Дзякуй за наведванне сайта Nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем адлюстроўваць сайт без стыляў і JavaScript.
У гэтай працы кампазіты rGO/nZVI былі ўпершыню сінтэзаваны з выкарыстаннем простай і экалагічна чыстай працэдуры з выкарыстаннем экстракта лісця сафоры жаўтлявай у якасці аднаўляльніка і стабілізатара ў адпаведнасці з прынцыпамі «зялёнай» хіміі, такімі як менш шкодны хімічны сінтэз. Для пацверджання паспяховага сінтэзу кампазітаў было выкарыстана некалькі інструментаў, такіх як SEM, EDX, XPS, XRD, FTIR і дзета-патэнцыял, якія сведчаць аб паспяховым вырабе кампазіта. Здольнасць новых кампазітаў да выдалення і чыстага nZVI пры розных пачатковых канцэнтрацыях антыбіётыка доксіцыкліну была параўнана для вывучэння сінергічнага эфекту паміж rGO і nZVI. Пры ўмовах выдалення 25 мг/л, 25°C і 0,05 г хуткасць адсарбцыйнага выдалення чыстага nZVI склала 90%, у той час як хуткасць адсарбцыйнага выдалення доксіцыкліну кампазітам rGO/nZVI дасягнула 94,6%, што пацвярджае сувязь nZVI і rGO. Працэс адсорбцыі адпавядае псеўдадругому парадку і добра адпавядае мадэлі Фрэйндліха з максімальнай адсорбцыйнай здольнасцю 31,61 мг г-1 пры 25 °C і pH 7. Быў прапанаваны слушны механізм выдалення DC. Акрамя таго, магчымасць паўторнага выкарыстання кампазіта rGO/nZVI склала 60% пасля шасці паслядоўных цыклаў рэгенерацыі.
Дэфіцыт вады і забруджванне яе зараз з'яўляюцца сур'ёзнай пагрозай для ўсіх краін. У апошнія гады забруджванне вады, асабліва забруджванне антыбіётыкамі, павялічылася з-за павелічэння вытворчасці і спажывання падчас пандэміі COVID-191,2,3. Таму распрацоўка эфектыўнай тэхналогіі ліквідацыі антыбіётыкаў у сцёкавых водах з'яўляецца актуальнай задачай.
Адным з устойлівых паўсінтэтычных антыбіётыкаў з групы тэтрацыкліну з'яўляецца доксіцыклін (ДК)4,5. Паведамлялася, што рэшткі ДК у падземных і паверхневых водах не метабалізуюцца, метаболізуецца толькі 20-50%, а астатняя частка трапляе ў навакольнае асяроддзе, выклікаючы сур'ёзныя праблемы для навакольнага асяроддзя і здароўя6.
Уздзеянне нізкага ўзроўню ДК можа забіць водныя фотасінтэзуючыя мікраарганізмы, пагражаць распаўсюджванню антымікробных бактэрый і павялічваць антымікробную ўстойлівасць, таму гэты забруджвальнік неабходна выдаляць са сцёкавых вод. Натуральнае раскладанне ДК у вадзе — вельмі павольны працэс. Фізіка-хімічныя працэсы, такія як фоталіз, біядэградацыя і адсорбцыя, могуць раскладацца толькі пры нізкіх канцэнтрацыях і з вельмі нізкай хуткасцю7,8. Аднак найбольш эканамічным, простым, экалагічна чыстым, лёгкім у выкарыстанні і эфектыўным метадам з'яўляецца адсорбцыя9,10.
Нананульвалентнае жалеза (nZVI) — вельмі магутны матэрыял, які можа выдаляць з вады многія антыбіётыкі, у тым ліку метранідазол, дыязепам, цыпрафлаксацын, хлорамфенікол і тэтрацыклін. Гэтая здольнасць абумоўлена дзіўнымі ўласцівасцямі nZVI, такімі як высокая рэакцыйная здольнасць, вялікая плошча паверхні і шматлікія знешнія цэнтры звязвання11. Аднак nZVI схільны да агрэгацыі ў водных асяроддзях з-за сіл Ван-дэр-Уэлса і высокіх магнітных уласцівасцей, што зніжае яго эфектыўнасць у выдаленні забруджвальных рэчываў з-за ўтварэння аксідных слаёў, якія інгібіруюць рэакцыйную здольнасць nZVI10,12. Агламерацыю часціц nZVI можна паменшыць, мадыфікуючы іх паверхні павярхоўна-актыўнымі рэчывамі і палімерамі або спалучаючы іх з іншымі нанаматэрыяламі ў выглядзе кампазітаў, што аказалася жыццяздольным падыходам да паляпшэння іх стабільнасці ў навакольным асяроддзі13,14.
Графен — гэта двухмерны вугляродны нанаматэрыял, які складаецца з sp2-гібрыдызаваных атамаў вугляроду, размешчаных у выглядзе сотападобнай рашоткі. Ён мае вялікую плошчу паверхні, значную механічную трываласць, выдатную электракаталітычную актыўнасць, высокую цеплаправоднасць, хуткую рухомасць электронаў і прыдатны матэрыял-носьбіт для падтрымкі неарганічных наначасціц на сваёй паверхні. Спалучэнне металічных наначасціц і графена можа значна пераўзысці індывідуальныя перавагі кожнага матэрыялу і, дзякуючы сваім выдатным фізічным і хімічным уласцівасцям, забяспечыць аптымальнае размеркаванне наначасціц для больш эфектыўнай ачысткі вады15.
Раслінныя экстракты з'яўляюцца найлепшай альтэрнатывай шкодным хімічным аднаўляльнікам, якія звычайна выкарыстоўваюцца ў сінтэзе адноўленага аксіду графену (rGO) і nZVI, паколькі яны даступныя, нядорагія, аднаэтапныя, экалагічна бяспечныя і могуць выкарыстоўвацца ў якасці аднаўляльнікаў. Такія як флаваноіды і фенольныя злучэнні, таксама дзейнічаюць як стабілізатар. Таму ў гэтым даследаванні экстракт лісця Atriplex halimus L. быў выкарыстаны ў якасці аднаўляльнага і зачыняльнага агента для сінтэзу кампазітаў rGO/nZVI. Atriplex halimus з сямейства Amaranthaceae - гэта азоталюбівы шматгадовы хмызняк з шырокім геаграфічным арэалам16.
Згодна з даступнай літаратурай, Atriplex halimus (A. halimus) упершыню быў выкарыстаны для стварэння кампазітаў rGO/nZVI як эканамічны і экалагічна чысты метад сінтэзу. Такім чынам, мэта гэтай працы складаецца з чатырох частак: (1) фітасінтэз кампазітаў rGO/nZVI і зыходных nZVI з выкарыстаннем экстракта водных лісця A. halimus, (2) характарыстыка фітасінтэзаваных кампазітаў з выкарыстаннем розных метадаў для пацверджання іх паспяховага вырабу, (3) вывучэнне сінергічнага эфекту rGO і nZVI ў адсорбцыі і выдаленні арганічных забруджванняў антыбіётыкамі доксіцыклінавага шэрагу пры розных параметрах рэакцыі, аптымізацыя ўмоў працэсу адсорбцыі, (3) даследаванне кампазітных матэрыялаў у розных бесперапынных апрацоўках пасля цыкла апрацоўкі.
