Kiitos käynnistäsi Nature.com-sivustolla. Käyttämäsi selainversio tukee CSS:ää rajoitetusti. Parhaan käyttökokemuksen saavuttamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan yhteensopivuustilan käytöstä Internet Explorerissa). Sillä välin tuen jatkuvuuden varmistamiseksi renderöimme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Tässä työssä syntetisoitiin rGO/nZVI-komposiitteja ensimmäistä kertaa yksinkertaisella ja ympäristöystävällisellä menetelmällä käyttäen Sophora-keltaista lehtiuutetta pelkistävänä aineena ja stabilointiaineena "vihreän" kemian periaatteiden, kuten vähemmän haitallisen kemiallisen synteesin, noudattamiseksi. Komposiittien onnistuneen synteesin validointiin on käytetty useita työkaluja, kuten SEM, EDX, XPS, XRD, FTIR ja zeta-potentiaali, jotka osoittavat onnistuneen komposiittien valmistuksen. Uusien komposiittien ja puhtaan nZVI:n poistokykyä doksisykliini-antibiootin eri lähtöpitoisuuksilla verrattiin rGO:n ja nZVI:n välisen synergistisen vaikutuksen tutkimiseksi. Poisto-olosuhteissa 25 mg L-1, 25 °C ja 0,05 g puhtaan nZVI:n adsorptiivinen poistonopeus oli 90 %, kun taas rGO/nZVI-komposiitin doksisykliinin adsorptiivinen poistonopeus oli 94,6 %, mikä vahvistaa, että nZVI ja rGO... Adsorptioprosessi vastaa pseudo-toista kertalukua ja on hyvässä yhteensopivuudessa Freundlichin mallin kanssa, jonka maksimiadsorptiokapasiteetti on 31,61 mg g-1 25 °C:ssa ja pH-arvossa 7. DC:n poistamiseksi on ehdotettu järkevää mekanismia. Lisäksi rGO/nZVI-komposiitin uudelleenkäytettävyys oli 60 % kuuden peräkkäisen regenerointisyklin jälkeen.
Veden niukkuus ja saastuminen ovat nyt vakava uhka kaikille maille. Viime vuosina veden saastuminen, erityisesti antibioottisaastuminen, on lisääntynyt lisääntyneen tuotannon ja kulutuksen vuoksi COVID-19-pandemian aikana1,2,3. Siksi tehokkaan teknologian kehittäminen antibioottien poistamiseksi jätevedestä on kiireellinen tehtävä.
Yksi tetrasykliiniryhmän resistenteistä puolisynteettisistä antibiooteista on doksisykliini (DC)4,5. On raportoitu, että pohjavedessä ja pintavesissä olevia DC-jäämiä ei voida metaboloida, vain 20–50 % metaboloituu ja loput vapautuu ympäristöön aiheuttaen vakavia ympäristö- ja terveysongelmia6.
Altistuminen pieninä pitoisuuksina DC:lle voi tappaa vedessä fotosynteettisiä mikro-organismeja, uhata antimikrobisten bakteerien leviämistä ja lisätä mikrobilääkeresistenssiä, joten tämä epäpuhtaus on poistettava jätevedestä. DC:n luonnollinen hajoaminen vedessä on hyvin hidas prosessi. Fysikaalis-kemialliset prosessit, kuten fotolyysi, biohajoaminen ja adsorptio, voivat hajota vain pieninä pitoisuuksina ja hyvin hitaasti7,8. Edullisin, yksinkertaisin, ympäristöystävällisin, helppokäyttöisin ja tehokkain menetelmä on kuitenkin adsorptio9,10.
