Photodegradation of Antibiotics from Wastewater using TiO2 Nanoparticles prepared by a Green Synthesis Method using the Directing Agent PEG300

Abstract

This study aims to evaluate the photocatalytic efficiency of titanium dioxide nanoparticles (TiO₂ NPs) prepared using an environmentally friendly method for the degradation of pharmaceutical pollutants in wastewater, specifically antibiotics, into secondary compounds, TiO2 NPs were prepared using bioactive compounds from Swiss chard (Beta vulgaris subsp. cicla) leaf extract as reducing and stabilizing agents instead of harmful chemicals, and using polyethylene glycol 300 (PEG300) as a growth promoter for the nanoparticles. Biologically synthesized TiO2 NPs were characterized, and their surface, structural, and optical properties were analyzed using various analytical techniques. X-ray diffraction (XRD) results revealed a pure, highly crystalline anatase phase. The crystal particle size was calculated to be approximately 50 nanometers. Furthermore, Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy confirmed the presence of (Ti-O) bonds, and scanning electron microscopy (SEM) images revealed a porous nanostructure with slight agglomeration. On the other hand, photometric measurements using UV-Vis spectroscopy revealed a significant decrease in the photonic bandgap to 2.4 eV, confirming the success of the modification in shifting the catalyst’s response slightly toward the visible range. The catalytic efficiency of these particles was studied through the heterogeneous photocatalytic degradation of the antibiotics ciprofloxacin (CIP) and norfloxacin (NFL) at different pH levels over 120 minutes, during which they exhibited varying responses depending on the pH of the medium. The degradation efficiency of CIP reached its maximum value of 40.53% in an acidic medium (pH = 3), while NFL recorded the highest degradation efficiency of 33.08% in a basic medium (pH = 8). This average and variable performance in efficiency is attributed to the influence of the catalyst’s surface charge and zero-charge point, in addition to the kinetic limitations on catalyst diffusion resulting from the absence of mechanical agitation. These findings open up significant opportunities for establishing the appropriate hydrodynamic conditions and environment for photo-catalytic degradation processes, as well as for extending the duration of the process to improve wastewater treatment in the future.

تهدف هذه الدراسة إلى تقييم كفاءة التحفيز الضوئي لجسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية (TiO2 NPs) المحضرة بطريقة صديقة للبيئة، وذلك لتفكيك الملوثات الصيدلانية في مياه الصرف الصحي وتحديدا المضادات الحيوية إلى مركبات ثانوية، حيث تم تحضير جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية باستخدام المركبات الحيوية لمستخلص أوراق نبات السلق (Beta vulgaris subsp.cicla) كعوامل اختزال وتثبيت بدلا من المواد الكيميائية الضارة، وباستخدام البوليمر بولي إيثيلين غليكول 300 (PEG300) كعامل موجه لنمو الجسيمات النانوية. تم تشخيص جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية المصنعة حيويا وتحليل خصائصها السطحية والبنيوية والضوئية باستخدام تقنيات تحليل مختلفة، حيث أظهرت نتائج تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) تشكلا نقيا لطور الأناتاز ذو التبلور العالي، كما تم حساب حجم الحبيبات البلورية والذي قدر بحوالي 50 نانومتر. كما أكدت نتائج مطيافية الأشعة تحت الحمراء (FTIR) ظهور روابط (Ti-O)، وبينت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) بنية نانوية مسامية بتكتل بسيط. من جهة أخرى، كشفت القياسات الضوئية بمطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية (UV-Vis) عن انخفاض ملحوظ في فجوة الطاقة الضوئية لتصل إلى 2.4 إلكترون فولط، مما يؤكد نجاح التعديل في إزاحة إستجابة المحفز نحو النطاق المرئي قليلا. تمت دراسة الكفاءة التحفيزية لهذه الجسيمات من خلال عملية التحفيز الضوئي الغير متجانس للمضادين الحيويين السيبروفلوكساسين (CIP) والنورفلوكساسين (NFL) في درجات حموضة مختلفة مدة 120 دقيقة، حيث أظهرا إستجابة متباينة وفق درجة حموضة الوسط، فقد بلغت كفاءة تحلل السيبروفلوكساسين قيمتها القصوى بنسبة 40.53% عند الوسط الحمضي (pH = 3)، بينما سجل النورفلوكساسين أعلى كفاءة تحلل بنسبة 33.08% عند الوسط القاعدي (pH = 8). يعود هذا الأداء المتوسط والمتباين في الكفاءة إلى تأثير شحنة السطح ونقطة الشحنة الصفرية للمحفز، بالإضافة إلى القيود الحركية لانتشار المحفز الناتجة عن غياب التحريك الميكانيكي. تفتح هذه النتائج آفاقا هامة لتبني الشروط الهيدروديناميكية والبيئة المناسبة لعمليات التحلل الضوئي المحفَّز وكذا إطالة وقت العملية لتحسين معالجة مياه الصرف مستقبلا.