Гідрахларыд доксіцыкліну (DC, MM = 480,90, хімічная формула C22H24N2O·HCl, 98%), гексагідрат хларыду жалеза (FeCl3.6H2O, 97%), графітавы парашок, набыты ў Sigma-Aldrich, ЗША. Гідраксід натрыю (NaOH, 97%), этанол (C2H5OH, 99,9%) і саляная кіслата (HCl, 37%) былі набыты ў Merck, ЗША. NaCl, KCl, CaCl2, MnCl2 і MgCl2 былі набыты ў Tianjin Comio Chemical Reagent Co., Ltd. Усе рэагенты маюць высокую аналітычную чысціню. Для падрыхтоўкі ўсіх водных раствораў выкарыстоўвалася бідыстыляваная вада.
Тыповыя асобнікі A. halimus былі сабраны з іх натуральнага асяроддзя пражывання ў дэльце Ніла і на ўзбярэжжах Міжземнага мора Егіпта. Раслінны матэрыял быў сабраны ў адпаведнасці з дзеючымі нацыянальнымі і міжнароднымі рэкамендацыямі17. Прафесар Манал Фаўзі ідэнтыфікавала асобнікі раслін у адпаведнасці з Буласам18, а кафедра навук аб навакольным асяроддзі Александрыйскага ўніверсітэта дазваляе збор вывучаных відаў раслін у навуковых мэтах. Талоны на ўзоры захоўваюцца ў гербарыі Танцкага ўніверсітэта (TANE), талоны № 14 122–14 127, публічным гербарыі, які забяспечвае доступ да захоўваемых матэрыялаў. Акрамя таго, каб выдаліць пыл або бруд, лісце расліны разрэжце на дробныя кавалачкі, 3 разы прамыйце вадаправоднай і дыстыляванай вадой, а затым высушыце пры тэмпературы 50°C. Расліну здрабнілі, 5 г дробнага парашка апусцілі ў 100 мл дыстыляванай вады і перамешвалі пры тэмпературы 70°C на працягу 20 хвілін для атрымання экстракта. Атрыманы экстракт Bacillus nicotianae фільтравалі праз фільтравальную паперу Ватмана і захоўвалі ў чыстых і стэрылізаваных прабірках пры тэмпературы 4°C для далейшага выкарыстання.
Як паказана на малюнку 1, графітавы оксид (GO) быў выраблены з графітавага парашка мадыфікаваным метадам Хамерса. 10 мг парашка GO дыспергавалі ў 50 мл дэіянізаванай вады на працягу 30 хвілін пад уздзеяннем ультрагуку, а затым змешвалі 0,9 г FeCl3 і 2,9 г NaAc на працягу 60 хвілін. Да перамешанага раствора пры памешванні дадалі 20 мл экстракта лісця атрыплексу і пакінулі пры тэмпературы 80°C на 8 гадзін. Атрыманую чорную суспензію адфільтравалі. Падрыхтаваныя нанакампазіты прамылі этанолам і бідыстыляванай вадой, а затым высушылі ў вакуумнай печы пры тэмпературы 50°C на працягу 12 гадзін.
Схематычныя і лічбавыя фатаграфіі зялёнага сінтэзу комплексаў rGO/nZVI і nZVI і выдалення DC-антыбіётыкаў з забруджанай вады з выкарыстаннем экстракта Atriplex halimus.
Карацей кажучы, як паказана на мал. 1, 10 мл раствора хларыду жалеза, які змяшчае 0,05 М іёнаў Fe3+, дадавалі па кроплях да 20 мл раствора экстракта горкага лісця на працягу 60 хвілін пры ўмераным награванні і памешванні, а затым раствор цэнтрыфугавалі пры 14 000 абаротаў у хвіліну (Hermle, 15 000 абаротаў у хвіліну) на працягу 15 хвілін, каб атрымаць чорныя часціцы, якія затым прамывалі 3 разы этанолам і дыстыляванай вадой, а затым сушылі ў вакуумнай печы пры тэмпературы 60°C на працягу ночы.
Сінтэзаваныя раслінамі кампазіты rGO/nZVI і nZVI былі ахарактарызаваны з дапамогай УФ-бачнай спектраскапіі (спектрафатометры серыі T70/T80 УФ/бачнага выпраменьвання, PG Instruments Ltd, Вялікабрытанія) у дыяпазоне сканавання 200-800 нм. Для аналізу тапаграфіі і размеркавання памераў кампазітаў rGO/nZVI і nZVI выкарыстоўвалася ПЭМ-спектраскапія (JOEL, JEM-2100F, Японія, паскаральнае напружанне 200 кВ). Для ацэнкі функцыянальных груп, якія могуць удзельнічаць у раслінных экстрактах, адказных за працэс аднаўлення і стабілізацыі, была праведзена ІЧ-спектраскапія з пераўтварэннем Фур'е (спектрометр JASCO ў дыяпазоне 4000-600 см-1). Акрамя таго, для вывучэння паверхневага зарада сінтэзаваных нанаматэрыялаў выкарыстоўваўся аналізатар дзета-патэнцыялу (Zetasizer Nano ZS Malvern). Для рэнтгенаструктурных вымярэнняў парашкападобных нанаматэрыялаў выкарыстоўваўся рэнтгенаўскі дыфрактометр (X'PERT PRO, Нідэрланды), які працуе пры току (40 мА), напрузе (45 кВ) у дыяпазоне 2θ ад 20° да 80° і выпраменьванні CuKa1 (λ = 1,54056 Å). Энергетычна дысперсійны рэнтгенаўскі спектрометр (EDX) (мадэль JEOL JSM-IT100) адказваў за вывучэнне элементнага складу пры зборы манахраматычнага рэнтгенаўскага выпраменьвання AlK-α ад -10 да 1350 эВ на РФЭС, памер плямы 400 мкм K-ALPHA (Thermo Fisher Scientific, ЗША), энергія прапускання поўнага спектру складае 200 эВ, а вузкага спектру — 50 эВ. Парашковы ўзор прэсуецца на трымальнік для ўзору, які змяшчаецца ў вакуумную камеру. Спектр C1s выкарыстоўваўся ў якасці эталона пры 284,58 эВ для вызначэння энергіі сувязі.
