DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-11502-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40670547
تاريخ النشر: 2025-07-16
المؤلف: Bilge Su Subasi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
تدرس الدراسة تخليق وفعالية مركب أكسيد الجرافين وهيدروكسيباتيت (GO-HAp) كعامل محفز ضوئي لتفكيك التتراسيكلين (TC) في البيئات المائية. أدى دمج أكسيد الجرافين إلى تقليل فجوة الطاقة لهيدروكسيباتيت من 3.5 eV إلى 2.8 eV، مما عزز بشكل كبير الأداء التحفيزي الضوئي. من خلال تحسين المعلمات مثل الرقم الهيدروجيني، والتركيز الأولي للتتراسيكلين، وجرعة المحفز باستخدام تصميم Box-Behnken (BBD)، حققت الدراسة كفاءة تفكيك قصوى بلغت 86.65% عند الرقم الهيدروجيني 11، مع تركيز أولي للتتراسيكلين قدره 50 ملغ L⁻¹ وجرعة محفز قدرها 15 ملغ بعد 120 دقيقة من إشعاع الضوء المرئي. أظهرت التحليلات الحركية أن عملية التفكيك اتبعت نموذج من الدرجة الأولى الزائفة مع قيمة R² تبلغ 0.95، وأظهر المحفز الضوئي إعادة استخدام جيدة، حيث حافظ على كفاءة 83% بعد ثلاث دورات.
تؤكد النتائج على إمكانيات مركب GO-HAp كعامل محفز ضوئي فعال وقابل لإعادة الاستخدام لإزالة التتراسيكلين من مياه الصرف. تؤكد نتائج الدراسة، المدعومة بتحليلات FTIR وSEM وTGA، على التخليق الناجح للمركب وتبرز الدور المهم للثقوب (h⁺) في آلية التحلل الضوئي، كما يتضح من انخفاض الكفاءة في وجود EDTA، وهو معروف بأنه جامع h⁺. بشكل عام، يقدم مركب GO-HAp بديلاً واعدًا لمعالجة تلوث المضادات الحيوية في الأنظمة المائية من خلال التحلل الضوئي الفعال.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على الجرافيت الرقيق من Sigma Aldrich لتخليق أكسيد الجرافين باستخدام طريقة هومرز المعدلة، مع استخدام مواد كيميائية مختلفة بما في ذلك حمض الكبريتيك، نترات الصوديوم، وبيرمنغنات البوتاسيوم دون تنقية مسبقة. تم استخدام هيدروكلوريد التتراسيكلين كملوث نموذجي، بينما تم تخليق هيدروكسيباتيت عبر طريقة الترسيب الكيميائي باستخدام هيدروكسيد الكالسيوم وحمض الفوسفوريك. ركز التصميم التجريبي على تقييم النشاط التحفيزي الضوئي لأكسيد الجرافين-هيدروكسيباتيت (GO-HAp) في تفكيك التتراسيكلين من خلال تغيير معلمات مثل الرقم الهيدروجيني، وتركيز التتراسيكلين، وكمية المحفز الضوئي.
تم استخدام تصميم Box-Behnken للتحسين الإحصائي، مع نسبة إزالة التتراسيكلين كمتغير تابع. كشفت التحليلات عن كفاءة إزالة تتراوح من 62% إلى 87%. تم تأكيد دلالة النموذج من خلال ANOVA، مما أسفر عن قيمة p < 0.05، وتم دعم دقة التنبؤ بقيمة R² تبلغ 0.994. أظهر النموذج التربيعي المطور، الممثل بالمعادلة \( Y = 82.70 + (1.30 \cdot A) + (3.63 \cdot B) + (0.85 \cdot C) + (4.26 \cdot A^2) - (5.06 \cdot B^2) - (10.76 \cdot C^2) \)، توافقًا قويًا بين القيم التجريبية والمتوقعة. بالإضافة إلى ذلك، أشارت التوزيعات الطبيعية للبقايا إلى قوة النموذج، مع تأكيد الملخصات الإحصائية على موثوقية عالية وقابلية تعميم لتحسين كفاءة إزالة التتراسيكلين. توضح الرسوم البيانية ثلاثية الأبعاد والخرائط الكنتورية التفاعلات بين المعلمات، مما يبرز الظروف المثلى لتعزيز تفكيك التتراسيكلين.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن علاقات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مما يدل على أن النموذج المقترح يتنبأ بفعالية بالظواهر الملاحظة. على وجه التحديد، تشير البيانات إلى علاقة قوية، تم قياسها بمعامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى ارتباط قوي.
