DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-05597-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40542064
تاريخ النشر: 2025-06-20
المؤلف: Marwa S. Abdelkader وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تطوير نانو مركب جديد قائم على اللجنين الكرافت (KL)، المسمى AZKL، والذي يدمج تقاطعات p-n Ag₃PO₄ @ZnO (AZ-NC) لأداء ضوئي محسن في معالجة مياه الصرف الصناعي. تتناول الدراسة التحديات البيئية الحرجة، بما في ذلك الاستقرار الكيميائي وفصل حاملات الشحنة، مع تقليل إنتاج النفايات الثانوية. باستخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM)، أظهر المركب AZKL فعالية ملحوظة في تحلل صبغة الميثيلين الأزرق (MB)، محققًا أكثر من 98.2% من إزالة اللون خلال 40 دقيقة تحت الضوء المرئي عند pH قريب من المحايد 7.48، والحفاظ على نشاط تحفيزي عالي عبر دورات متعددة. تم توضيح مسار التحلل من خلال كروماتوغرافيا الغاز-مطيافية الكتلة (GC-MS)، كاشفًا عن تفكك تدريجي لـ MB إلى وسائط أقل ضررًا، مما يؤدي في النهاية إلى التمعدن إلى CO₂ و H₂O.
تؤكد النتائج على الدور المتعدد الوظائف لـ KL، مما يعزز فصل حاملات الشحنة ويمنع تسرب الأيونات أثناء التحفيز الضوئي، ويعزى ذلك إلى مجموعاته الهيدروكسيلية الفينولية المانحة للإلكترونات. كما تسلط الدراسة الضوء على التطبيق العملي لـ AZKL في معالجة مياه الصرف الصناعي الحقيقية، كما يتضح من التحسينات الكبيرة في مقاييس القابلية للتحلل البيولوجي (نسب COD/BOD) وتقليل السمية تجاه E. coli، مما يفي بمعايير تصريف مياه الصرف. بشكل عام، يظهر المركب النانوي AZKL كحل واعد وقابل للتكيف لتحلل الملوثات العضوية في أنظمة مياه الصرف المعقدة، مع آثار على الأبحاث المستقبلية التي تركز على توسيع نطاق التخليق ومعالجة تحديات مياه الصرف الصناعي المتنوعة.
طرق
في هذه الدراسة، تم تقييم الأداء الضوئي لمركب AZKL لإزالة صبغة الميثيلين الأزرق (MB)، وهو ملوث شائع في مياه الصرف الصناعي. كانت المواد المستخدمة من درجة تحليلية، وتم اختيار MB بسبب انتشاره في مياه الصرف وامتصاصه العالي عند 670 نانومتر، مما يسهل المراقبة الطيفية. تضمنت التصميم التجريبي إعداد دفعة لتقييم تآزر الامتصاص-التحفيز الضوئي، حيث تم اختبار نسب وزن مختلفة من KL في المركب النانوي AZKL ضد إزالة صبغة MB تحت ظروف مظلمة ومضيئة. تم إجراء تحسين عملية التحفيز الضوئي باستخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM) مع تصميم مركب مركزي (FCCD)، مع التركيز على معلمات مثل pH، وجرعة المحفز، وتركيز H₂O₂، وتركيز الصبغة الأولية.
أشارت النتائج إلى أن الظروف المثلى لإزالة MB باستخدام المحفز الضوئي AZKL كانت جرعة محفز قدرها 4.92 جرام/لتر، وpH قدره 7.48، وتركيز H₂O₂ قدره 0.03%، محققة معدل إزالة قدره 98.6%. بالمقابل، أظهر المحفز الضوئي AZ-NC ظروفًا مثلى عند جرعة محفز أقل قدرها 1 جرام/لتر وتركيز H₂O₂ قدره 0.18%، مما أدى إلى معدل إزالة قدره 82.4%. تفوق المركب AZKL على المحفزات الضوئية التجارية، محققًا تقريبًا 99.4% من إزالة MB في أقل من 40 دقيقة، بينما وصلت TiO₂ (P25) وZnO إلى 81.3% و68.7% من الإزالة، على التوالي، بعد 90 دقيقة. تم عزو الأداء المحسن لـ AZKL إلى هيكله الفينولي، الذي يسهل الامتصاص من خلال تكديس π-π وروابط الهيدروجين، بالإضافة إلى تحسين فصل الشحنة بسبب التقاطع AZ-NC. تؤكد الدراسة على إمكانيات المركب النانوي AZKL كبديل فعال لمعالجة الملوثات العضوية في مياه الصرف الصناعي.