Для праверкі эфектыўнасці сінтэзаваных нанакампазітаў rGO/nZVI ў выдаленні доксіцыкліну (ДК) з водных раствораў былі праведзены эксперыменты па адсорбцыі. Эксперыменты па адсорбцыі праводзіліся ў колбах Эрленмейера аб'ёмам 25 мл пры хуткасці качання 200 аб/мін на арбітальным шейкеры (Stuart, Orbital Shaker/SSL1) пры тэмпературы 298 K. Разводзілі маткавы раствор ДК (1000 ppm) бідыстыляванай вадой. Для ацэнкі ўплыву дозы rGO/nSVI на эфектыўнасць адсорбцыі да 20 мл раствора ДК дадавалі нанакампазіты рознай вагі (0,01–0,07 г). Для вывучэння кінетыкі і ізатэрм адсорбцыі 0,05 г адсарбенту апускалі ў водны раствор CD з пачатковай канцэнтрацыяй (25–100 мг/л). Уплыў pH на выдаленне ДК вывучалі пры pH (3–11) і пачатковай канцэнтрацыі 50 мг/л пры тэмпературы 25°C. Адрэгулюйце pH сістэмы, дадаўшы невялікую колькасць раствора HCl або NaOH (рН-метр Crison, pH-метр, pH 25). Акрамя таго, даследаваўся ўплыў тэмпературы рэакцыі на эксперыменты па адсорбцыі ў дыяпазоне 25-55°C. Уплыў іённай сілы на працэс адсорбцыі вывучаўся шляхам дадання розных канцэнтрацый NaCl (0,01–4 моль/л) пры пачатковай канцэнтрацыі DC 50 мг/л, pH 3 і 7, 25°C і дозе адсарбенту 0,05 г. Адсорбцыю неадсарбаванага DC вымяралі з дапамогай двухпрамянёвага УФ-бачнага спектрафатометра (серыя T70/T80, PG Instruments Ltd, Вялікабрытанія), абсталяванага кварцавымі кюветамі з даўжынёй шляху 1,0 см пры максімальных даўжынях хваль (λmax) 270 і 350 нм. Працэнт выдалення антыбіётыкаў DC (R%; раўнанне 1) і колькасць адсарбаванага DC, qt, раўнанне... 2 (мг/г) вымяралі з выкарыстаннем наступнага ўраўнення.
дзе %R — ёмістасць выдалення пастаянных рэчываў (%), Co — пачатковая канцэнтрацыя пастаянных рэчываў у момант часу 0, а C — канцэнтрацыя пастаянных рэчываў у момант часу t адпаведна (мг/л).
дзе qe — колькасць DC, адсарбаванага на адзінку масы адсарбенту (мг г-1), Co і Ce — канцэнтрацыі ў нулявы момант часу і ў раўнавазе адпаведна (мг л-1), V — аб'ём раствора (л), а m — маса адсарбцыйнага рэагента (г).
На SEM-выявах (мал. 2A–C) паказана пласціністая марфалогія кампазіта rGO/nZVI са сферычнымі наначасціцамі жалеза, раўнамерна размеркаванымі па яго паверхні, што сведчыць аб паспяховым прымацаванні наначасціц nZVI да паверхні rGO. Акрамя таго, на лісці rGO ёсць некаторыя маршчыны, што пацвярджае выдаленне кіслародзмяшчальных груп адначасова з аднаўленнем GO A. halimus. Гэтыя буйныя маршчыны выступаюць у якасці месцаў для актыўнай загрузкі наначасціц жалеза. Выявы nZVI (мал. 2D-F) паказалі, што сферычныя наначасціцы жалеза былі вельмі раскіданыя і не агрэгавалі, што звязана з пакрыццёвай прыродай батанічных кампанентаў расліннага экстракта. Памер часціц вар'іраваў у межах 15–26 нм. Аднак некаторыя вобласці маюць мезапорыстаю марфалогію са структурай выпукласцяў і паражнін, што можа забяспечыць высокую эфектыўную адсарбцыйную здольнасць nZVI, паколькі яны могуць павялічыць магчымасць захопу малекул пастаяннага току на паверхні nZVI. Калі для сінтэзу nZVI выкарыстоўвалі экстракт дамаскай ружы, атрыманыя наначасціцы былі неаднароднымі, з пустэчамі і рознай формы, што зніжала іх эфектыўнасць адсорбцыі Cr(VI) і павялічвала час рэакцыі23. Вынікі адпавядаюць nZVI, сінтэзаванаму з лісця дуба і шаўкоўніцы, якія ў асноўным уяўляюць сабой сферычныя наначасціцы розных нанаметровых памераў без бачнай агламерацыі.
SEM-выявы кампазітаў rGO/nZVI (AC), nZVI (D, E) і EDX-дыяграмы кампазітаў nZVI/rGO (G) і nZVI (H).
Элементны склад сінтэзаваных раслінамі кампазітаў rGO/nZVI і nZVI быў вывучаны з дапамогай EDX (мал. 2G, H). Даследаванні паказваюць, што nZVI складаецца з вугляроду (38,29% па масе), кіслароду (47,41% па масе) і жалеза (11,84% па масе), але прысутнічаюць і іншыя элементы, такія як фосфар24, які можна атрымаць з раслінных экстрактаў. Акрамя таго, высокі працэнт вугляроду і кіслароду абумоўлены наяўнасцю фітахімічных рэчываў з раслінных экстрактаў у падземных узорах nZVI. Гэтыя элементы раўнамерна размеркаваны на rGO, але ў розных суадносінах: C (39,16% па масе %), O (46,98% па масе %) і Fe (10,99% па масе %). EDX rGO/nZVI таксама паказвае наяўнасць іншых элементаў, такіх як S, якія могуць быць звязаны з расліннымі экстрактамі. Бягучае суадносіны C:O і ўтрыманне жалеза ў кампазіце rGO/nZVI з выкарыстаннем A. halimus значна лепшыя, чым пры выкарыстанні экстракта лісця эўкаліпта, бо характарызуюць склад C (23,44 мас.%), O (68,29 мас.%) і Fe (8,27 мас.%). мас.%)25. Nataša et al., 2022 паведамілі пра падобны элементны склад nZVI, сінтэзаванага з лісця дуба і шаўкоўніцы, і пацвердзілі, што поліфенольныя групы і іншыя малекулы, якія змяшчаюцца ў экстракце лісця, адказваюць за працэс аднаўлення.
Марфалогія nZVI, сінтэзаванага ў раслінах (мал. S2A,B), была сферычнай і часткова няправільнай, са сярэднім памерам часціц 23,09 ± 3,54 нм, аднак назіраліся ланцуговыя агрэгаты з-за сіл Ван-дэр-Ваальса і ферамагнетызму. Гэтая пераважна грануляваная і сферычная форма часціц добра адпавядае вынікам SEM. Падобнае назіранне было выяўлена Абдэльфатахам і інш. у 2021 годзе, калі экстракт лісця клешчавіны быў выкарыстаны ў сінтэзе nZVI11. Наначасціцы экстракта лісця Ruelas tuberosa, якія выкарыстоўваюцца ў якасці аднаўляльніка ў nZVI, таксама маюць сферычную форму дыяметрам ад 20 да 40 нм26.