Nano-nollavalenttinen rauta (nZVI) on erittäin tehokas materiaali, joka pystyy poistamaan vedestä monia antibiootteja, mukaan lukien metronidatsolin, diatsepaamin, siprofloksasiinin, kloramfenikolin ja tetrasykliinin. Tämä kyky johtuu nZVI:n hämmästyttävistä ominaisuuksista, kuten korkeasta reaktiivisuudesta, suuresta pinta-alasta ja lukuisista ulkoisista sitoutumiskohdista11. NZVI on kuitenkin altis aggregaatiolle vesipitoisessa väliaineessa van der Wellsin voimien ja korkeiden magneettisten ominaisuuksien vuoksi, mikä heikentää sen tehokkuutta epäpuhtauksien poistamisessa oksidikerrosten muodostumisen vuoksi, jotka estävät nZVI:n reaktiivisuutta10,12. NZVI-hiukkasten agglomeraatiota voidaan vähentää modifioimalla niiden pintoja pinta-aktiivisilla aineilla ja polymeereillä tai yhdistämällä niitä muihin nanomateriaaleihin komposiittien muodossa, mikä on osoittautunut toimivaksi lähestymistavaksi niiden stabiilisuuden parantamiseksi ympäristössä13,14.
Grafeeni on kaksiulotteinen hiilinanomateriaali, joka koostuu hunajakennomaiseen hilaan järjestyneistä sp2-hybridisoituneista hiiliatomeista. Sillä on suuri pinta-ala, merkittävä mekaaninen lujuus, erinomainen sähkökatalyyttinen aktiivisuus, korkea lämmönjohtavuus, nopea elektronien liikkuvuus ja sopiva kantajamateriaali epäorgaanisten nanopartikkelien tukemiseksi pinnallaan. Metallinanopartikkeleiden ja grafeenin yhdistelmä voi ylittää huomattavasti kunkin materiaalin yksittäiset hyödyt ja ylivoimaisten fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksiensa ansiosta tarjota nanopartikkelien optimaalisen jakautumisen tehokkaampaa vedenkäsittelyä varten15.
Kasviuutteet ovat paras vaihtoehto haitallisille kemiallisille pelkistimille, joita yleisesti käytetään pelkistyneen grafeenioksidin (rGO) ja nZVI:n synteesissä, koska ne ovat helposti saatavilla, edullisia, yhden vaiheen valmistamia, ympäristöystävällisiä ja niitä voidaan käyttää pelkistiminä. Kuten flavonoidit ja fenoliyhdisteet, ne toimivat myös stabilointiaineena. Siksi Atriplex halimus L. -lehtiuutetta käytettiin korjaavana ja sulkevana aineena rGO/nZVI-komposiittien synteesissä tässä tutkimuksessa. Atriplex halimus, joka kuuluu Amaranthaceae-heimoon, on typpeä rakastava monivuotinen pensas, jolla on laaja maantieteellinen levinneisyysalue16.
Saatavilla olevan kirjallisuuden mukaan Atriplex halimus (A. halimus) -kasvia käytettiin ensimmäisenä rGO/nZVI-komposiittien valmistukseen taloudellisena ja ympäristöystävällisenä synteesimenetelmänä. Tämän työn tavoite koostuu siis neljästä osasta: (1) rGO/nZVI- ja emo-nZVI-komposiittien fytosynteesi A. halimus -vesilehtiuutetta käyttäen, (2) fytosyntetisoitujen komposiittien karakterisointi useilla menetelmillä niiden onnistuneen valmistuksen varmistamiseksi, (3) rGO:n ja nZVI:n synergistisen vaikutuksen tutkiminen doksisykliiniantibioottien orgaanisten epäpuhtauksien adsorptiossa ja poistossa eri reaktioparametreilla, adsorptioprosessin olosuhteiden optimointi, (3) komposiittimateriaalien tutkiminen erilaisissa jatkuvissa käsittelyissä prosessointisyklin jälkeen.
