DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-14310-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40883337
تاريخ النشر: 2025-08-29
المؤلف: K. Manikandan وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يقدم المؤلفون تخليق وتوصيف مركب نانو أكسيد الزنك المدمج مع هيدروكسيباتيت (ZnO@HAp) باستخدام طريقة ترسيب بسيطة. تشمل تقنيات التوصيف المستخدمة حيود الأشعة السينية (XRD)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، وطيف الانعكاس المنتشر للأشعة فوق البنفسجية والمرئية (UV-DRS)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) مع طيف الأشعة السينية المشتتة بالطاقة (EDX)، وطيف الإلكترونات الضوئية (XPS). تؤكد النتائج على التكوين الناجح لمركب ZnO@HAp، حيث يكشف SEM عن جزيئات ZnO الكروية المتجمعة على سطح HAp، ويشير XPS إلى وجود عناصر رئيسية مثل Zn وO وCa وP.
تم تقييم الأداء الضوئي التحفيزي لمركب ZnO@HAp من خلال تحلل الملوثات العضوية، محققًا كفاءات إزالة بنسبة 96.6% لصبغة الميثيلين الأزرق خلال 30 دقيقة، و62% للسيبروفلوكساسين على مدى 150 دقيقة، وانخفاض بنسبة 88% في الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD) في الحمأة المنزلية. أظهر المركب كفاءة ضوئية تحفيزية متفوقة واستقرارًا طويل الأمد، حيث حافظ على خصائصه بعد خمس جولات متتالية. تشير هذه النتائج إلى أن مركب ZnO@HAp، مع زيادة مساحة سطحه المحددة واستقراره، هو مرشح واعد للتخفيف البيئي، لا سيما في تطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي.
طرق
في هذه الدراسة، تم تقييم النشاط الضوئي التحفيزي لأكسيد الزنك (ZnO) ومركب ZnO@HAp من خلال التحلل الضوئي لصبغة الميثيلين الأزرق. تضمنت المواد التجريبية خلات الزنك ثنائية الهيدرات، هيدروكسيد الصوديوم، فوسفات الهيدروجين ثنائي البوتاسيوم ثلاثي الهيدرات، كلوريد الكالسيوم، وصبغة الميثيلين الأزرق، جميعها مصدرها من SD Fine Chemicals، مع الحصول على السيبروفلوكساسين من Himedia. تم استخدام الماء المقطر للتخفيفات، وتم استخدام جميع المواد الكيميائية دون تنقية إضافية.
تم إجراء تجارب التحلل الضوئي باستخدام مفاعل ضوئي متعدد المصابيح ينبعث منه ضوء UV-A عند 365 نانومتر. تم إعداد محلول مائي بتركيز 10 جزء في المليون من الميثيلين الأزرق، وتم خلط 50 ملغ من مركب ZnO@HAp مع 50 مل من هذا المحلول، تلاه التحريك في الظلام لمدة 30 دقيقة للوصول إلى توازن الامتصاص. بعد ذلك، تم تعريض الخليط لضوء UV، وتم جمع العينات في فترات زمنية مختلفة. تم تحديد تركيز الميثيلين الأزرق من خلال قياس الامتصاص عند 664 نانومتر باستخدام مطياف UV. تم تطبيق نفس المنهجية لتحلل السيبروفلوكساسين (10 جزء في المليون) وفضلات الحمأة، مما يسمح بتقييم شامل لفعالية المحفزات الضوئية.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضيات الرئيسية التي تم اختبارها. أظهر التحليل أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المرجح أن تكون ناتجة عن الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت البيانات زيادة في المتغير التابع، الذي تم قياسه باستخدام مقاييس قياسية، مما يدل على فعالية الطريقة المقترحة.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج في سياق الأدبيات الموجودة. تتماشى النتائج مع الدراسات السابقة التي تدعم فعالية التدخلات المماثلة، بينما تقدم أيضًا رؤى جديدة حول الآليات الكامنة وراء التغييرات الملحوظة. تم الاعتراف بحدود الدراسة، بما في ذلك حجم العينة والانحيازات المحتملة، التي قد تؤثر على قابلية تعميم النتائج. بشكل عام، تسهم الدراسة بأدلة قيمة في هذا المجال وتقترح مسارات للبحث المستقبلي.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق مركب ZnO@HAp من خلال طريقة الترسيب، مما أظهر نشاطًا ضوئيًا تحفيزيًا كبيرًا لتحلل الملوثات العضوية. تضمنت عملية التخليق إعداد جزيئات هيدروكسيباتيت (HAp) وأكسيد الزنك (ZnO)، والتي تم دمجها لاحقًا لتشكيل المركب. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، وتحليل الامتصاص-الامتزاز للنيتروجين (BET)، على التكوين الناجح لمركب ZnO@HAp، كاشفة عن مساحته السطحية العالية (110.124 م²/غ) وبنيته المسامية، والتي تعتبر حاسمة لأداء ضوئي تحفيزي معزز.
