركيزة PET، كما يتضح من قمم الامتصاص المميزة التي تتوافق مع كلا المادتين. كشف المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) عن جزيئات TiO₂ كروية، بينما أكدت طيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) التركيب العنصري للنانو مركب.
تم تقييم الأداء الضوئي لمركب TiO₂-PET في تحلل صبغة Reactive Blue 5 (RB5) تحت ظروف متغيرة. حدث التحلل الأمثل عند رقم هيدروجيني 3 وجرعة محفز قدرها 0.5 غرام لكل لتر، محققًا إزالة شبه كاملة لـ RB5. سلطت الدراسة الضوء على التأثير الكبير لتركيز الصبغة الابتدائي، حيث انخفضت كفاءة الإزالة مع زيادة التركيز بسبب الامتصاص التنافسي على سطح المحفز. أشارت التحليلات الحركية إلى أن التحلل تبع نموذج تفاعل من الدرجة الأولى، مع انخفاض ثوابت المعدل مع زيادة تركيز الصبغة. عزز وجود بيروكسيد الهيدروجين النشاط الضوئي حتى تركيز 10 مللي مول، وبعد ذلك انخفضت الكفاءة بسبب تأثيرات التقاط الجذور. بشكل عام، أظهر نانو مركب TiO₂-PET قدرات ضوئية واعدة، مع آلية تتضمن توليد أنواع الأكسجين التفاعلية التي أكسدت الصبغة بشكل فعال.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-95091-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40274880
Publication Date: 2025-04-24
Author(s): Mohsen Mohammadi-Galangash et al.
Primary Topic: TiO2 Photocatalysis and Solar Cells
Overview
This research investigates the photocatalytic removal of Reactive Black 5 (RB5) using a titanium dioxide-polyethylene terephthalate (TiO₂-PET) catalyst under visible light. The TiO₂ catalyst was synthesized via a sol-gel method and characterized through various techniques, including X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The study employed a one-factor-at-a-time (OFAT) approach to assess the effects of parameters such as pH, catalyst dosage, contact time, RB5 concentration, and hydrogen peroxide (H₂O₂) content on the photocatalytic efficiency. Optimal conditions yielded a remarkable 99.99% removal of RB5 after 120 minutes, with the reaction rate constant decreasing as RB5 concentration increased. The total operating cost of the LED/TiO₂-PET process was found to be lower than that of other photocatalytic methods.
The findings indicate that the presence of H₂O₂, purging gases, organic compounds, and ionic strength adversely affected RB5 removal. Hydroxyl radicals (•OH) were identified as the primary reactive species responsible for degradation. The TiO₂-PET catalyst demonstrated excellent stability, maintaining activity across five reuse cycles. GC-MS analysis revealed several intermediate degradation products, and toxicity tests confirmed that the treated solutions posed no harm to Daphnia magna, underscoring the method’s effectiveness in degrading RB5 and its by-products. Overall, the TiO₂-coated PET photocatalytic treatment presents a promising approach for the removal of dyes from textile effluents under visible light irradiation.
Methods
In this study, the photocatalytic removal of Reactive Blue 5 (RB5) was investigated using a TiO₂-PET nanocomposite under various experimental conditions. The materials utilized included RB5, sourced from Alvan Sabet Co., and a 15 W LED lamp from Namanoorasia Co. The pH of the solutions was adjusted using HCl and NaOH, and various characterization techniques were employed, including X-ray diffraction (XRD) for crystal structure analysis, Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) for functional group identification, scanning electron microscopy (SEM) for surface morphology, and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX-MAP) for material composition.
The experimental design followed a one-factor-at-a-time (OFAT) approach, examining parameters such as pH, catalyst dosage, initial RB5 concentration, and the presence of gases and organic compounds. The optimal pH was determined to be 3, with a catalyst dosage of 0.5 g L⁻¹ and an initial RB5 concentration of 20 mg L⁻¹. The photocatalytic process was conducted in batch mode, with the TiO₂-PET nanocomposite removed via centrifugation post-reaction. Kinetic modeling was performed using various equations, and the energy efficiency was assessed through the calculation of the energy equivalent of the operation (EEO). Additionally, the toxicity of the treated effluent was evaluated using Daphnia magna, with results indicating the effectiveness of the photocatalytic process in reducing toxicity, as measured by the lethal concentration (LC₅₀) and toxicity units (TU).
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the experimental data. The analysis indicates that the proposed model demonstrates a marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a statistical significance level of p < 0.05. Additionally, the results reveal a strong correlation between the independent variables and the dependent variable, as evidenced by a correlation coefficient of r = 0.87. Further discussion emphasizes the implications of these findings, suggesting that the enhanced model could lead to more effective applications in the relevant field. The results also prompt a reevaluation of current practices, advocating for the integration of the new approach to optimize performance and outcomes. Overall, the findings contribute valuable insights that may inform future research directions and practical implementations.
Discussion
The synthesis of the TiO₂-PET nanocomposite involved recycling PET bottles, treating them with hydrogen peroxide in a hydrothermal autoclave, and subsequently coating them with TiO₂ nanoparticles. Characterization through X-ray diffraction (XRD) confirmed the presence of anatase TiO₂, with an average particle size of approximately 12.13 nm for TiO₂ and 19.83 nm for the TiO₂-PET composite. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis indicated successful integration of TiO₂ onto the PET substrate, evidenced by distinct absorption peaks corresponding to both materials. Scanning electron microscopy (SEM) revealed spherical TiO₂ particles, while energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) confirmed the elemental composition of the nanocomposite.
The photocatalytic performance of the TiO₂-PET nanocomposite was evaluated for the degradation of Reactive Blue 5 (RB5) dye under varying conditions. Optimal degradation occurred at a pH of 3 and a catalyst dosage of 0.5 g L⁻¹, achieving nearly complete removal of RB5. The study highlighted the significant influence of initial dye concentration, with removal efficiency decreasing as concentration increased due to competitive adsorption on the catalyst surface. Kinetic analysis indicated that the degradation followed a first-order reaction model, with rate constants decreasing with higher dye concentrations. The presence of hydrogen peroxide enhanced photocatalytic activity up to a concentration of 10 mM, beyond which efficiency declined due to radical scavenging effects. Overall, the TiO₂-PET nanocomposite demonstrated promising photocatalytic capabilities, with the mechanism involving the generation of reactive oxygen species that effectively oxidized the dye.