بالإضافة إلى ذلك، تؤكد النتائج على أهمية العوامل المحددة في التأثير على النتائج، مع تحقيق دلالة إحصائية عند مستوى $p < 0.01$. تتناول المناقشة هذه النتائج، موضحة سياقها ضمن الأدبيات الحالية واستكشاف التطبيقات المحتملة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال، مما يمهد الطريق للبحوث المستقبلية والتنفيذ العملي.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة توصيف وتخليق مركبات أكسيد الجرافين-هيدروكسيباتيت (GO-HAp)، إلى جانب كفاءتها التحفيزية الضوئية في تفكيك التتراسيكلين. تم تحليل المواد باستخدام تقنيات مختلفة، بما في ذلك مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، حيود الأشعة السينية (XRD)، والتحليل الحراري الوزني (TGA). أكدت نتائج FTIR وجود مجموعات وظيفية في GO وHAp، مما يدل على التخليق الناجح لمركب GO-HAp. كشفت أنماط XRD أن المركب احتفظ بالقمم المميزة لـ HAp، مما يشير إلى أن محتوى GO كان ضئيلاً مقارنةً بـ HAp. أظهرت صور SEM بنية سطحية إسفنجية للمركب، مما يدل على نمو بلورات HAp على GO.
تم تقييم الأداء التحفيزي الضوئي لـ GO-HAp تحت ظروف مختلفة من تركيز التتراسيكلين والرقم الهيدروجيني. أشارت النتائج إلى أن كفاءة التفكيك تأثرت بالرقم الهيدروجيني للمحلول، حيث أدت الظروف القلوية إلى تحقيق أعلى معدلات إزالة بسبب زيادة تكوين الجذور الحرة الهيدروكسيلية. على العكس، أدت تركيزات التتراسيكلين الأعلى إلى انخفاض كفاءة التفكيك، مما يُعزى إلى قيود نقل الكتلة وانخفاض توفر الجذور التفاعلية. تم أيضًا تحديد الكمية المثلى من المحفز الضوئي، حيث أدى زيادة الجرعة في البداية إلى تحسين معدلات التفكيك ولكن في النهاية أدى إلى انخفاض الكفاءة بسبب تأثيرات التجمع. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن مركب GO-HAp يظهر إمكانيات كبيرة كعامل محفز ضوئي فعال لتفكيك المضادات الحيوية تحت الضوء المرئي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-11502-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40670547
Publication Date: 2025-07-16
Author(s): Bilge Su Subasi et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
The study investigates the synthesis and efficacy of a graphene oxide and hydroxyapatite (GO-HAp) composite as a photocatalyst for the degradation of tetracycline (TC) in aqueous environments. The incorporation of graphene oxide reduced the band gap of hydroxyapatite from 3.5 eV to 2.8 eV, significantly enhancing the photocatalytic performance. Through the optimization of parameters such as pH, initial TC concentration, and catalyst dosage using Box-Behnken Design (BBD), the study achieved a maximum degradation efficiency of 86.65% at pH 11, with an initial TC concentration of 50 mg L⁻¹ and a catalyst dosage of 15 mg after 120 minutes of visible light irradiation. Kinetic analysis indicated that the degradation process followed a pseudo-first-order model with an R² value of 0.95, and the photocatalyst demonstrated good reusability, maintaining 83% efficiency after three cycles.
