DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-89106-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39934292
تاريخ النشر: 2025-02-11
المؤلف: Adel Adly وآخرون
الموضوع الرئيسي: معالجة المياه بالأكسدة المتقدمة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في التحلل الحفزي لنورفلوكساسين (NOR)، وهو مضاد حيوي من فئة الفلوروكينولون، باستخدام هيدروكسيد مزدوج طبقي جديد من النيكل والحديد مدعوم على الكربون المنشط (NiFe-LDH@AC) كعامل حفاز. المركب ينشط بشكل فعال البيرسلفيت (PDS) لتوليد جذور الكبريتات، محققًا كفاءة إزالة بنسبة 86% من NOR عند تركيز ابتدائي قدره 50 ملغم/لتر خلال 60 دقيقة تحت ظروف pH محايد ودرجة حرارة محيطة. لوحظ الأداء الأمثل مع نسبة NiFe-LDH@AC قدرها 2:1، وجرعة حفاز قدرها 0.3 غم/لتر، وتركيز PDS قدره 1 غم/لتر. تم تحديد طاقة التنشيط للتفاعل لتكون 58.27 كيلوجول/مول، مع تجارب امتصاص الجذور التي تشير إلى أن جذور الكبريتات (SO₄˙⁻) كانت الأنواع التفاعلية السائدة.
تسلط الدراسة الضوء أيضًا على إعادة استخدام الحفاز الممتاز، حيث حافظ على كفاءة تحلل بنسبة 75% بعد أربع دورات مع تسرب معدني ضئيل. كشفت تحليلات طيف الإلكترون بالأشعة السينية (XPS) عن تغييرات حمراء كبيرة في Ni²⁺/Ni³⁺ وFe²⁺/Fe³⁺ خلال تنشيط PDS، مما يدعم الآلية المقترحة. بالإضافة إلى ذلك، أكدت تحليلات LC-ESI-MS/MS وجود مسارات تحلل متعددة لـ NOR، مما يشير إلى التحلل الكامل إلى منتجات أقل ضررًا. كما أظهر نظام NiFe-LDH@AC/PDS فعالية عملية في مياه الصرف المعالجة الحقيقية، محققًا تحلل بنسبة 84% من NOR وإزالة للطلب الكيميائي على الأكسجين (COD) بنسبة 55%. بشكل عام، يُقدم مركب NiFe-LDH@AC كعامل حفاز فعال ومستقر لتنشيط PDS وتحلل NOR، مما يجعله مرشحًا واعدًا لمعالجة الملوثات الصيدلانية في مياه الصرف. قد تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين تركيبة الحفاز واستكشاف تطبيقه لملوثات أخرى صعبة التحلل.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الإجراءات التجريبية والأساليب التحليلية المستخدمة للتحقيق في تحلل نورفلوكساسين (NOR) باستخدام مركب هيدروكسيد مزدوج طبقي من النيكل والحديد مدعوم على الكربون المنشط (NiFe-LDH@AC) تم تصنيعه. تم إجراء تجارب التحلل في قوارير مخروطية سعة 250 مل، مع التحريك بسرعة 160 دورة في الدقيقة لمدة 60 دقيقة عند درجة حرارة الغرفة. ركزت التجارب الأولية على تحديد النسبة المثلى للكتلة لمركب LDH@AC، تلتها تجارب دفعة لتقييم خصائص الامتصاص لعينات مختلفة (الكربون المنشط (AC)، NiFe-LDH، وNiFe-LDH@AC). تم تقييم التحلل الحفزي من خلال إدخال البيرسلفيت (PDS) في النظام، مع ظروف محددة تشمل محلول NOR بتركيز 50 ملغم/لتر، وجرعة حفاز قدرها 0.1 غم/لتر، وتركيز PDS قدره 1 غم/لتر عند pH ابتدائي قدره 7.
