Polyvinylpyrrolidone (PVP) Based metal oxide nanocomposite for removal of organic dyes: Molecular docking study

Abstract

This thesis explores the green synthesis, characterization, and environmental applications of polyvinylpyrrolidone (PVP)-based metal oxide nanocomposites for the effective removal of organic pollutants from aqueous media. The work is framed within the context of sustainable nanotechnology and focuses on multifunctional nanocomposite systems combining metal oxide nanoparticles with polymeric matrices to enhance photocatalytic, adsorptive, and catalytic performance. Four novel nanocomposite systems were developed and systematically investigated: 1. Mn₃O₄/PVP nanocomposites for sunlight-driven degradation of bromophenol blue and o-toluidine dyes. 2. MgO@SnO₂/PVP composites for the adsorption of heavy metals and contaminants from petroleum wastewater. 3. CuO/Ni/Fe₃O₄ nanocomposites synthesized using gallic acid for dual functionality in CO₂ methanation and photocatalytic hydrogen production. 4. NiO/Ni@PVA electrospun nanofibers for efficient soap extraction from crude biodiesel.

All nanomaterials were synthesized using eco-friendly routes, employing plant-based reducing agents and polymeric stabilizers. Structural, morphological, and surface properties were characterized using XRD, FTIR, SEM, BET, TGA, UV–Vis spectroscopy, and zeta potential analysis. The performance of the nanocomposites was evaluated through adsorption and photodegradation experiments under simulated and natural sunlight. Kinetic, isotherm, and thermodynamic models were applied to describe adsorption mechanisms, while molecular docking simulations were employed to visualize the interactions between dye molecules and the active surfaces of the composites at the molecular level. The results demonstrate the effectiveness of polymer-supported metal oxide nanocomposites in achieving high degradation and removal efficiencies, structural stability over multiple cycles, and enhanced environmental compatibility. This research provides valuable insights into the design of green nanomaterials for water treatment, energy recovery, and environmental remediation, contributing to the advancement of sustainable nanotechnology. تتناول هذه الأطروحة موضوع التخليق الأخضر، والتوصيف، والتطبيقات البيئية للمواد النانوية المركبة المكونة من أكاسيد المعادن المدعمة ببوليفينيل البيروليدون) ، (PVPبهدف إزالة الملوثات العضوية من المياه. يندرج هذا العمل ضمن إطار تكنولوجيا النانو المستدامة، ويركز على تطوير أنظمة نانوية متعددة الوظائف تجمع بين جسيمات أكاسيد المعادن ومصفوفات بوليمرية لتحسين الأداء التحفيزي الضوئي، والامتزازي، والتحفيزي. تم تطوير ودراسة أربع أنظمة نانوية مركبة مبتكرة: .1مركب Mn₃O₄/PVPلتحفيز تحلل أصباغ البروموفينول الأزرق و- oتوليدين تحت أشعة الشمس؛ .2مركب MgO@SnO₂/PVPلامتزاز المعادن الثقيلة والملوثات من مياه الصرف الصناعي البترولي؛ .3مركب CuO/Ni/Fe₃O₄المح ّضر بمساعدة حمض الغاليك، لتطبيق مزدوج في تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى الميثان وإنتاج الهيدروجين ضوئيًا؛ .4ألياف نانوية NiO/Ni@PVAالمنتجة بطريقة الغزل الكهربائي، لإزالة الصابون بكفاءة من وقود الديزل الحيوي الخام. تم تخليق جميع المواد باستخدام طرق صديقة للبيئة، معتمدة على مستخلصات نباتية كعوامل اختزال، وبوليمرات كمثبتات. تم توصيف الخصائص البنيوية والمورفولوجية والسطحية باستخدام تقنيات ، XRDو ،FTIRو،SEM و ،BETو ،TGAو ،UV-Visوقياس الجهد السطحي .) (Zeta potentialكما تم تقييم الأداء من خلال تجارب الامتزاز والتحلل الضوئي تحت ضوء الشمس الطبيعي والمحاكى، مع تطبيق نماذج حركية وحرارية وتوازنات امتزاز لفهم آليات التفاعل. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام المحاكاة الجزيئية ) (molecular dockingلدراسة التفاعلات بين جزيئات الصبغة والأسطح النانوية على المستوى الذري. أظهرت النتائج فعالية عالية في إزالة وتفكيك الملوثات، وثباتًا هيكليًا جي ًدا على مدى عدة دورات، وتوافقًا بيئيًا ممتا ًزا. يق ّدم هذا البحث رؤى علمية مهمة لتصميم مواد نانوية خضراء تُستخدم في معالجة المياه، وتحقيق استرداد للطاقة، وتحسين استراتيجيات المعالجة البيئية، مما يُسهم في تقدم تكنولوجيا النانو المستدامة.