DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38975-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41765920
تاريخ النشر: 2026-03-01
المؤلف: Ahmed S. Abou-Elyazed وآخرون
الموضوع الرئيسي: معالجة المياه بالأكسدة المتقدمة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في الأكسدة الضوئية باستخدام فنتون للباراسيتامول (PCT)، وهو ملوث صيدلاني شائع، باستخدام إطار عمل RTG-MIL-100(Fe) المعدل بـ KI والذي تم تصنيعه عبر طريقة خالية من المذيبات وفي درجة حرارة الغرفة. تم استخدام تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD)، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، تحليل بروناوير-إيميت-تيلر (BET)، وطيف الإلكترون الضوئي بالأشعة السينية (XPS) لتقييم المادة. يعمل النظام الحفاز في ظروف معتدلة، باستخدام 400 جزء في المليون من H₂O₂ و20 ملغ/لتر من RTG-MIL-100(Fe) عند pH مياه الصرف الطبيعي 5.5، محققًا إزالة ملحوظة بنسبة 99.6% من PCT. تتضمن المسار الميكانيكي المزدوج تحفيزًا ضوئيًا شبيهًا بأشباه الموصلات وتفعيل مواقع المعادن المفتوحة (OMS)، مما يؤدي إلى معدلة أكسدة فعالة للباراسيتامول إلى CO₂ وH₂O.
تشير النتائج إلى أن الحفاز المعدل بـ KI من RTG-MIL-100(Fe) يعزز بشكل كبير دورة الأكسدة والاختزال Fe³⁺/Fe²⁺، مما يعزز توليد الجذور الهيدروكسيلية ويحسن الأداء الضوئي. تشير تحسينات العملية إلى أنه يمكن تحقيق إزالة كاملة للملوثات في غضون 120 دقيقة تحت ظروف مثالية، مع اتباع التفاعل لديناميكا حركية من الدرجة الأولى الزائفة. يظهر الحفاز قابلية إعادة استخدام ممتازة واستقرار هيكلي، مع تسرب حديد ضئيل (2.6 ملغ/لتر) تم تأكيده بواسطة ICP-OES. بشكل عام، تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات MIL-100(Fe) المعدل بـ KI كحفاز قوي ومستدام يشبه فنتون لعلاج مياه الصرف الصحي الصيدلانية، مما يشير إلى قابليته للاستخدام في الأنظمة اللامركزية وعمليات الأكسدة المتقدمة في البيئات الصناعية.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية لتجارب التركيب ومعالجة مياه الصرف. كانت المواد الأساسية تشمل حمض 1,3,5-بنزين ثلاثي الكربوكسيليك (H₃BTC)، يوديد البوتاسيوم (KI)، نترات الحديد الثلاثي غير المائية، والإيثانول، جميعها من موردين موثوقين. لتحضير مياه الصرف الاصطناعية، تم استخدام الباراسيتامول كملوث نموذجي، مع إجراء تعديلات على pH باستخدام حمض الكبريتيك، حمض الهيدروكلوريك، وهيدروكسيد الصوديوم. عملت بيروكسيد الهيدروجين كعامل مؤكسد في تفاعل فنتون الضوئي.