Doksisykliinihydrokloridi (DC, MM = 480,90, kemiallinen kaava C22H24N2O·HCl, 98 %), rautakloridiheksahydraatti (FeCl3.6H2O, 97 %), grafiittijauhe, ostettu Sigma-Aldrichilta, USA. Natriumhydroksidi (NaOH, 97 %), etanoli (C2H5OH, 99,9 %) ja suolahappo (HCl, 37 %) ostettiin Merckiltä, USA. NaCl, KCl, CaCl2, MnCl2 ja MgCl2 ostettiin Tianjin Comio Chemical Reagent Co., Ltd:ltä. Kaikki reagenssit ovat analyyttisesti erittäin puhtaita. Kaikki vesiliuokset valmistettiin kahdesti tislatulla vedellä.
A. halimuksen edustavia yksilöitä on kerätty niiden luonnollisesta elinympäristöstä Niilin suistoalueelta ja Egyptin Välimeren rannikolta. Kasvimateriaali kerättiin sovellettavien kansallisten ja kansainvälisten ohjeiden17 mukaisesti. Professori Manal Fawzi on tunnistanut kasvinäytteet Boulosin18 mukaisesti, ja Aleksandrian yliopiston ympäristötieteiden laitos valtuuttaa tutkittujen kasvilajien keräämisen tieteellisiin tarkoituksiin. Näytetodistuksia säilytetään Tantan yliopiston herbaariossa (TANE), tositenumerot 14 122–14 127, joka on julkinen herbaario, joka tarjoaa pääsyn talletettuihin materiaaleihin. Lisäksi pölyn tai lian poistamiseksi leikkaa kasvin lehdet pieniksi paloiksi, huuhtele kolme kertaa vesijohtovedellä ja tislatulla vedellä ja kuivaa sitten 50 °C:ssa. Kasvi murskattiin, 5 g hienoa jauhetta upotettiin 100 ml:aan tislattua vettä ja sekoitettiin 70 °C:ssa 20 minuuttia uutteen saamiseksi. Saatu Bacillus nicotianae -uute suodatettiin Whatman-suodatinpaperin läpi ja säilytettiin puhtaissa ja steriloiduissa putkissa 4 °C:ssa myöhempää käyttöä varten.
Kuten kuvassa 1 on esitetty, GO valmistettiin grafiittijauheesta modifioidulla Hummersin menetelmällä. 10 mg GO-jauhetta dispergoitiin 50 ml:aan deionisoitua vettä 30 minuutin ajan ultraäänellä, ja sitten sekoitettiin 0,9 g FeCl3:a ja 2,9 g NaAc:ta 60 minuutin ajan. 20 ml atriplex-lehtiuutetta lisättiin sekoitettuun liuokseen sekoittaen ja jätettiin 80 °C:seen 8 tunniksi. Tuloksena oleva musta suspensio suodatettiin. Valmistetut nanokomposiitit pestiin etanolilla ja tislatulla vedellä ja kuivattiin sitten tyhjiöuunissa 50 °C:ssa 12 tuntia.
Kaavio- ja digitaalivalokuvat rGO/nZVI- ja nZVI-kompleksien vihreästä synteesistä ja DC-antibioottien poistamisesta saastuneesta vedestä Atriplex halimus -uutetta käyttäen.
Lyhyesti sanottuna, kuten kuvassa 1 on esitetty, 10 ml rautakloridiliuosta, joka sisälsi 0,05 M Fe3+-ioneja, lisättiin tipoittain 20 ml:aan karvaslehtiuuteliuosta 60 minuutin ajan kohtuullisella lämmityksellä ja sekoittaen, ja sitten liuos sentrifugoitiin nopeudella 14 000 rpm (Hermle, 15 000 rpm) 15 minuutin ajan, jolloin saatiin mustia hiukkasia, jotka sitten pestiin kolme kertaa etanolilla ja tislatulla vedellä ja kuivattiin sitten tyhjiöuunissa 60 °C:ssa yön yli.