Гібрыдныя кампазітныя выявы rGO/nZVI, атрыманыя з дапамогай ПЭМ (мал. S2C-D), паказалі, што rGO — гэта базальная плоскасць з краявымі складкамі і маршчынамі, якія забяспечваюць некалькі месцаў загрузкі для наначасціц nZVI; гэтая пласціністая марфалогія таксама пацвярджае паспяховае вырабленне rGO. Акрамя таго, наначасціцы nZVI маюць сферычную форму з памерамі часціц ад 5,32 да 27 нм і ўбудаваны ў пласт rGO з амаль раўнамерным размеркаваннем. Для сінтэзу наначасціц жалеза/rGO выкарыстоўваўся экстракт лісця эўкаліпта; Вынікі ПЭМ таксама пацвердзілі, што маршчыны ў пласце rGO палепшылі дысперсію наначасціц жалеза больш, чым чыстых наначасціц жалеза, і павялічылі рэакцыйную здольнасць кампазітаў. Падобныя вынікі былі атрыманы Багеры і інш.28, калі кампазіт быў выраблены з выкарыстаннем ультрагукавых метадаў са сярэднім памерам наначасціц жалеза прыблізна 17,70 нм.
ІЧ-спектры FT-дыяпазону кампазітаў A. halimus, nZVI, GO, rGO і rGO/nZVI паказаны на мал. 3A. Прысутнасць паверхневых функцыянальных груп у лісці A. halimus з'яўляецца пры 3336 см-1, што адпавядае поліфенолам, і 1244 см-1, што адпавядае карбанільным групам, якія ўтвараюцца бялком. Таксама назіраліся іншыя групы, такія як алканы пры 2918 см-1, алкены пры 1647 см-1 і пашырэнні CO-O-CO пры 1030 см-1, што сведчыць аб наяўнасці раслінных кампанентаў, якія дзейнічаюць як герметызатары і адказваюць за аднаўленне Fe2+ да Fe0 і GO да rGO29. У цэлым, спектры nZVI паказваюць тыя ж пікі паглынання, што і горкія цукры, але з нязначным зрушэннем становішча. Інтэнсіўная паласа з'яўляецца пры 3244 см-1, звязаная з валентнымі ваганнямі OH (фенолы), пік пры 1615 адпавядае C=C, а палосы пры 1546 і 1011 см-1 узнікаюць з-за расцяжэння C=O (поліфенолы і флаваноіды), CN-групы араматычных амінаў і аліфатычных амінаў таксама назіраліся пры 1310 см-1 і 1190 см-1 адпаведна13. ІЧ-спектр FTEA GO паказвае наяўнасць многіх высокаінтэнсіўных кіслародзмяшчальных груп, у тым ліку валентнай паласы алкоксі (CO) пры 1041 см-1, валентнай паласы эпоксіднай (CO) групы пры 1291 см-1, расцяжэння C=O. З'явілася паласа валентных ваганняў C=C пры 1619 см-1, паласа пры 1708 см-1 і шырокая паласа валентных ваганняў OH групы пры 3384 см-1, што пацвярджаецца ўдасканаленым метадам Хамерса, які паспяхова акісляе графіт. Пры параўнанні кампазітаў rGO і rGO/nZVI са спектрамі GO інтэнсіўнасць некаторых кіслародзмяшчальных груп, такіх як OH пры 3270 см-1, значна зніжаецца, у той час як іншыя, такія як C=O пры 1729 см-1, цалкам знікаюць, што сведчыць аб паспяховым выдаленні кіслародзмяшчальных функцыянальных груп у GO экстрактам A. halimus. Новыя рэзкія характэрныя пікі rGO пры напружанні C=C назіраюцца каля 1560 і 1405 см-1, што пацвярджае аднаўленне GO да rGO. Назіраліся варыяцыі ад 1043 да 1015 см-1 і ад 982 да 918 см-1, магчыма, з-за ўключэння расліннага матэрыялу31,32. Weng et al., 2018 таксама назіралі значнае аслабленне кіслародзмяшчальных функцыянальных груп у GO, што пацвярджае паспяховае ўтварэнне rGO шляхам біярэдукцыі, паколькі экстракты лісця эўкаліпта, якія выкарыстоўваліся для сінтэзу кампазітаў на аснове адноўленага аксіду жалеза-графену, паказалі больш блізкія FTIR-спектры функцыянальных груп раслінных кампанентаў. 33.
А. Спектр ІЧ-спектраскапіі галію, nZVI, rGO, GO, кампазіта rGO/nZVI (A). Рэнтгенаграма кампазітаў rGO, GO, nZVI і rGO/nZVI (B).
Утварэнне кампазітаў rGO/nZVI і nZVI было ў значнай ступені пацверджана рэнтгенаструктурнымі дадзенымі (мал. 3B). Высокаінтэнсіўны пік Fe0 назіраўся пры 2Ɵ 44,5°, што адпавядае індэксу (110) (JCPDS № 06–0696)11. Іншы пік пры 35,1° плоскасці (311) адносіцца да магнетыту Fe3O4, 63,2° можа быць звязаны з індэксам Мілера плоскасці (440) з-за прысутнасці ϒ-FeOOH (JCPDS № 17-0536)34. Рэнтгенаструктурны аналіз GO паказвае востры пік пры 2Ɵ 10,3° і яшчэ адзін пік пры 21,1°, што сведчыць аб поўным адслаенні графіту і падкрэслівае прысутнасць кіслародзмяшчальных груп на паверхні GO35. На кампазітных дынаміках rGO і rGO/nZVI назіралася знікненне характэрных пікаў GO і ўтварэнне шырокіх пікаў rGO пры 2Ɵ 22,17 і 24,7° для кампазітаў rGO і rGO/nZVI адпаведна, што пацвердзіла паспяховае вылучэнне GO расліннымі экстрактамі. Аднак на кампазітнай дынаміцы rGO/nZVI назіраліся дадатковыя пікі, звязаныя з плоскасцю рашоткі Fe0 (110) і ОЦК Fe0 (200), пры 44,9 і 65,22 адпаведна.