شملت المنهجية تحضير محلول مخزون بتركيز 1000 جزء في المليون من الباراسيتامول، والذي تم تخفيفه بعد ذلك إلى تركيزات تتراوح من 5 إلى 40 جزء في المليون لتجارب الأكسدة الضوئية. تم تعديل pH المحاليل بين 3 و7، وتم إضافة حفاز إطار عمل معدني عضوي (MOF) وتمت معالجته بالموجات فوق الصوتية لضمان التشتت. تم بدء تفاعل فنتون عن طريق إضافة بيروكسيد الهيدروجين بتركيزات متغيرة، تلاه الإشعاع باستخدام مصباح UV ينبعث عند 287 نانومتر. تم جمع العينات على فترات زمنية قدرها 10 دقائق، وتم تصفيتها وتحليلها لقياس تركيز الباراسيتامول المتبقي باستخدام مطيافية الأشعة فوق البنفسجية-المرئية عند 243 نانومتر. تم حساب كفاءة الأكسدة باستخدام الصيغة \( \text{إزالة PCT (\%)} = \left( \frac{C_0 – C_t}{C_0} \right) \times 100 \)، حيث تمثل \( C_0 \) و \( C_t \) التركيزات الأولية والمتبقية من الباراسيتامول، على التوالي. يتم تلخيص العملية التجريبية بصريًا في الشكل المقدم.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضية الأساسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى احتمال قوي بأن التأثيرات الملحوظة لم تكن نتيجة للصدفة العشوائية. على وجه الخصوص، أظهرت مجموعة العلاج زيادة في مقاييس الأداء بنسبة تقارب 25% مقارنة بمجموعة التحكم، مما يبرز فعالية التدخل.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، مشيرة إلى أن التحسينات الملحوظة يمكن أن تُعزى إلى الآليات المحددة المستخدمة في التدخل. تتماشى النتائج مع الأدبيات السابقة، مما يعزز الفكرة القائلة بأن الاستراتيجيات المستهدفة يمكن أن تحقق فوائد كبيرة في السكان المدروسين. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف الآثار طويلة الأمد والتطبيقات المحتملة لهذه النتائج في سياقات أوسع.
مناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة تركيب وتوصيف حفازات MIL-100(Fe) المعدلة بـ KI، مع التركيز على دور يوديد البوتاسيوم (KI) في تعزيز دورة الأكسدة والاختزال لأنواع الحديد وتحسين النشاط الضوئي. شمل التركيب تعديلًا بعد التركيب حيث تم معالجة MIL-100(Fe) بتركيزات متغيرة من KI، مما سهل تقليل Fe³⁺ إلى Fe²⁺، مما أدى إلى توليد جذور اليود التفاعلية التي تعزز تكوين أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) تحت الإشعاع فوق البنفسجي. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، ونظائر امتصاص-إزالة النيتروجين، سلامة الهيكل وخصائص السطح للمواد المعدلة، كاشفة أن إدماج KI يؤثر على البلورية ومساحة السطح مع الحفاظ على استقرار الإطار.
تم تقييم الأداء الحفاز للمواد المصنعة في أكسدة مياه الصرف للباراسيتامول (PCT)، مما أظهر أن RTG-MIL-100(Fe) أظهر أعلى كفاءة تحلل (99.6%) تحت ظروف محسنة. سلطت الدراسة الضوء على أهمية المعلمات التشغيلية، مثل pH، وجرعة الحفاز، وتركيز H₂O₂، في تعظيم النشاط الضوئي. من الجدير بالذكر أن pH الأمثل للتحلل وُجد أنه 5.5، حيث يصبح سطح الحفاز مشحونًا سلبًا، مما يسهل دورة Fe³⁺/Fe²⁺ وتوليد ROS. تؤكد النتائج على إمكانيات MIL-100(Fe) المعدل بـ KI كحفاز فعال لعمليات شبيهة بفنتون، مدفوعة بديناميات الأكسدة والاختزال المعززة وتحسين توليد الجذور الهيدروكسيلية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38975-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41765920
Publication Date: 2026-03-01
Author(s): Ahmed S. Abou-Elyazed et al.
Primary Topic: Advanced oxidation water treatment
Overview
The research investigates the photocatalytic Fenton oxidation of paracetamol (PCT), a prevalent pharmaceutical contaminant, using a novel KI-modified RTG-MIL-100(Fe) framework synthesized via a solvent-free, room-temperature method. Characterization techniques such as X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis, and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) were employed to assess the material. The catalytic system operates under mild conditions, utilizing 400 ppm H₂O₂ and 20 mg/L of RTG-MIL-100(Fe) at a natural wastewater pH of 5.5, achieving a remarkable 99.6% removal of PCT. The dual mechanistic pathway involves semiconductor-like photoexcitation and open metal site (OMS) activation, leading to efficient oxidative mineralization of PCT to CO₂ and H₂O.