نتائج
تقدم قسم النتائج findings الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن علاقات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مع اختبارات إحصائية تشير إلى قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر البيانات اتجاهًا واضحًا، مما يدعم الفرضيات الأولية التي طرحها الباحثون.
تؤكد المناقشة الإضافية للنتائج على أهميتها في السياق الأوسع للمجال. تسهم النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم رؤى جديدة حول الآليات المعنية، وتقترح طرقًا محتملة للبحث المستقبلي. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية مساهمات الدراسة وقابليتها للتطبيق في السيناريوهات الواقعية.
مناقشة
تناقش هذه القسم تخليق وتوصيف المركب النانوي Ag₃PO₄@ZnO/Kraft Lignin (KL)، المشار إليه باسم AZKL، والذي تم تطويره من خلال طريقة النقع الرطب المعززة بالموجات فوق الصوتية. يتم تفصيل تقنيات التوصيف المستخدمة لتحليل الخصائص الهيكلية، والشكلية، والبصرية للمركب AZKL، مقارنة بسلفه AZ-NC، في المعلومات التكميلية. تم تقييم النشاط الضوئي لـ AZKL لإزالة صبغة الميثيلين الأزرق (MB)، مما يظهر كفاءة إزالة عالية (RE%) ومعدلات تحلل حركية، مع معامل ارتباط (R²) يقارب 0.997 لمنحنى المعايرة لتركيز صبغة MB.
تم تقييم فعالية AZKL في معالجة مياه الصرف الصناعي الحقيقية تحت ظروف مثلى، مما أظهر تخفيضات كبيرة في الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD)، والطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD₅)، ومستويات الكربون العضوي الكلي (TOC)، مما يشير إلى تحلل ناجح للملوثات العضوية. كما شملت الدراسة اختبار إعادة الاستخدام، مؤكدة على استقرار AZKL عبر دورات متعددة. حددت تجارب قنص الجذور الأنواع التفاعلية للأكسجين المعنية في عملية التحلل الضوئي، بينما أكدت طرق التوصيف المختلفة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، التكوين الناجح وسلامة الهيكل للمركب النانوي AZKL. تسلط النتائج الضوء على إمكانيات AZKL كمحفز ضوئي فعال لمعالجة مياه الصرف، مستفيدة من التأثيرات التآزرية لمكوناته لتعزيز الأداء الضوئي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-05597-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40542064
Publication Date: 2025-06-20
Author(s): Marwa S. Abdelkader et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
This research investigates the development of a novel kraft lignin (KL)-based nanocomposite, designated as AZKL, which integrates Ag₃PO₄ @ZnO (AZ-NC) p-n heterojunctions for enhanced photocatalytic performance in textile wastewater treatment. The study addresses critical environmental challenges, including chemical stability and charge carrier separation, while minimizing secondary waste production. Utilizing response surface methodology (RSM), the AZKL composite demonstrated remarkable efficacy in degrading methylene blue (MB) dye, achieving over 98.2% decolorization within 40 minutes under visible light at a near-neutral pH of 7.48, and maintaining high catalytic activity across multiple cycles. The degradation pathway was elucidated through gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), revealing a stepwise breakdown of MB into less harmful intermediates, ultimately mineralizing into CO₂ and H₂O.