تم جمع عينات سائلة على فترات وتحليلها باستخدام كروماتوغرافيا السائل عالية الأداء (HPLC) لقياس التركيز المتبقي من NOR. درست الدراسة تأثير عدة معلمات تفاعل، بما في ذلك جرعة الحفاز، وتركيز PDS، وpH الابتدائي، وتركيز NOR، ودرجة حرارة التفاعل، مع تحليل حركيات التحلل باستخدام نموذج من الدرجة الأولى الزائفة. تم حساب طاقة التنشيط لتنشيط PDS باستخدام معادلة أرهينيوس. شملت التحليلات الإضافية طيف الإلكترون بالأشعة السينية (XPS) للتحقيق في آلية تنشيط PDS، وتجارب إخماد الجذور لتحديد الأنواع التفاعلية للأكسجين (ROS)، وطيف الانبعاث الضوئي بالتحليل الطيفي للبلازما المقترنة بالحث (ICP-OES) لقياس تسرب المعادن الثقيلة. تم إجراء اختبارات إعادة الاستخدام على مدار أربع دورات، وتم استكشاف مسارات التحلل باستخدام كروماتوغرافيا السائل-التحليل الطيفي بالرش الكهربائي-الكتلة المتسلسلة (LC-ESI-MS/MS). تم إثبات فعالية النظام بشكل أكبر باستخدام عينة مياه صرف معالجة مختلطة مع محلول NOR.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، مع تأكيد الاختبارات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. على وجه الخصوص، كشف التحليل أن المتغير $X$ يؤثر إيجابيًا على المتغير $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى ارتباط قوي.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، كما يتضح من مقارنة ما قبل وما بعد الاختبار. تم حساب حجم التأثير ليكون $d = 1.2$، مما يشير إلى تأثير كبير. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي للإطار النظري المقترح، مما يشير إلى أن الآليات الكامنة وراء التأثيرات الملحوظة تستحق المزيد من الاستكشاف.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة تخليق وخصائص وأداء حفاز مركب هيدروكسيد مزدوج طبقي من النيكل والحديد (LDH) مدعوم على الكربون المنشط (AC) لتنشيط بيروكسيد السلفيت (PDS) في تحلل نورفلوكساسين (NOR). تم إعداد الحفاز من خلال طريقة الترسيب المشترك، مع تغيير نسب الكتلة بين AC وNiFe-LDH، حيث كانت نسبة 2:1 تحقق الأداء الحفزي الأمثل. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، نجاح التخليق وسلامة الهيكل لمركب NiFe-LDH@AC، كاشفة عن زيادة في المساحة السطحية والتمعدن مقارنة بالمكونات الفردية.
تم تقييم الأداء الحفزي بناءً على كفاءة التحلل لـ NOR، مما يظهر أن مركب NiFe-LDH@AC تفوق بشكل كبير على كل من AC العاري وNiFe-LDH بمفرده، محققًا معدل إزالة قدره 56%. يُعزى هذا التحسن إلى التأثير التآزري لـ AC الذي يوفر مساحة سطح أكبر لتشتت LDH ويعزز توفر المواقع النشطة لتنشيط PDS. كما درست الدراسة عدة معلمات تفاعل، بما في ذلك جرعة الحفاز، وتركيز PDS، وpH، ودرجة الحرارة، والتي أثرت على حركيات التحلل وكفاءته. من الجدير بالذكر أن وجود الأنواع التفاعلية للأكسجين (ROS)، وخاصة جذور الكبريتات، تم تأكيده كالعوامل الرئيسية في عملية التحلل، مع ظهور الحفاز استقرارًا وإعادة استخدام عبر دورات متعددة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن مركب NiFe-LDH@AC هو مرشح واعد لتطبيقات الترميم البيئي التي تتضمن تحلل الملوثات العضوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-89106-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39934292
Publication Date: 2025-02-11
Author(s): Adel Adly et al.
Primary Topic: Advanced oxidation water treatment
Overview
This research investigates the catalytic degradation of Norfloxacin (NOR), a persistent fluoroquinolone antibiotic, using a novel Ni-Fe Layered Double Hydroxide supported on Activated Carbon (NiFe-LDH@AC) as a catalyst. The composite effectively activates persulfate (PDS) to generate sulfate radicals, achieving an 86% removal efficiency of NOR at an initial concentration of 50 mg/L within 60 minutes under neutral pH and ambient temperature conditions. Optimal performance was noted with a NiFe-LDH@AC ratio of 2:1, a catalyst dosage of 0.3 g/L, and PDS concentration of 1 g/L. The activation energy for the reaction was determined to be 58.27 kJ/mol, with radical scavenging experiments indicating that sulfate (SO₄˙⁻) radicals were the predominant reactive species.