Kasvisyntetisoituja rGO/nZVI- ja nZVI-komposiitteja karakterisoitiin UV-Vis-spektroskopialla (T70/T80-sarjan UV/Vis-spektrofotometrit, PG Instruments Ltd, Iso-Britannia) skannausalueella 200–800 nm. rGO/nZVI- ja nZVI-komposiittien topografian ja kokojakauman analysointiin käytettiin TEM-spektroskopiaa (JOEL, JEM-2100F, Japani, kiihtyvyysjännite 200 kV). Kasviuutteissa mahdollisesti esiintyvien, talteenotto- ja stabilointiprosessista vastaavien funktionaalisten ryhmien arvioimiseksi suoritettiin FT-IR-spektroskopia (JASCO-spektrometri alueella 4000–600 cm-1). Lisäksi syntetisoitujen nanomateriaalien pintavarausta tutkittiin zetapotentiaalianalysaattorilla (Zetasizer Nano ZS Malvern). Jauhemaisten nanomateriaalien röntgendiffraktiomittauksissa käytettiin röntgendiffraktometriä (X'PERT PRO, Alankomaat), joka toimi virralla (40 mA), jännitteellä (45 kV) 2θ-alueella 20° - 80° ja CuKa1-säteilyllä (\(\lambda =\) 1,54056 Ao). Energiadispersiivinen röntgenspektrometri (EDX) (malli JEOL JSM-IT100) tutki alkuainekoostumusta kerättäessä Al K-α -monokromaattisia röntgensäteitä -10 - 1350 eV XPS-pinnalle, täplän koko 400 μm K-ALPHA (Thermo Fisher Scientific, USA). Koko spektrin läpäisyenergia on 200 eV ja kapean spektrin 50 eV. Jauhenäyte puristetaan näytepitimeen, joka asetetaan tyhjiökammioon. C1s-spektriä käytettiin referenssinä 284,58 eV:n arvolla sitoutumisenergian määrittämiseksi.
Adsorptiokokeilla testattiin syntetisoitujen rGO/nZVI-nanokomposiittien tehokkuutta doksisykliinin (DC) poistamisessa vesiliuoksista. Adsorptiokokeet tehtiin 25 ml:n Erlenmeyer-pulloissa 200 rpm:n ravistusnopeudella orbitaalisella ravistelijalla (Stuart, Orbital Shaker/SSL1) 298 K:n lämpötilassa. Laimenna DC-kantaliuos (1000 ppm) kahdesti tislatulla vedellä. rGO/nSVI-annoksen vaikutuksen adsorptiotehokkuuteen arvioimiseksi eripainoisia (0,01–0,07 g) nanokomposiitteja lisättiin 20 ml:aan DC-liuosta. Kinetiikan ja adsorptioisotermien tutkimiseksi 0,05 g adsorbenttia upotettiin CD:n vesiliuokseen, jonka alkupitoisuus oli 25–100 mg L–1. PH:n vaikutusta DC:n poistoon tutkittiin pH-arvossa 3–11 ja alkupitoisuudessa 50 mg L-1 25 °C:ssa. Säädä järjestelmän pH:ta lisäämällä pieni määrä HCl- tai NaOH-liuosta (Crison pH-mittari, pH-mittari, pH 25). Lisäksi tutkittiin reaktiolämpötilan vaikutusta adsorptiokokeisiin lämpötila-alueella 25–55 °C. Ionivahvuuden vaikutusta adsorptioprosessiin tutkittiin lisäämällä eri NaCl-pitoisuuksia (0,01–4 mol L–1) DC:n alkupitoisuudella 50 mg L–1, pH 3 ja 7, 25 °C:ssa ja adsorbenttiannoksella 0,05 g. Adsorboitumattoman DC:n adsorptio mitattiin kaksoissäde-UV-Vis-spektrofotometrillä (T70/T80-sarja, PG Instruments Ltd, Iso-Britannia), joka oli varustettu 1,0 cm:n valotien pituisilla kvartsikyveteilla suurimmilla aallonpituuksilla (λmax) 270 ja 350 nm. DC-antibioottien poistumisprosentti (R%; yhtälö 1) ja DC:n adsorptiomäärä, qt, yhtälö 2 (mg/g) mitattiin seuraavaa yhtälöä käyttäen.
jossa %R on DC-poistokyky (%), Co on DC:n alkupitoisuus ajanhetkellä 0 ja C on DC-pitoisuus ajanhetkellä t (mg L-1).
jossa qe on adsorboitunut DC:n määrä adsorboitunutta ainetta massayksikköä kohti (mg g-1), Co ja Ce ovat pitoisuudet nolla-hetkellä ja tasapainossa (mg l-1), V on liuoksen tilavuus (l) ja m on adsorptioreagenssin massa (g).