Дзета-патэнцыял — гэта патэнцыял паміж іонным пластом, прымацаваным да паверхні часціцы, і водным растворам, які вызначае электрастатычныя ўласцівасці матэрыялу і вымярае яго стабільнасць37. Аналіз дзета-патэнцыялу раслінных кампазітаў nZVI, GO і rGO/nZVI паказаў іх стабільнасць з-за наяўнасці адмоўных зарадаў -20,8, -22 і -27,4 мВ адпаведна на іх паверхні, як паказана на малюнку S1A-C. Такія вынікі адпавядаюць некалькім паведамленням, у якіх згадваецца, што растворы, якія змяшчаюць часціцы са значэннямі дзета-патэнцыялу менш за -25 мВ, звычайна паказваюць высокую ступень стабільнасці з-за электрастатычнага адштурхвання паміж гэтымі часціцамі. Спалучэнне rGO і nZVI дазваляе кампазіту набываць больш адмоўных зарадаў і, такім чынам, мае больш высокую стабільнасць, чым GO або nZVI паасобку. Такім чынам, з'ява электрастатычнага адштурхвання прывядзе да ўтварэння стабільных кампазітаў rGO/nZVI39. Адмоўная паверхня GO дазваляе яму раўнамерна дыспергаваць у водным асяроддзі без агламерацыі, што стварае спрыяльныя ўмовы для ўзаемадзеяння з nZVI. Адмоўны зарад можа быць звязаны з наяўнасцю розных функцыянальных груп у экстракце горкай дыні, што таксама пацвярджае ўзаемадзеянне паміж GO і папярэднікамі жалеза і раслінным экстрактам з утварэннем rGO і nZVI адпаведна, а таксама комплексу rGO/nZVI. Гэтыя раслінныя злучэнні таксама могуць выступаць у якасці агентаў, якія пакрываюць структуру, бо яны прадухіляюць агрэгацыю атрыманых наначасціц і тым самым павялічваюць іх стабільнасць40.
Элементны склад і валентныя станы кампазітаў nZVI і rGO/nZVI былі вызначаны метадам рэнтгенаўскай спектраскапіі (мал. 4). Агульнае даследаванне рэнтгенаўскай спектраскапіі паказала, што кампазіт rGO/nZVI ў асноўным складаецца з элементаў C, O і Fe, што адпавядае картаграфаванню EDS (мал. 4F–H). Спектр C1s складаецца з трох пікаў пры 284,59 эВ, 286,21 эВ і 288,21 эВ, якія прадстаўляюць CC, CO і C=O адпаведна. Спектр O1s быў падзелены на тры пікі, у тым ліку 531,17 эВ, 532,97 эВ і 535,45 эВ, якія былі аднесены да груп O=CO, CO і NO адпаведна. Аднак пікі пры 710,43, 714,57 і 724,79 эВ адносяцца да Fe2p3/2, Fe+3 і Fep1/2 адпаведна. У спектрах РФЭС nZVI (мал. 4C-E) назіраліся пікі для элементаў C, O і Fe. Пікі пры 284,77, 286,25 і 287,62 эВ пацвярджаюць наяўнасць жалеза-вугляродных сплаваў, паколькі яны адносяцца да CC, C-OH і CO адпаведна. Спектр O1s адпавядаў тром пікам: C–O/карбанат жалеза (531,19 эВ), гідраксільны радыкал (532,4 эВ) і O–C=O (533,47 эВ). Пік пры 719,6 адносіцца да Fe0, у той час як FeOOH паказвае пікі пры 717,3 і 723,7 эВ, акрамя таго, пік пры 725,8 эВ сведчыць аб наяўнасці Fe2O342,43.
Рэнтгенафатавая спектраскапія (РФЭС) кампазітаў nZVI і rGO/nZVI адпаведна (A, B). Поўныя спектры nZVI C1s (C), Fe2p (D) і O1s (E) і кампазіта rGO/nZVI C1s (F), Fe2p (G), O1s (H).
Ізатэрма адсорбцыі/дэсорбцыі N2 (мал. 5A, B) паказвае, што кампазіты nZVI і rGO/nZVI належаць да тыпу II. Акрамя таго, удзельная плошча паверхні (SBET) nZVI павялічылася з 47,4549 да 152,52 м2/г пасля асляплення rGO. Гэты вынік можна растлумачыць зніжэннем магнітных уласцівасцей nZVI пасля асляплення rGO, што змяншае агрэгацыю часціц і павялічвае плошчу паверхні кампазітаў. Акрамя таго, як паказана на мал. 5C, аб'ём пор (8,94 нм) кампазіта rGO/nZVI вышэйшы, чым у зыходнага nZVI (2,873 нм). Гэты вынік адпавядае вынікам Эль-Монаема і інш.45.
Каб ацаніць адсарбцыйную здольнасць кампазітаў rGO/nZVI і зыходнага nZVI па выдаленні DC у залежнасці ад павелічэння пачатковай канцэнтрацыі, было праведзена параўнанне шляхам дадання пастаяннай дозы кожнага адсарбенту (0,05 г) да DC пры розных пачатковых канцэнтрацыях. Даследаваны раствор [25]. –100 мг л–1] пры 25°C. Вынікі паказалі, што эфектыўнасць выдалення (94,6%) кампазіта rGO/nZVI была вышэйшай, чым у зыходнага nZVI (90%) пры больш нізкай канцэнтрацыі (25 мг л–1). Аднак, калі пачатковая канцэнтрацыя была павялічана да 100 мг л–1, эфектыўнасць выдалення rGO/nZVI і зыходнага nZVI знізілася да 70% і 65% адпаведна (Малюнак 6А), што можа быць звязана з меншай колькасцю актыўных цэнтраў і дэградацыяй часціц nZVI. Наадварот, rGO/nZVI прадэманстравалі больш высокую эфектыўнасць выдалення DC, што можа быць звязана з сінергічным эфектам паміж rGO і nZVI, у якіх стабільныя актыўныя цэнтры, даступныя для адсорбцыі, значна вышэйшыя, і ў выпадку rGO/nZVI можа адсарбавацца больш DC, чым непашкоджанага nZVI. Акрамя таго, на мал. 6B паказана, што адсарбцыйная здольнасць кампазітаў rGO/nZVI і nZVI павялічылася з 9,4 мг/г да 30 мг/г і 9 мг/г адпаведна са павелічэннем пачатковай канцэнтрацыі з 25–100 мг/л. -1,1 да 28,73 мг/г. Такім чынам, хуткасць выдалення DC адмоўна карэлявала з пачатковай канцэнтрацыяй DC, што было звязана з абмежаванай колькасцю рэакцыйных цэнтраў, якія падтрымліваюцца кожным адсарбентам для адсорбцыі і выдалення DC у растворы. Такім чынам, з гэтых вынікаў можна зрабіць выснову, што кампазіты rGO/nZVI маюць больш высокую эфектыўнасць адсорбцыі і аднаўлення, і rGO ў складзе rGO/nZVI можа выкарыстоўвацца як у якасці адсарбенту, так і ў якасці матэрыялу-носьбіта.
