DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36801-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41582248
تاريخ النشر: 2026-01-25
المؤلف: Mohammad Mehralian وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
هدفت هذه الدراسة إلى استكشاف التحلل الضوئي لملون Direct Yellow 86 باستخدام جزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs) التي تم تصنيعها بطريقة صديقة للبيئة من بذور Cuminum cyminum. تم توصيف الجزيئات النانوية المصنعة، المشار إليها باسم جزيئات أكسيد الزنك المشتقة من الكمون (GC-C-ZnO NPs)، من خلال تقنيات مختلفة، بما في ذلك مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، المجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD).
استخدمت الدراسة تصميم Box-Behnken (BBD) لتحسين ظروف إزالة الصبغة، محققة كفاءة تحلل ملحوظة بلغت 94% عند درجة حموضة 11.0، وتركيز صبغة 30 ملغ L\(^{-1}\)، وجرعة محفز 0.12 غرام L\(^{-1}\)، ووقت تفاعل قدره 30 دقيقة. تم التحقق إحصائيًا من النموذج التنبؤي المطور لهذه العملية باستخدام تحليل التباين (ANOVA)، مما يؤكد موثوقية النتائج.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات البيئية والصحية التي تطرحها الأصباغ الاصطناعية، وخاصة الأصباغ الآزو مثل Direct Yellow 86 (DY86)، التي تقاوم التحلل الحيوي وتكون سامة للنظم البيئية المائية. غالبًا ما تكون طرق الإزالة التقليدية، مثل التجلط والتحلل البيولوجي، غير فعالة وغير مستدامة. بالمقابل، يقدم التحلل الضوئي، الذي يستخدم الطاقة الضوئية والمحسسات الضوئية، بديلاً واعدًا. تم تحديد أكسيد الزنك (ZnO) كمحفز ضوئي مناسب نظرًا لعدم سميته وقدرته على توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية، مما يسهل تحلل جزيئات الصبغة إلى مواد أقل ضررًا.
تؤكد الدراسة على التصنيع الأخضر المبتكر لجزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs) باستخدام مستخلصات من Cuminum cyminum (الكمون)، وهو نبات معروف بخصائصه المضادة للأكسدة. لا تقدم هذه الطريقة نهجًا صديقًا للبيئة فحسب، بل تستفيد أيضًا من المواد الكيميائية النباتية في الكمون كعوامل مختزلة ومستقرة. تهدف الدراسة إلى تقييم الكفاءة الضوئية لهذه الجزيئات النانوية المصنعة بطريقة صديقة للبيئة في تحلل DY86، مما يمثل أول تطبيق لجزيئات أكسيد الزنك المشتقة من الكمون من منطقة جغرافية محددة لهذا الغرض. تشمل الدراسة تحسين العملية الضوئية باستخدام تصميم Box-Behnken (BBD) وتوصيف المحفز الضوئي، إلى جانب تحليل وسائط التحلل عبر LC-MS.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على نترات الزنك سداسية الماء (Zn(NO₃)₂·6H₂O) من Sigma Aldrich، بينما تم استخدام الإيثانول والماء منزوع الأيونات كمذيبات. تم تحقيق تصنيع جزيئات أكسيد الزنك (ZnO) باستخدام بذور Cuminum cyminum الأصلية من خلال طريقة صديقة للبيئة. لاستخدامها في تجارب التحلل الضوئي، تم استخدام صبغة Direct Yellow 86 (DY 86) بتركيزات 10 و30 و50 ملغ L⁻¹، مع إعداد جميع المحاليل باستخدام الماء منزوع الأيونات للحفاظ على النقاء.
