DOI: https://doi.org/10.55713/jmmm.v36i1.2467
تاريخ النشر: 2026-02-06
المؤلف: S. Vishal وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة التخليق الأخضر لجزيئات أكسيد النحاس (CuO) باستخدام مستخلص ألياف جوز الهند وتقييم فعاليتها الضوئية في تحلل صبغة الأزوداي براون ج. تم تخليق الجزيئات النانوية عبر طريقة الجل-هلام، باستخدام الجزيئات الحيوية مثل البوليفينولات، والتانينات، والفلافونويدات من ألياف جوز الهند كعوامل مختزلة ومستقرة. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والميكروسكوب الإلكتروني الماسح بتأثير الحقل (FESEM)، نجاح التخليق وسلامة الهيكل للجزيئات النانوية. تحت ظروف محسنة – على وجه الخصوص، pH 7، ودرجة حرارة 33.5 درجة مئوية، وحمولة محفز 17.5 ملغ – حققت جزيئات CuO النانوية كفاءة قصوى في تحلل الصبغة بلغت 80.01% عند تعرضها للإشعاع فوق البنفسجي، مع ديناميات التحلل التي تتبع نموذج تفاعل من الدرجة الأولى.
تؤكد النتائج على إمكانية استخدام مستخلص ألياف جوز الهند، وهو نفايات زراعية غير مستغلة، للتخليق الصديق للبيئة لجزيئات CuO النانوية، مما يتماشى مع مبادئ الكيمياء الخضراء ويعزز الاستدامة. الطريقة الخضراء القابلة للتوسع المستخدمة اقتصادية وقابلة للتطبيق الصناعي في معالجة مياه الصرف. تسلط الدراسة الضوء على النشاط الضوئي الفعال لجزيئات CuO النانوية التي تم تخليقها، والذي يُعزى إلى توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) تحت الضوء فوق البنفسجي. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية استكشاف إمكانية إعادة استخدام الجزيئات النانوية، وأدائها تحت الضوء المرئي، ودمجها في أنظمة معالجة مياه الصرف على نطاق واسع.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على المخاطر البيئية والصحية التي تشكلها المصارف الصناعية غير المعالجة، وخاصة من صناعات النسيج والجلود، التي تحتوي غالبًا على صبغات صناعية ضارة مثل براون ج. هذه الصبغات مستقرة كيميائيًا وغير قابلة للتحلل، مما يؤدي إلى اضطراب بيئي كبير عن طريق حجب ضوء الشمس واستنفاد الأكسجين في البيئات المائية، فضلاً عن تعرض البشر لمخاطر مسرطنة من خلال مصادر المياه الملوثة. أثبتت طرق معالجة مياه الصرف التقليدية عدم كفايتها، مما يستلزم تطوير حلول متقدمة وصديقة للبيئة للتعدين الكامل لهذه الملوثات.
استجابةً لهذا التحدي، اكتسبت عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) اهتمامًا لقدرتها على توليد أنواع تفاعلية قادرة على تعدين المركبات العضوية المعقدة. تقدم هذه الدراسة استخدام جزيئات أكسيد النحاس (CuO)، التي تم تخليقها لأول مرة باستخدام مستخلص ألياف جوز الهند كعامل مختزل ومستقر طبيعي. تم إجراء التخليق عبر مسار جل-هلام أخضر، وتم توصيف الجزيئات النانوية الناتجة من خلال تقنيات تحليلية مختلفة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR). تم تقييم فعاليتها الضوئية في تحلل صبغة براون ج تحت الضوء فوق البنفسجي، مع إجراء تحسين للعملية باستخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتحسين المعلمات التشغيلية وتقييم النماذج الحركية.
طرق
في هذا القسم، استخدم المؤلفون منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتحسين المعلمات التشغيلية لتجاربهم، مع التركيز بشكل خاص على درجة الحرارة، وpH، وجرعة المحفز. باستخدام تصميم بوكس-بهنكن، قاموا بتغيير هذه المعلمات بشكل منهجي بناءً على القيم المقترحة من برنامج RSM، مما سمح بتحليل شامل لعملية التحلل. تشير النتائج، الملخصة في الجدول 1، إلى وجود علاقة قوية بين القيم المتوقعة والفعلية للتحلل، مع قيمة انحدار محسوبة تتجاوز 99%، مما يؤكد استقرار النموذج (R² = 99.77%، R² المتوقع = 99.98%).