Эфектыўнасць выдалення і здольнасць да адсарбцыі пастаянных рэчываў (DC) для кампазітаў rGO/nZVI і nZVI складалі (A, B) [Co = 25 мг л-1–100 мг л-1, T = 25 °C, доза = 0,05 г], pH — на здольнасць да адсарбцыі і эфектыўнасць выдалення пастаянных рэчываў на кампазітах rGO/nZVI (C) [Co = 50 мг л-1, pH = 3–11, T = 25 °C, доза = 0,05 г].
pH раствора з'яўляецца найважнейшым фактарам пры вывучэнні працэсаў адсарбцыі, паколькі ён уплывае на ступень іанізацыі, відаўтварэнне і іанізацыю адсарбенту. Эксперымент праводзіўся пры тэмпературы 25°C з пастаяннай дозай адсарбенту (0,05 г) і пачатковай канцэнтрацыяй 50 мг/л у дыяпазоне pH (3–11). Згодна з аглядам літаратуры46, DC — гэта амфіфільная малекула з некалькімі іянізуемымі функцыянальнымі групамі (фенолы, амінагрупы, спірты) пры розных узроўнях pH. У выніку, розныя функцыі DC і звязаныя з імі структуры на паверхні кампазіта rGO/nZVI могуць узаемадзейнічаць электрастатычна і могуць існаваць у выглядзе катыёнаў, цвітэрыёнаў і аніёнаў, прычым малекула DC існуе ў выглядзе катыённай (DCH3+) пры pH < 3,3, цвітэрыённай (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 і аніённай (DCH− або DC2−) пры pH 7,7. У выніку, розныя функцыі DC і звязаныя з імі структуры на паверхні кампазіта rGO/nZVI могуць узаемадзейнічаць электрастатычна і могуць існаваць у выглядзе катыёнаў, цвітэрыёнаў і аніёнаў, прычым малекула DC існуе ў выглядзе катыённай (DCH3+) пры pH < 3,3, цвітэрыённай (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 і аніённай (DCH- або DC2-) пры pH 7,7. У выніку розных функцый ДК і з улікам іх структуры на паверхні кампазіцыі rGO/nZVI могуць узаемадзейнічаць электрастатычна і могуць існаваць у выглядзе катыёнаў, цвітэр-іёнаў і аніёнаў, малела ДК існуе ў выглядзе катыёна (DCH3+) пры рН < 3,3, цвітэр-іённага (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 і аніённага (DCH- або DC2-) пры pH 7,7. У выніку розныя функцыі пастаяннага току і звязаныя з імі структуры на паверхні кампазіта rGO/nZVI могуць узаемадзейнічаць электрастатычна і існаваць у выглядзе катыёнаў, цвітэрыёнаў і аніёнаў; малекула пастаяннага току існуе ў выглядзе катыёна (DCH3+) пры pH < 3,3; іённага (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 і аніённага (DCH- або DC2-) пры pH 7,7.因此，DC 的各种功能和rGO/nZVI复合材料表面的相关结构可能会发生静电相互作用，并可能以阳离子、两性离子和阴离子的形式存在，DC分子在pH < 3,3 时以阳离子 (DCH3+) 的形式存在，两性离子(DCH20) 3,3 < pH < 7,7 和阴离子(DCH- 或DC2-) 在PH 7,7。因此 ， dc 的 种 功能 和 和 和 和 和 复合 材料 表面 的 相关 结构 可能 会 发生 静电相互 ， 并 可能 以 阳离子 两 性 和 阴离子 形式 ， ， dc 分子 在 pH <3,3 时 阳离子 阳离子阳离子 阳离子 阳离子 (dch3+)形式存在，两性离子(DCH20) 3,3 < pH < 7,7 和阴离子(DCH- 或DC2-) 在PH 7,7. Такім чынам, розныя функцыі ДК і іх роднасных структур на паверхні кампазіцыі rGO/nZVI могуць уступаць у электрастатычнае ўзаемадзеянне і існаваць у выглядзе катыёнаў, цвітэр-іёнаў і аніёнаў, а малелы ДК з'яўляюцца катыённымі (ДЦГ3+) пры рН < 3,3. Такім чынам, розныя функцыі пастаяннага току і звязаныя з імі структуры на паверхні кампазіта rGO/nZVI могуць уступаць у электрастатычныя ўзаемадзеянні і існаваць у выглядзе катыёнаў, цвітэрыёнаў і аніёнаў, у той час як малекулы пастаяннага току з'яўляюцца катыённымі (DCH3+) пры pH < 3,3. Ён існуе ў выглядзе цвітэр-іёна (DCH20) пры 3,3 < pH < 7,7 і аніёна (DCH- або DC2-) пры pH 7,7. Ён існуе ў выглядзе цвітэрыёна (DCH20) пры тэмпературы 3,3 < pH < 7,7 і аніёна (DCH- або DC2-) пры pH 7,7.З павелічэннем pH ад 3 да 7 адсарбцыйная здольнасць і эфектыўнасць выдалення DC павялічыліся з 11,2 мг/г (56%) да 17 мг/г (85%) (мал. 6C). Аднак, па меры павелічэння pH да 9 і 11, адсарбцыйная здольнасць і эфектыўнасць выдалення некалькі знізіліся, з 10,6 мг/г (53%) да 6 мг/г (30%) адпаведна. З павелічэннем pH ад 3 да 7 DC у асноўным існавалі ў выглядзе цвітэрыёнаў, што рабіла іх практычна неэлектрастатычна прыцягваемымі або адштурхоўваемымі кампазітамі rGO/nZVI, пераважна шляхам электрастатычнага ўзаемадзеяння. Па меры павышэння pH вышэй за 8,2 паверхня адсарбенту зараджалася адмоўна, такім чынам, адсарбцыйная здольнасць змяншалася і змяншалася з-за электрастатычнага адштурхвання паміж адмоўна зараджаным доксіцыклінам і паверхняй адсарбенту. Гэтая тэндэнцыя сведчыць аб тым, што адсорбцыя пастаяннага току на кампазітах rGO/nZVI моцна залежыць ад pH, і вынікі таксама паказваюць, што кампазіты rGO/nZVI падыходзяць у якасці адсарбентаў у кіслых і нейтральных умовах.
Уплыў тэмпературы на адсорбцыю воднага раствора DC праводзіўся пры тэмпературы (25–55°C). На малюнку 7A паказаны ўплыў павышэння тэмпературы на эфектыўнасць выдалення антыбіётыкаў DC з rGO/nZVI. Відавочна, што здольнасць да выдалення і здольнасць да адсорбцыі павялічыліся з 83,44% і 13,9 мг/г да 47% і 7,83 мг/г адпаведна. Гэта значнае зніжэнне можа быць звязана з павелічэннем цеплавой энергіі іонаў DC, што прыводзіць да дэсорбцыі47.
Уплыў тэмпературы на эфектыўнасць выдалення і адсарбцыйную здольнасць CD на кампазітах rGO/nZVI (A) [Co = 50 мг L–1, pH = 7, доза = 0,05 г], доза адсарбенту на эфектыўнасць выдалення і эфектыўнасць выдалення CD Уплыў пачатковай канцэнтрацыі на адсарбцыйную здольнасць і эфектыўнасць выдалення DC на кампазіце rGO/nSVI (B) [Co = 50 мг L–1, pH = 7, T = 25°C] (C, D) [Co = 25–100 мг L–1, pH = 7, T = 25°C, доза = 0,05 г].