SEM-kuvat (kuvat 2A–C) osoittavat rGO/nZVI-komposiitin lamellimorfologian, jossa pallomaiset rauta-nanopartikkelit ovat tasaisesti dispergoituneet sen pinnalle, mikä osoittaa nZVI-nanopartikkelien onnistuneen kiinnittymisen rGO-pintaan. Lisäksi rGO-lehdessä on joitakin ryppyjä, jotka vahvistavat happea sisältävien ryhmien poistumisen samanaikaisesti A. halimus GO:n palautumisen kanssa. Nämä suuret rypyt toimivat paikkoina rauta-nanopartikkeleille. nZVI-kuvat (kuva 2D–F) osoittivat, että pallomaiset rauta-nanopartikkelit olivat hyvin hajallaan eivätkä aggregoituneet, mikä johtuu kasviuutteen kasvitieteellisten komponenttien pinnoitteesta. Hiukkaskoko vaihteli 15–26 nm:n välillä. Joillakin alueilla on kuitenkin mesohuokoinen morfologia, jossa on pullistumia ja onteloita, mikä voi tarjota nZVI:lle korkean tehokkaan adsorptiokyvyn, koska ne voivat lisätä DC-molekyylien kiinnittymisen mahdollisuutta nZVI:n pinnalle. Kun Rosa Damascus -uutetta käytettiin nZVI:n synteesiin, saadut nanopartikkelit olivat epähomogeenisia, niissä oli tyhjiä kohtia ja ne olivat erimuotoisia, mikä heikensi niiden tehokkuutta Cr(VI):n adsorptiossa ja pidensi reaktioaikaa 23. Tulokset ovat yhdenmukaisia tammen ja mulperin lehdistä syntetisoidun nZVI:n kanssa, jotka ovat pääasiassa pallomaisia nanopartikkeleita, joilla on eri nanometrikokoja ilman selvää agglomeraatiota.
rGO/nZVI (AC)- ja nZVI (D, E) -komposiittien SEM-kuvat sekä nZVI/rGO (G)- ja nZVI (H) -komposiittien EDX-kuviot.
Kasvisyntetisoitujen rGO/nZVI- ja nZVI-komposiittien alkuainekoostumusta tutkittiin EDX:llä (kuva 2G, H). Tutkimukset osoittavat, että nZVI koostuu hiilestä (38,29 massaprosenttia), hapesta (47,41 massaprosenttia) ja raudasta (11,84 massaprosenttia), mutta läsnä on myös muita alkuaineita, kuten fosforia24, jota voidaan saada kasviuutteista. Lisäksi korkea hiilen ja hapen prosenttiosuus johtuu kasviuutteista peräisin olevien fytokemikaalien läsnäolosta maanalaisissa nZVI-näytteissä. Nämä alkuaineet ovat jakautuneet tasaisesti rGO:hon, mutta eri suhteissa: C (39,16 painoprosenttia), O (46,98 painoprosenttia) ja Fe (10,99 painoprosenttia). EDX:ssä käytetään myös muita alkuaineita, kuten S:ää, jota voidaan yhdistää kasviuutteisiin. A. halimusta käytettäessä rGO/nZVI-komposiitin nykyinen C:O-suhde ja rautapitoisuus on paljon parempi kuin eukalyptuslehtiuutetta käytettäessä, koska se kuvaa hiili- (23,44 painoprosenttia), happi- (68,29 painoprosenttia) ja rauta- (8,27 painoprosenttia) koostumusta 25. Nataša ym. (2022) raportoivat tammen ja mulperin lehdistä syntetisoidun nZVI:n samanlaisen alkuainekoostumuksen ja vahvistivat, että lehtiuutteen sisältämät polyfenoliryhmät ja muut molekyylit ovat vastuussa pelkistysprosessista.