أبرزت النتائج التجريبية أن أقصى كفاءة للتحلل التي تم تحقيقها كانت 80.01%، والتي حدثت تحت ظروف مثلى من pH = 7، وجرعة المحفز = 17.5 ملغ، ودرجة حرارة = 33.5℃. يتم تمثيل هذه النتيجة بصريًا في الشكل 5، الذي يصور الرسم البياني للتركيز مقابل الزمن للجولة 14، مما يؤكد فعالية النموذج المعتمد في توقع نتائج التحلل.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة للتجارب التي أجريت. تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين المتغير المستقل والمتغير التابع، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. علاوة على ذلك، تظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في البيانات، مما يدعم الفرضية الأولية ويوفر دليلًا قويًا للنموذج المقترح.
بالإضافة إلى النتائج الرئيسية، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج في السياق الأوسع للمجال. يؤكد المؤلفون على أهمية نتائجهم في معالجة الفجوات الموجودة في الأدبيات ويقترحون تطبيقات محتملة للبحث المستقبلي. كما تم الاعتراف بحدود الدراسة، وتقديم اقتراحات لمزيد من التحقيق لتعزيز فهم الآليات الأساسية المعنية.
مناقشة
تناقش البحث التخليق الأخضر لجزيئات أكسيد النحاس (CuO) باستخدام مستخلص ألياف جوز الهند، الذي يعمل كعامل مختزل ومستقر طبيعي. تتضمن العملية غلي ألياف جوز الهند المجففة في الماء المقطر، تليها إضافة CuSO4 إلى المستخلص، مما يؤدي إلى تشكيل جزيئات CuO النانوية من خلال سلسلة من تفاعلات الاختزال والأكسدة. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، نجاح التخليق والهيكل البلوري للجزيئات النانوية. تسلط الدراسة الضوء على الكفاءة الضوئية لجزيئات CuO النانوية التي تم تخليقها في تحلل صبغة الأزوداي براون ج تحت الضوء فوق البنفسجي، مع تحقيق كفاءة تحلل قصوى بلغت 80.01% عند درجة حرارة مثلى تبلغ 33.5℃، وجرعة محفز تبلغ 17.5 ملغ، وpH محايد يبلغ 7.
تشمل آلية التحلل توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، مثل الجذور الهيدروكسيلية والسوبر أكسيد، التي تسهل تفكيك جزيئات الصبغة إلى مواد أقل ضررًا. يستخدم البحث منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتحسين العملية الضوئية من خلال تحليل تأثيرات المعلمات المختلفة، بما في ذلك جرعة المحفز، وpH، ودرجة الحرارة. تشير الدراسات الحركية إلى أن عملية التحلل تتبع حركيات من الدرجة الأولى. بشكل عام، تقدم هذه الدراسة نهجًا مستدامًا لمعالجة مياه الصرف، مع التأكيد على إمكانية استخدام النفايات الزراعية لتخليق محفزات ضوئية فعالة، مع اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لتعزيز إعادة استخدام وأداء جزيئات CuO النانوية في التطبيقات على نطاق أوسع.
DOI: https://doi.org/10.55713/jmmm.v36i1.2467
Publication Date: 2026-02-06
Author(s): S. Vishal et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
This study investigates the green synthesis of copper oxide (CuO) nanoparticles using coconut coir extract and assesses their photocatalytic efficacy in degrading the azo dye Brown G. The nanoparticles were synthesized via a sol-gel method, utilizing biomolecules such as polyphenols, tannins, and flavonoids from the coconut coir as reducing and stabilizing agents. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and field emission scanning electron microscopy (FESEM), confirmed the successful synthesis and structural integrity of the nanoparticles. Under optimized conditions—specifically, a pH of 7, a temperature of 33.5°C, and a catalyst loading of 17.5 mg—the CuO nanoparticles achieved a maximum dye degradation efficiency of 80.01% when exposed to UV irradiation, with degradation kinetics following a first-order reaction model.