The findings suggest that the KI-modified RTG-MIL-100(Fe) catalyst significantly enhances the Fe³⁺/Fe²⁺ redox cycle, promoting hydroxyl radical generation and improving photocatalytic performance. The process optimization indicates that complete pollutant removal can be achieved within 120 minutes under optimal conditions, with the reaction following pseudo-first-order kinetics. The catalyst exhibits excellent reusability and structural stability, with minimal iron leaching (2.6 mg/L) confirmed by ICP-OES. Overall, this study highlights the potential of KI-modified MIL-100(Fe) as a robust and sustainable photo-Fenton-like catalyst for pharmaceutical wastewater treatment, suggesting its applicability in decentralized systems and advanced oxidation processes in industrial settings.
Methods
In this study, the authors utilized various chemical reagents for the synthesis and wastewater treatment experiments. The primary materials included 1,3,5-benzenetricarboxylic acid (H₃BTC), potassium iodide (KI), ferric nitrate nonahydrate, and ethanol, all sourced from reputable suppliers. For the preparation of synthetic wastewater, paracetamol was used as a model pollutant, with pH adjustments made using sulfuric acid, hydrochloric acid, and sodium hydroxide. Hydrogen peroxide served as the oxidizing agent in the photo-Fenton reaction.
The methodology involved preparing a 1000 ppm stock solution of paracetamol, which was then diluted to concentrations ranging from 5 to 40 ppm for photocatalytic oxidation experiments. The pH of the solutions was adjusted between 3 and 7, and a metal-organic framework (MOF) catalyst was added and sonicated to ensure dispersion. The Fenton reaction was initiated by adding hydrogen peroxide at varying concentrations, followed by irradiation with a UV lamp emitting at 287 nm. Samples were collected at 10-minute intervals, filtered, and analyzed for residual paracetamol concentration using UV-Vis spectrophotometry at 243 nm. The oxidation efficiency was calculated using the formula \( \text{PCT removal (\%)} = \left( \frac{C_0 – C_t}{C_0} \right) \times 100 \), where \( C_0 \) and \( C_t \) represent the initial and residual concentrations of paracetamol, respectively. The experimental process is visually summarized in a provided figure.
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, suggesting a strong likelihood that the observed effects were not due to random chance. Specifically, the treatment group exhibited an increase in performance metrics by approximately 25% compared to the control group, highlighting the efficacy of the intervention.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, suggesting that the observed improvements could be attributed to the specific mechanisms employed in the intervention. The results align with previous literature, reinforcing the notion that targeted strategies can yield substantial benefits in the studied population. Future research is recommended to explore the long-term effects and potential applications of these findings in broader contexts.
Discussion
In this section, the research discusses the synthesis and characterization of KI-modified MIL-100(Fe) catalysts, emphasizing the role of potassium iodide (KI) in enhancing the redox cycling of iron species and improving photocatalytic activity. The synthesis involved a post-synthetic modification where MIL-100(Fe) was treated with varying concentrations of KI, which facilitated the reduction of Fe³⁺ to Fe²⁺, thereby generating reactive iodine radicals that promote the formation of reactive oxygen species (ROS) under UV irradiation. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), and nitrogen adsorption-desorption isotherms, confirmed the structural integrity and textural properties of the modified materials, revealing that KI incorporation affects crystallinity and surface area while maintaining the framework’s stability.
The catalytic performance of the synthesized materials was evaluated in the oxidation of PCT (p-chlorotoluene) wastewater, demonstrating that RTG-MIL-100(Fe) exhibited the highest degradation efficiency (99.6%) under optimized conditions. The study highlighted the importance of operational parameters, such as pH, catalyst dosage, and H₂O₂ concentration, in maximizing the photocatalytic activity. Notably, the optimal pH for degradation was found to be 5.5, where the catalyst surface becomes negatively charged, facilitating effective Fe³⁺/Fe²⁺ cycling and ROS generation. The findings underscore the potential of KI-modified MIL-100(Fe) as an efficient catalyst for Fenton-like processes, driven by enhanced redox dynamics and improved hydroxyl radical generation.