The findings underscore KL’s multifunctional role, enhancing charge carrier separation and preventing ion leaching during photocatalysis, attributed to its electron-donating polyphenolic hydroxyl groups. The study also highlights the practical application of AZKL in treating real textile effluents, evidenced by significant improvements in biodegradability metrics (COD/BOD ratios) and reduced toxicity towards E. coli, thereby meeting wastewater discharge standards. Overall, the AZKL nanocomposite emerges as a promising and adaptable solution for the degradation of organic pollutants in complex wastewater systems, with implications for future research focused on scaling synthesis and addressing diverse industrial wastewater challenges.
Methods
In this study, the photocatalytic performance of the AZKL composite was evaluated for the removal of methylene blue (MB) dye, a common pollutant in industrial wastewater. The materials used were of analytical grade, and MB was selected due to its prevalence in wastewater and its high absorbance at 670 nm, facilitating spectrophotometric monitoring. The experimental design involved a batch setup to assess the adsorption-photocatalytic synergy, where varying weight ratios of KL in the AZKL nanocomposite were tested against MB dye removal under both dark and light conditions. The optimization of the photocatalytic process was conducted using response surface methodology (RSM) with a face-centered composite design (FCCD), focusing on parameters such as pH, catalyst dosage, H₂O₂ concentration, and initial dye concentration.
The results indicated that the optimal conditions for MB removal using the AZKL photocatalyst were a catalyst dosage of 4.92 g/L, a pH of 7.48, and an H₂O₂ concentration of 0.03%, achieving a removal rate of 98.6%. In contrast, the AZ-NC photocatalyst showed optimal conditions at a lower catalyst dosage of 1 g/L and an H₂O₂ concentration of 0.18%, resulting in an 82.4% removal rate. The AZKL composite outperformed commercial photocatalysts, achieving nearly 99.4% MB removal in under 40 minutes, while TiO₂ (P25) and ZnO reached only 81.3% and 68.7% removal, respectively, after 90 minutes. The enhanced performance of AZKL was attributed to its polyphenolic structure, which facilitates adsorption through π-π stacking and hydrogen bonding, as well as improved charge separation due to the AZ-NC heterojunction. The study underscores the potential of the AZKL nanocomposite as an effective alternative for treating organic pollutants in industrial wastewater.
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, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the data demonstrate a clear trend, supporting the initial hypotheses posited by the researchers.
Further discussion of the results emphasizes their relevance in the broader context of the field. The findings contribute to existing literature by providing new insights into the mechanisms at play, and they suggest potential avenues for future research. Overall, the results underscore the importance of the study’s contributions and their applicability to real-world scenarios.
Discussion
The section discusses the synthesis and characterization of the Ag₃PO₄@ZnO/Kraft Lignin (KL) nanocomposite, referred to as AZKL, which was developed through an ultrasonic-assisted wet-impregnation method. The characterization techniques employed to analyze the structural, morphological, and optoelectronic properties of AZKL, compared to its precursor AZ-NC, are detailed in the supplementary information. The photocatalytic activity of AZKL was assessed for the removal of methylene blue (MB) dye, demonstrating a high removal efficiency (RE%) and kinetic degradation rates, with a correlation coefficient (R²) of approximately 0.997 for the calibration curve of MB dye concentration.
The effectiveness of AZKL in treating real textile wastewater was evaluated under optimal conditions, showing significant reductions in chemical oxygen demand (COD), biochemical oxygen demand (BOD₅), and total organic carbon (TOC) levels, indicating successful degradation of organic pollutants. The study also included a reusability test, confirming the stability of AZKL over multiple cycles. Radical scavenger experiments identified the reactive oxygen species involved in the photodegradation process, while various characterization methods, including X-ray diffraction (XRD) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), confirmed the successful formation and structural integrity of the AZKL nanocomposite. The findings highlight the potential of AZKL as an effective photocatalyst for wastewater treatment, leveraging the synergistic effects of its components to enhance photocatalytic performance.