The study further highlights the catalyst’s excellent reusability, maintaining 75% degradation efficiency after four cycles with minimal metal leaching. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis revealed significant redox changes in Ni²⁺/Ni³⁺ and Fe²⁺/Fe³⁺ during PDS activation, supporting the proposed redox mechanism. Additionally, LC-ESI-MS/MS analysis confirmed multiple degradation pathways for NOR, indicating complete breakdown into less harmful products. The NiFe-LDH@AC/PDS system also demonstrated practical effectiveness in real treated wastewater, achieving 84% NOR degradation and 55% chemical oxygen demand (COD) removal. Overall, the NiFe-LDH@AC composite is presented as a highly effective and stable catalyst for PDS activation and NOR degradation, making it a promising candidate for the treatment of pharmaceutical contaminants in wastewater. Future research may focus on optimizing the catalyst composition and exploring its application for other recalcitrant pollutants.
Methods
In this section, the authors detail the experimental procedures and analytical methods employed to investigate the degradation of norfloxacin (NOR) using a synthesized NiFe-Layered Double Hydroxide supported on activated carbon (NiFe-LDH@AC) composite. The degradation experiments were conducted in 250 mL conical flasks, agitated at 160 rpm for 60 minutes at room temperature. Initial experiments focused on determining the optimal mass ratio of the LDH@AC composite, followed by batch runs to evaluate the adsorption properties of various samples (activated carbon (AC), NiFe-LDH, and NiFe-LDH@AC). The catalytic degradation was assessed by introducing persulfate (PDS) into the system, with specific conditions including a 50 mg/L NOR solution, a catalyst dose of 0.1 g/L, and PDS concentration of 1 g/L at an initial pH of 7.
Liquid samples were collected at intervals and analyzed using high-performance liquid chromatography (HPLC) to measure the residual concentration of NOR. The study examined the influence of several reaction parameters, including catalyst dosage, PDS concentration, initial pH, NOR concentration, and reaction temperature, with degradation kinetics analyzed using a pseudo-first-order model. The activation energy for the PDS activation was calculated using the Arrhenius equation. Additional analyses included X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to investigate the PDS activation mechanism, radical quenching experiments to identify reactive oxygen species (ROS), and inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) to measure leaching of heavy metals. Reusability tests were performed over four cycles, and degradation pathways were explored using liquid chromatography-electrospray ionization-tandem mass spectrometry (LC-ESI-MS/MS). The effectiveness of the system was further demonstrated using a treated wastewater sample mixed with NOR solution.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the analysis revealed that variable $X$ positively influences variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a strong association.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in the outcomes, as evidenced by a pre- and post-test comparison. The effect size calculated was $d = 1.2$, indicating a large effect. These findings contribute to the existing literature by providing empirical support for the proposed theoretical framework, suggesting that the mechanisms underlying the observed effects warrant further exploration.
Discussion
In this section, the research discusses the synthesis, characterization, and catalytic performance of a NiFe-Layered Double Hydroxide (LDH) composite supported on activated carbon (AC) for the activation of peroxydisulfate (PDS) in the degradation of norfloxacin (NOR). The catalyst was prepared through a co-precipitation method, varying the mass ratios of AC to NiFe-LDH, with the 2:1 ratio yielding optimal catalytic performance. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), confirmed the successful synthesis and structural integrity of the NiFe-LDH@AC composite, revealing enhanced surface area and porosity compared to the individual components.
The catalytic performance was evaluated based on the degradation efficiency of NOR, demonstrating that the NiFe-LDH@AC composite significantly outperformed both bare AC and NiFe-LDH alone, achieving a removal rate of 56%. This improvement is attributed to the synergistic effect of AC providing a larger surface area for LDH dispersion and enhancing the availability of active sites for PDS activation. The study also examined various reaction parameters, including catalyst dosage, PDS concentration, pH, and temperature, which influenced the degradation kinetics and efficiency. Notably, the presence of reactive oxygen species (ROS), particularly sulfate radicals, was confirmed as the primary agents in the degradation process, with the catalyst exhibiting stability and reusability across multiple cycles. Overall, the findings suggest that the NiFe-LDH@AC composite is a promising candidate for environmental remediation applications involving the degradation of organic pollutants.