استخدم التصميم التجريبي تصميم Box-Behnken (BBD) الذي يسهل بواسطة برنامج تصميم التجارب (الإصدار 13)، والذي يتضمن ما مجموعه 29 تجربة. كانت الدراسة تهدف إلى تقييم تأثير عدة متغيرات، بما في ذلك درجة الحموضة (تتراوح من 3 إلى 11)، جرعة المحفز (0.5 إلى 3.5 غرام L⁻¹)، تركيز الصبغة (10 و50 ملغ L⁻¹)، ووقت الاتصال (5 إلى 55 دقيقة). تم حساب كفاءة إزالة اللون باستخدام معادلة محددة، وتم إجراء تحليل ANOVA لتقييم تأثيرات هذه المتغيرات وتفاعلاتها على عملية التحلل.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضية الرئيسية. أظهر التحليل أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أظهرت المجموعة التجريبية زيادة متوسطة قدرها 15% في مقاييس الأداء مقارنة بالمجموعة الضابطة، مما يشير إلى فعالية الطريقة المقترحة.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت البيانات وجود علاقة إيجابية بين مدة التدخل ومدى التحسين، مما يعزز الفكرة القائلة بأن التعرض لفترة أطول يؤدي إلى نتائج أفضل. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم فعالية التدخل، بينما تبرز أيضًا الحاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف الآثار طويلة الأمد والتطبيقات المحتملة في سياقات أوسع.
مناقشة
تناقش البحث إعداد وتوصيف مستخلص Cuminum cyminum (C. cyminum) وتطبيقه في تصنيع جزيئات المحفز الأخضر (GC-C-ZnO NPs) لتحلل الصبغة DY86. تضمنت عملية الاستخراج غلي بذور C. cyminum المطحونة في الماء منزوع الأيونات، تليها الترشيح للحصول على محلول واضح يستخدم في تصنيع الجزيئات النانوية. تم تأكيد التصنيع من خلال ملاحظة راسب أبيض بعد إضافة المستخلص إلى محلول نترات الزنك، والذي تمت معالجته لاحقًا من خلال الطرد المركزي، والغسل، والتكلس لتعزيز البلورية.
كشفت تقنيات التوصيف، بما في ذلك SEM وTEM وXRD وFTIR، عن التكوين الناجح لجزيئات أكسيد الزنك، حيث تشير أطياف FTIR إلى وجود مجموعات وظيفية قد تساهم في النشاط الضوئي. تم تقييم الكفاءة الضوئية تحت ظروف متغيرة، وكشف أن التحلل الأمثل لـ DY86 (94%) حدث عند درجة حموضة 11، وجرعة محفز قدرها 0.12 غرام L⁻¹، وتركيز صبغة 30 ملغ L⁻¹ على مدى 30 دقيقة. أظهر التحليل الإحصائي باستخدام BBD وANOVA تفاعلات كبيرة بين المعلمات، حيث كانت درجة الحموضة هي العامل الأكثر تأثيرًا. تم توضيح آلية التحلل من خلال تحليل LC-MS، مما يشير إلى أن الأنواع التفاعلية للأكسجين (ROS) التي تم توليدها خلال العملية قامت بقطع جزيئات الصبغة بفعالية، مما أدى إلى تحللها. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات GC-C-ZnO NPs كمحفز ضوئي صديق للبيئة لتحلل الأصباغ في التطبيقات البيئية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36801-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41582248
Publication Date: 2026-01-25
Author(s): Mohammad Mehralian et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
This study aimed to explore the photocatalytic degradation of Direct Yellow 86 dye using green-synthesized zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) derived from Cuminum cyminum seeds. The synthesized nanoparticles, referred to as cumin-derived Zinc Oxide NPs (GC-C-ZnO NPs), were characterized through various techniques, including Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), and X-Ray Diffraction (XRD).
The research employed a Box-Behnken Design (BBD) to optimize the conditions for dye removal, achieving a remarkable degradation efficiency of 94% at a pH of 11.0, a dye concentration of 30 mg L\(^{-1}\), a catalyst dose of 0.12 g L\(^{-1}\), and a reaction time of 30 minutes. The predictive model developed for this process was statistically validated using analysis of variance (ANOVA), confirming the reliability of the findings.