Уплыў павелічэння дозы кампазітнага адсарбенту rGO/nZVI з 0,01 г да 0,07 г на эфектыўнасць выдалення і адсарбцыйную здольнасць паказаны на мал. 7B. Павелічэнне дозы адсарбенту прывяло да зніжэння адсарбцыйнай здольнасці з 33,43 мг/г да 6,74 мг/г. Аднак, з павелічэннем дозы адсарбенту з 0,01 г да 0,07 г, эфектыўнасць выдалення павялічваецца з 66,8% да 96%, што, адпаведна, можа быць звязана з павелічэннем колькасці актыўных цэнтраў на паверхні нанакампазіта.
Быў вывучаны ўплыў пачатковай канцэнтрацыі на адсарбцыйную здольнасць і эфектыўнасць выдалення [25–100 мг/л, 25°C, pH 7, доза 0,05 г]. Пры павелічэнні пачатковай канцэнтрацыі з 25 мг/л да 100 мг/л працэнт выдалення кампазіта rGO/nZVI знізіўся з 94,6% да 65% (мал. 7C), верагодна, з-за адсутнасці патрэбных актыўных цэнтраў. . Адсарбуе вялікія канцэнтрацыі DC49. З іншага боку, па меры павелічэння пачатковай канцэнтрацыі адсарбцыйная здольнасць таксама павялічвалася з 9,4 мг/г да 30 мг/г, пакуль не была дасягнута раўнавага (мал. 7D). Гэтая непазбежная рэакцыя абумоўлена павелічэннем рухаючай сілы пры пачатковай канцэнтрацыі пастаяннага току, якая перавышае супраціўленне масапераносу іонаў пастаяннага току для дасягнення паверхні 50 кампазіта rGO/nZVI.
Даследаванні часу кантакту і кінетыкі накіраваны на разуменне раўнаважнага часу адсорбцыі. Па-першае, колькасць DC, адсарбаванага на працягу першых 40 хвілін часу кантакту, складала прыблізна палову ад агульнай колькасці, адсарбаванай за ўвесь час (100 хвілін). Пры сутыкненні малекул DC у растворы яны хутка мігруюць да паверхні кампазіта rGO/nZVI, што прыводзіць да значнай адсорбцыі. Праз 40 хвілін адсорбцыя DC паступова і павольна павялічвалася, пакуль праз 60 хвілін не была дасягнута раўнавага (мал. 7D). Паколькі на працягу першых 40 хвілін адсарбуецца дастатковая колькасць, сутыкненняў з малекуламі DC будзе менш, і для неадсарбаваных малекул будзе даступна менш актыўных цэнтраў. Такім чынам, хуткасць адсорбцыі можа быць зніжана51.
Для лепшага разумення кінетыкі адсорбцыі былі выкарыстаны лінейныя графікі кінетычных мадэляў псеўдапершага парадку (мал. 8A), псеўдадругога парадку (мал. 8B) і Элавіча (мал. 8C). З параметраў, атрыманых у выніку кінетычных даследаванняў (табліца S1), становіцца зразумела, што псеўдадругая мадэль з'яўляецца найлепшай мадэллю для апісання кінетыкі адсорбцыі, дзе значэнне R2 усталявана вышэй, чым у дзвюх іншых мадэлях. Існуе таксама падабенства паміж разлічанымі адсорбцыйнымі ёмістасцямі (qe, кал). Псеўдадругі парадак і эксперыментальныя значэнні (qe, эксп.) з'яўляюцца дадатковым доказам таго, што псеўдадругі парадак з'яўляецца лепшай мадэллю, чым іншыя мадэлі. Як паказана ў табліцы 1, значэнні α (пачатковая хуткасць адсорбцыі) і β (канстанта дэсорбцыі) пацвярджаюць, што хуткасць адсорбцыі вышэйшая за хуткасць дэсорбцыі, што сведчыць аб тым, што DC мае тэндэнцыю эфектыўна адсарбавацца на кампазіце rGO/nZVI52.
Кінетычныя графікі лінейнай адсорбцыі псеўдадругога парадку (А), псеўдапершага парадку (Б) і Элавіча (С) [Co = 25–100 мг л–1, pH = 7, T = 25 °C, доза = 0,05 г].
Даследаванні ізатэрм адсорбцыі дапамагаюць вызначыць адсорбцыйную здольнасць адсарбенту (кампазіт RGO/nRVI) пры розных канцэнтрацыях адсарбату (DC) і тэмпературах сістэмы. Максімальная адсорбцыйная здольнасць была разлічана з выкарыстаннем ізатэрмы Ленгмюра, якая сведчыць аб тым, што адсорбцыя была аднароднай і ўключала ўтварэнне монаслоя адсарбату на паверхні адсарбента без узаемадзеяння паміж імі53. Дзве іншыя шырока выкарыстоўваныя мадэлі ізатэрм - гэта мадэлі Фрэйндліха і Тэмкіна. Нягледзячы на тое, што мадэль Фрэйндліха не выкарыстоўваецца для разліку адсорбцыйнай здольнасці, яна дапамагае зразумець гетэрагенны працэс адсорбцыі і тое, што вакансіі на адсарбенце маюць розную энергію, у той час як мадэль Тэмкіна дапамагае зразумець фізічныя і хімічныя ўласцівасці адсорбцыі54.
На малюнках 9A-C паказаны лінейныя графікі мадэляў Ленгмюра, Фрэйндліха і Тэмкіна адпаведна. Значэнні R2, разлічаныя па лінейных графіках Фрэйндліха (мал. 9A) і Ленгмюра (мал. 9B) і прадстаўленыя ў табліцы 2, паказваюць, што адсорбцыя пастаянным токам на кампазіце rGO/nZVI адпавядае мадэлям ізатэрм Фрэйндліха (0,996) і Ленгмюра (0,988) і Тэмкіна (0,985). Максімальная адсорбцыйная здольнасць (qmax), разлічаная з выкарыстаннем мадэлі ізатэрмы Ленгмюра, склала 31,61 мг/г. Акрамя таго, разлічанае значэнне бязразмернага каэфіцыента падзелу (RL) знаходзіцца паміж 0 і 1 (0,097), што сведчыць аб спрыяльным працэсе адсорбцыі. У адваротным выпадку разлічаная пастаянная Фрэйндліха (n = 2,756) паказвае на перавагу гэтага працэсу паглынання. Згодна з лінейнай мадэллю ізатэрмы Тэмкіна (мал. 9C), адсорбцыя DC на кампазіце rGO/nZVI з'яўляецца працэсам фізічнай адсорбцыі, паколькі b складае ˂ 82 кДж/моль-1 (0,408)55. Нягледзячы на тое, што фізічная адсорбцыя звычайна апасродкавана слабымі сіламі Ван-дэр-Ваальса, адсорбцыя пастаянным токам на кампазітах rGO/nZVI патрабуе нізкіх энергій адсорбцыі [56, 57].