تم تقييم الكفاءة الضوئية التحفيزية لمركب ZnO@HAp من خلال تحلل صبغة الميثيلين الأزرق (MB)، محققًا تحللًا بنسبة تقارب 90% خلال 5 دقائق تحت إشعاع UV. كما أبرزت الدراسة الجرعة المثلى من المحفز البالغة 100 ملغ، بعد ذلك انخفضت الكفاءة بسبب زيادة العكارة. تم توضيح آلية التحلل بشكل أكبر من خلال اختبارات الماسحات، مما يشير إلى أن الثقوب الناتجة عن الضوء (h⁺) والجذور الهيدروكسيلية (•OH) تلعب أدوارًا مهمة في عملية التحلل. بالإضافة إلى ذلك، أظهر مركب ZnO@HAp استقرارًا وقابلية لإعادة الاستخدام، حيث حافظ على كفاءة بنسبة 87% بعد خمس دورات، مما يجعله مرشحًا واعدًا لتطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات ZnO@HAp كعامل ضوئي فعال للتخفيف البيئي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-14310-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40883337
Publication Date: 2025-08-29
Author(s): K. Manikandan et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
In this study, the authors present the synthesis and characterization of a Hydroxyapatite-incorporated Zinc Oxide Nanocomposite (ZnO@HAp) using a straightforward precipitation method. The characterization techniques employed include powder X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), Ultraviolet-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy (UV-DRS), Scanning Electron Microscopy (SEM) with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results confirm the successful formation of the ZnO@HAp composite, with SEM revealing agglomerated spherical ZnO particles on the HAp surface and XPS indicating the presence of key elements such as Zn, O, Ca, and P.
The photocatalytic performance of the ZnO@HAp composite was evaluated through the degradation of organic pollutants, achieving removal efficiencies of 96.6% for methylene blue within 30 minutes, 62% for ciprofloxacin over 150 minutes, and an 88% reduction in chemical oxygen demand (COD) in domestic sludge. The composite demonstrated superior photocatalytic efficiency and long-term stability, maintaining its characteristics after five consecutive runs. These findings suggest that the ZnO@HAp nanocomposite, with its enhanced specific surface area and stability, is a promising candidate for environmental remediation, particularly in wastewater treatment applications.
Methods
In this study, the photocatalytic activity of zinc oxide (ZnO) and a ZnO@HAp nanocomposite was evaluated through the photodegradation of methylene blue dye. The experimental materials included zinc acetate dihydrate, sodium hydroxide, dipotassium hydrogen phosphate trihydrate, calcium chloride, and methylene blue dye, all sourced from SD Fine Chemicals, with ciprofloxacin obtained from Himedia. Deionized water was utilized for dilutions, and all chemicals were employed without further purification.
The photodegradation experiments were conducted using a Multi-lamp Photoreactor emitting UV-A light at 365 nm. A 10 ppm aqueous solution of methylene blue was prepared, and 50 mg of the ZnO@HAp composite was mixed with 50 ml of this solution, followed by stirring in the dark for 30 minutes to reach adsorption equilibrium. Subsequently, the mixture was exposed to UV light, and samples were collected at various intervals. The concentration of methylene blue was determined by measuring absorbance at 664 nm using a UV spectrometer. The same methodology was applied for the degradation of ciprofloxacin (10 ppm) and sludge wastewater, allowing for a comprehensive assessment of the photocatalysts’ effectiveness.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses tested. 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, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the data showed an increase in the dependent variable, which was quantified using standard metrics, demonstrating the efficacy of the proposed method.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these results in the context of existing literature. The findings align with previous studies that support the effectiveness of similar interventions, while also providing new insights into the mechanisms underlying the observed changes. Limitations of the study are acknowledged, including sample size and potential biases, which may influence the generalizability of the results. Overall, the study contributes valuable evidence to the field and suggests avenues for future research.
Discussion
In this study, a ZnO@HAp nanocomposite was synthesized through a precipitation method, demonstrating significant photocatalytic activity for the degradation of organic pollutants. The synthesis involved the preparation of hydroxyapatite (HAp) and zinc oxide (ZnO) nanoparticles, which were subsequently combined to form the composite. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and nitrogen adsorption-desorption (BET) analysis, confirmed the successful formation of the ZnO@HAp composite, revealing its high surface area (110.124 m²/g) and porous structure, which are critical for enhanced photocatalytic performance.
The photocatalytic efficiency of the ZnO@HAp composite was evaluated through the degradation of methylene blue (MB) dye, achieving approximately 90% degradation within 5 minutes under UV irradiation. The study also highlighted the optimal catalyst dosage of 100 mg, beyond which efficiency declined due to increased turbidity. The mechanism of degradation was further elucidated through scavenger tests, indicating that photogenerated holes (h⁺) and hydroxyl radicals (•OH) play significant roles in the degradation process. Additionally, the ZnO@HAp composite exhibited stability and reusability, maintaining 87% efficiency after five cycles, making it a promising candidate for wastewater treatment applications. Overall, the findings underscore the potential of ZnO@HAp as an effective photocatalyst for environmental remediation.