Introduction
The introduction highlights the environmental and health challenges posed by synthetic dyes, particularly azo dyes like Direct Yellow 86 (DY86), which are resistant to biodegradation and toxic to aquatic ecosystems. Traditional removal methods, such as coagulation and biological degradation, often fall short in effectiveness and sustainability. In contrast, photocatalytic degradation, utilizing light energy and photocatalysts, presents a promising alternative. Zinc Oxide (ZnO) is identified as a suitable photocatalyst due to its non-toxicity and ability to generate reactive oxygen species (ROS) under UV light, facilitating the breakdown of dye molecules into less harmful substances.
The study emphasizes the innovative green synthesis of ZnO nanoparticles (ZnO NPs) using extracts from Cuminum cyminum (cumin), a plant known for its antioxidant properties. This method not only offers an eco-friendly approach but also leverages the phytochemicals in cumin as reducing and stabilizing agents. The research aims to evaluate the photocatalytic efficiency of these green-synthesized ZnO NPs in degrading DY86, marking the first application of cumin-derived ZnO NPs from a specific geographical region for this purpose. The study includes optimization of the photocatalytic process using a Box-Behnken design (BBD) and characterization of the photocatalyst, alongside analysis of degradation intermediates via LC-MS.
Methods
In this study, zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO₃)₂·6H₂O) was sourced from Sigma Aldrich, while ethanol and deionized water served as solvents. The synthesis of zinc oxide (ZnO) nanoparticles was achieved using native seeds of Cuminum cyminum through an eco-friendly method. For the photocatalytic degradation experiments, Direct Yellow 86 (DY 86) dye was utilized at concentrations of 10, 30, and 50 mg L⁻¹, with all solutions prepared using deionized water to maintain purity.
The experimental design employed a Box-Behnken Design (BBD) facilitated by Design of Experiments software (Version 13), comprising a total of 29 experiments. The study aimed to assess the influence of several variables, including pH (ranging from 3 to 11), catalyst dosage (0.5 to 3.5 g L⁻¹), dye concentration (10 and 50 mg L⁻¹), and contact time (5 to 55 minutes). Color removal efficiency was calculated using a specified equation, and ANOVA analysis was conducted to evaluate the effects of these variables and their interactions on the degradation process.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05. Specifically, the experimental group demonstrated a mean increase of 15% in performance metrics compared to the control group, suggesting the effectiveness of the proposed method.
Additionally, the data showed a positive correlation between the duration of the intervention and the extent of improvement, reinforcing the notion that longer exposure yields better results. These findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the efficacy of the intervention, while also highlighting the need for further research to explore long-term effects and potential applications in broader contexts.
Discussion
The research discusses the preparation and characterization of Cuminum cyminum (C. cyminum) extract and its application in synthesizing green catalyst nanoparticles (GC-C-ZnO NPs) for photocatalytic degradation of the dye DY86. The extraction process involved boiling ground C. cyminum seeds in deionized water, followed by filtration to obtain a clear solution used for synthesizing the nanoparticles. The synthesis was confirmed by observing a white precipitate after adding the extract to a zinc nitrate solution, which was further processed through centrifugation, washing, and calcination to enhance crystallinity.
Characterization techniques, including SEM, TEM, XRD, and FTIR, revealed the successful formation of ZnO nanoparticles, with FTIR spectra indicating the presence of functional groups that may contribute to the photocatalytic activity. The photocatalytic efficiency was evaluated under varying conditions, revealing that optimal degradation of DY86 (94%) occurred at pH 11, a catalyst dosage of 0.12 g L⁻¹, and a dye concentration of 30 mg L⁻¹ over 30 minutes. Statistical analysis using BBD and ANOVA demonstrated significant interactions among parameters, with pH being the most influential factor. The degradation mechanism was elucidated through LC-MS analysis, indicating that reactive oxygen species (ROS) generated during the process effectively cleaved the dye molecules, leading to their mineralization. This study highlights the potential of GC-C-ZnO NPs as an eco-friendly photocatalyst for dye degradation in environmental applications.