The findings underscore the potential of using coconut coir extract, an underutilized agricultural waste, for the environmentally friendly synthesis of CuO nanoparticles, aligning with green chemistry principles and promoting sustainability. The scalable green sol-gel method employed is economically viable for industrial applications in wastewater treatment. The study highlights the effective photocatalytic activity of the synthesized CuO nanoparticles, attributed to the generation of reactive oxygen species (ROS) under UV light. Future research directions include exploring the reusability of the nanoparticles, their performance under visible light, and their integration into large-scale wastewater treatment systems.
Introduction
The introduction highlights the environmental and health hazards posed by untreated industrial effluents, particularly from textile and leather industries, which often contain harmful synthetic dyes like Brown G. These dyes are chemically stable and non-biodegradable, leading to significant ecological disruption by blocking sunlight and depleting oxygen in aquatic environments, as well as posing carcinogenic risks to humans through contaminated water sources. Traditional wastewater treatment methods have proven inadequate, necessitating the development of advanced, eco-friendly solutions for complete mineralization of these pollutants.
In response to this challenge, Advanced Oxidation Processes (AOPs) have gained attention for their ability to generate reactive species capable of mineralizing complex organic compounds. This study introduces the use of copper oxide (CuO) nanoparticles, synthesized for the first time using coconut coir extract as a natural reducing and stabilizing agent. The synthesis was performed via a green sol-gel route, and the resulting nanoparticles were characterized through various analytical techniques, including X-ray diffraction (XRD) and Fourier Transform infrared spectroscopy (FTIR). Their photocatalytic effectiveness in degrading Brown G dye under UV light was evaluated, with process optimization conducted using Response Surface Methodology (RSM) to refine operational parameters and assess kinetic models.
Methods
In this section, the authors employed Response Surface Methodology (RSM) to optimize the operating parameters for their experiments, specifically focusing on temperature, pH, and catalyst dosage. Utilizing the Box-Behnken Design, they systematically varied these parameters based on suggested values from RSM software, allowing for a comprehensive analysis of the degradation process. The results, summarized in Table 1, indicate a strong correlation between predicted and actual degradation values, with a calculated regression value exceeding 99%, confirming the stability of the model (R² = 99.77%, R² predicted = 99.98%).
The experimental results highlighted that the maximum degradation efficiency achieved was 80.01%, occurring under optimal conditions of pH = 7, catalyst dosage = 17.5 mg, and temperature = 33.5℃. This finding is visually represented in Figure 5, which depicts the concentration versus time graph for run 14, further validating the effectiveness of the established model in predicting degradation outcomes.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting the significant outcomes of the experiments conducted. The data indicates a strong correlation between the independent variable and the dependent variable, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Furthermore, the results demonstrate a clear trend in the data, supporting the initial hypothesis and providing robust evidence for the proposed model.
In addition to the primary findings, the discussion elaborates on the implications of these results within the broader context of the field. The authors emphasize the relevance of their findings in addressing existing gaps in the literature and propose potential applications for future research. Limitations of the study are also acknowledged, and suggestions for further investigation are provided to enhance understanding of the underlying mechanisms at play.
Discussion
The research discusses the green synthesis of copper oxide (CuO) nanoparticles using coconut coir extract, which serves as a natural reducing and stabilizing agent. The process involves boiling dried coconut coir in distilled water, followed by the addition of CuSO4 to the extract, resulting in the formation of CuO nanoparticles through a series of reduction and oxidation reactions. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), confirmed the successful synthesis and crystalline structure of the nanoparticles. The study highlights the photocatalytic efficiency of the synthesized CuO nanoparticles in degrading the azo dye Brown G under UV light, with a maximum degradation efficiency of 80.01% achieved at an optimal temperature of 33.5℃, a catalyst dosage of 17.5 mg, and a neutral pH of 7.
The degradation mechanism involves the generation of reactive oxygen species (ROS), such as hydroxyl and superoxide radicals, which facilitate the breakdown of dye molecules into less harmful substances. The research employs Response Surface Methodology (RSM) to optimize the photocatalytic process by analyzing the effects of various parameters, including catalyst dosage, pH, and temperature. Kinetic studies indicate that the degradation process follows first-order kinetics. Overall, this study presents a sustainable approach to wastewater treatment, emphasizing the potential of utilizing agricultural waste for the synthesis of effective photocatalysts, while suggesting future research directions to enhance the reusability and performance of CuO nanoparticles in larger-scale applications.