The findings underscore the potential of the GO-HAp composite as an effective and reusable photocatalyst for the removal of tetracycline from wastewater. The study’s results, supported by FTIR, SEM, and TGA analyses, confirm the successful synthesis of the composite and highlight the significant role of holes (h⁺) in the photodegradation mechanism, as evidenced by the reduced efficiency in the presence of EDTA, a known h⁺ scavenger. Overall, the GO-HAp composite presents a promising alternative for addressing antibiotic contamination in aquatic systems through efficient photocatalytic degradation.
Methods
In this study, flake graphite was sourced from Sigma Aldrich to synthesize graphene oxide using a modified Hummers method, employing various reagents including sulfuric acid, sodium nitrate, and potassium permanganate without prior purification. Tetracycline hydrochloride was utilized as a model contaminant, while hydroxyapatite was synthesized via a chemical precipitation method using calcium hydroxide and phosphoric acid. The experimental design focused on assessing the photocatalytic activity of graphene oxide-hydroxyapatite (GO-HAp) in degrading tetracycline by varying parameters such as pH, tetracycline concentration, and photocatalyst amount.
The Box-Behnken design was employed for statistical optimization, with the percentage of tetracycline removal as the dependent variable. The analysis revealed a removal efficiency ranging from 62% to 87%. The model’s significance was confirmed through ANOVA, yielding a p-value < 0.05, and the predictive accuracy was supported by an R² value of 0.994. The developed quadratic model, represented by the equation \( Y = 82.70 + (1.30 \cdot A) + (3.63 \cdot B) + (0.85 \cdot C) + (4.26 \cdot A^2) - (5.06 \cdot B^2) - (10.76 \cdot C^2) \), demonstrated strong agreement between experimental and predicted values. Additionally, the normal distribution of residuals indicated the model's robustness, with statistical summaries confirming high reliability and generalizability for optimizing tetracycline removal efficiency. The 3D surface and contour plots illustrated the interactions between parameters, highlighting optimal conditions for enhanced tetracycline degradation.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, demonstrating that the proposed model effectively predicts the observed phenomena. Specifically, the data indicate a strong relationship, quantified by a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a robust association.
Additionally, the results underscore the importance of the identified factors in influencing the outcomes, with statistical significance achieved at the $p < 0.01$ level. The discussion elaborates on these findings, contextualizing them within existing literature and exploring potential applications. Overall, the results contribute valuable insights into the field, paving the way for future research and practical implementations.
Discussion
In this section, the characterization and synthesis of Graphene Oxide-Hydroxyapatite (GO-HAp) composites, along with their photocatalytic efficiency in degrading tetracycline, are discussed. The materials were analyzed using various techniques, including Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Diffraction (XRD), and Thermogravimetric Analysis (TGA). FTIR results confirmed the presence of functional groups in GO and HAp, indicating successful synthesis of the GO-HAp composite. XRD patterns revealed that the composite retained the characteristic peaks of HAp, suggesting that the GO content was minimal compared to HAp. SEM images showed a spongy surface structure of the composite, indicative of HAp crystal growth on GO.
The photocatalytic performance of GO-HAp was evaluated under varying conditions of tetracycline concentration and pH. The results indicated that the degradation efficiency was influenced by the pH of the solution, with alkaline conditions yielding the highest removal rates due to enhanced hydroxyl radical formation. Conversely, higher tetracycline concentrations led to decreased degradation efficiency, attributed to mass transfer limitations and reduced availability of reactive radicals. The optimal amount of photocatalyst was also identified, where an increase in dosage initially improved degradation rates but eventually led to decreased efficiency due to clustering effects. Overall, the findings suggest that the GO-HAp composite exhibits significant potential as an effective photocatalyst for antibiotic degradation under visible light.