Лінейныя ізатэрмы адсорбцыі Фрэйндліха (A), Ленгмюра (B) і Тэмкіна (C) [Co = 25–100 мг/л, pH = 7, T = 25 °C, доза = 0,05 г]. Графік ураўнення Вант-Гофа для адсорбцыі пастаяннага току кампазітамі rGO/nZVI (D) [Co = 25–100 мг/л, pH = 7, T = 25–55 °C і доза = 0,05 г].
Для ацэнкі ўплыву змены тэмпературы рэакцыі на выдаленне пастаяннага току з кампазітаў rGO/nZVI былі разлічаны тэрмадынамічныя параметры, такія як змяненне энтрапіі (ΔS), змяненне энтальпіі (ΔH) і змяненне свабоднай энергіі (ΔG), з дапамогай ураўненняў 3 і 458.
дзе \({K}_{e}\)=\(\frac{{C}_{Ae}}{{C}_{e}}\) – канстанта тэрмадынамічнай раўнавагі, Ce і CAe – канцэнтрацыі rGO ў растворы адпаведна /nZVI DC пры павярхоўнай раўнавазе. R і RT – газавая пастаянная і тэмпература адсорбцыі адпаведна. Пабудова графіка залежнасці ln Ke ад 1/T дае прамую лінію (мал. 9D), з якой можна вызначыць ∆S і ∆H.
Адмоўнае значэнне ΔH паказвае, што працэс экзатэрмічны. З іншага боку, значэнне ΔH знаходзіцца ў межах працэсу фізічнай адсорбцыі. Адмоўныя значэнні ΔG у табліцы 3 паказваюць, што адсорбцыя магчымая і адбываецца спантанна. Адмоўныя значэнні ΔS паказваюць на высокую ўпарадкаванасць малекул адсарбенту на мяжы вадкасці (табліца 3).
У табліцы 4 параўноўваюцца кампазіт rGO/nZVI з іншымі адсарбентамі, пра якія паведамлялася ў папярэдніх даследаваннях. Відавочна, што кампазіт VGO/nCVI мае высокую адсарбцыйную здольнасць і можа быць перспектыўным матэрыялам для выдалення DC-антыбіётыкаў з вады. Акрамя таго, адсорбцыя кампазітаў rGO/nZVI - гэта хуткі працэс з часам усталявання раўнавагі 60 хвілін. Выдатныя адсарбцыйныя ўласцівасці кампазітаў rGO/nZVI можна растлумачыць сінергічным эфектам rGO і nZVI.
На малюнках 10A, B паказаны рацыянальны механізм выдалення антыбіётыкаў DC комплексамі rGO/nZVI і nZVI. Згодна з вынікамі эксперыментаў па ўплыве pH на эфектыўнасць адсорбцыі DC, пры павелічэнні pH ад 3 да 7 адсорбцыя DC на кампазіце rGO/nZVI не кантралявалася электрастатычнымі ўзаемадзеяннямі, паколькі ён дзейнічаў як цвітэрыён; такім чынам, змена значэння pH не ўплывала на працэс адсорбцыі. Пасля гэтага механізм адсорбцыі можа кантралявацца неэлектрастатычнымі ўзаемадзеяннямі, такімі як вадародныя сувязі, гідрафобныя эфекты і π-π стэкінг-узаемадзеянні паміж кампазітам rGO/nZVI і DC66. Добра вядома, што механізм араматычных адсарбатаў на паверхнях слаістага графена быў растлумачаны π–π стэкінг-узаемадзеяннямі як асноўнай рухаючай сілай. Кампазіт - гэта слаісты матэрыял, падобны да графена, з максімумам паглынання пры 233 нм з-за π-π* пераходу. Зыходзячы з наяўнасці чатырох араматычных кольцаў у малекулярнай структуры адсарбату пастаяннага току, мы выказалі гіпотэзу аб існаванні механізму π-π-стэкінг-узаемадзеяння паміж араматычным пастаяннага току (π-акцэптарам электронаў) і вобласцю, багатай на π-электроны, на паверхні RGO. /nZVI кампазіты. Акрамя таго, як паказана на мал. 10B, былі праведзены даследаванні з выкарыстаннем ІЧ-спектраскапіі з пераўтварэннем Фур'е для вывучэння малекулярнага ўзаемадзеяння кампазітаў rGO/nZVI з пастаянным токам, і спектры ІЧ-спектраскапіі кампазітаў rGO/nZVI пасля адсорбцыі пастаянным токам паказаны на мал. 10B. 10b. Новы пік назіраецца пры 2111 см-1, які адпавядае ваганням каркаса сувязі C=C, што сведчыць аб наяўнасці адпаведных арганічных функцыянальных груп на паверхні 67 rGO/nZVI. Іншыя пікі зрушваюцца з 1561 да 1548 см-1 і з 1399 да 1360 см-1, што таксама пацвярджае, што π-π узаемадзеянні гуляюць важную ролю ў адсорбцыі графена і арганічных забруджвальнікаў68,69. Пасля адсорбцыі пастаянным токам інтэнсіўнасць некаторых кіслародзмяшчальных груп, такіх як OH, зніжаецца да 3270 см-1, што сведчыць аб тым, што вадародныя сувязі з'яўляюцца адным з механізмаў адсорбцыі. Такім чынам, зыходзячы з вынікаў, адсорбцыя пастаянным токам на кампазіце rGO/nZVI адбываецца ў асноўным за кошт π-π стэкінгавых узаемадзеянняў і вадародных сувязей.
Рацыянальны механізм адсорбцыі антыбіётыкаў DC комплексамі rGO/nZVI і nZVI (A). Спектры адсорбцыі DC з ІЧ-Фур'е на rGO/nZVI і nZVI (B).
Інтэнсіўнасць палос паглынання nZVI пры 3244, 1615, 1546 і 1011 см–1 павялічылася пасля адсорбцыі пастаянным токам на nZVI (мал. 10B) у параўнанні з nZVI, што павінна быць звязана з узаемадзеяннем з магчымымі функцыянальнымі групамі O-груп карбонавай кіслаты ў пастаянным току. Аднак гэты ніжэйшы працэнт прапускання ва ўсіх назіраных палосах сведчыць аб адсутнасці істотных змен у эфектыўнасці адсорбцыі фітасінтэтычнага адсарбенту (nZVI) у параўнанні з nZVI да працэсу адсорбцыі. Згодна з некаторымі даследаваннямі выдалення пастаяннага току з дапамогай nZVI71, калі nZVI рэагуе з H2O, вызваляюцца электроны, а затым H+ выкарыстоўваецца для атрымання высокааднаўляльнага актыўнага вадароду. Нарэшце, некаторыя катыённыя злучэнні прымаюць электроны ад актыўнага вадароду, што прыводзіць да -C=N і -C=C-, што тлумачыцца расшчапленнем бензольнага кольца.
Час публікацыі: 14 лістапада 2022 г.