Kasveissa syntetisoidun nZVI:n morfologia (kuva S2A, B) oli pallomainen ja osittain epäsäännöllinen, ja keskimääräinen hiukkaskoko oli 23,09 ± 3,54 nm, mutta van der Waalsin voimien ja ferromagnetismin aiheuttamia ketjuaggregaatteja havaittiin. Tämä pääasiassa rakeinen ja pallomainen hiukkasmuoto on hyvässä yhteensopivuudessa SEM-tulosten kanssa. Abdelfatah et al. tekivät samanlaisen havainnon vuonna 2021, kun nZVI11:n synteesissä käytettiin risiinipavun lehtiuutetta. Myös nZVI:ssä pelkistävänä aineena käytetyillä Ruelas tuberosa -lehtiuutteen nanopartikkeleilla on pallomainen muoto, jonka halkaisija on 20–40 nm26.
Hybridi-rGO/nZVI-komposiitti-TEM-kuvat (kuva S2C-D) osoittivat, että rGO on pohjapinta, jossa on reunalaskoksia ja ryppyjä, jotka tarjoavat useita latauskohtia nZVI-nanopartikkeleille; tämä lamellimorfologia vahvistaa myös rGO:n onnistuneen valmistuksen. Lisäksi nZVI-nanopartikkeleilla on pallomainen muoto, joiden hiukkaskoko on 5,32–27 nm, ja ne ovat uppoutuneet rGO-kerrokseen lähes tasaisesti. Fe-nanopartikkelien/rGO:n syntetisointiin käytettiin eukalyptuslehtiuutetta; TEM-tulokset vahvistivat myös, että rGO-kerroksen rypyt paransivat Fe-nanopartikkelien dispersiota enemmän kuin puhtaat Fe-nanopartikkelit ja lisäsivät komposiittien reaktiivisuutta. Bagheri et al.28 saivat samanlaisia tuloksia, kun komposiitti valmistettiin ultraäänitekniikoilla, joiden keskimääräinen rauta-nanohiukkasten koko oli noin 17,70 nm.
A. halimuksen, nZVI:n, GO:n, rGO:n ja rGO/nZVI-komposiittien FTIR-spektrit on esitetty kuviossa 3A. A. halimuksen lehdissä on pintafunktionaalisia ryhmiä aaltoluvulla 3336 cm⁻¹, joka vastaa polyfenoleja, ja aaltoluvulla 1244 cm⁻¹, joka vastaa proteiinin tuottamia karbonyyliryhmiä. Muita ryhmiä, kuten alkaaneja aaltoluvulla 2918 cm⁻¹, alkeeneja aaltoluvulla 1647 cm⁻¹ ja CO-O-CO-jatkeita aaltoluvulla 1030 cm⁻¹, on myös havaittu, mikä viittaa sellaisten kasvinosien läsnäoloon, jotka toimivat tiivistysaineina ja vastaavat Fe2+-ionien palautumisesta Fe0:ksi ja GO:n muuttumisesta rGO29:ksi. Yleisesti ottaen nZVI-spektreissä on samat absorptiopiikit kuin karvassokereilla, mutta hieman siirtyneessä paikassa. Voimakas kaista ilmestyy aaltoluvulla 3244 cm⁻¹, joka liittyy OH-venytysvärähtelyihin (fenolit), piikki aaltoluvulla 1615 vastaa C=C:tä, ja kaistat aaltoluvuilla 1546 ja 1011 cm⁻¹ syntyvät C=O-ryhmien (polyfenolit ja flavonoidit) venymisestä. Aromaattisten amiinien ja alifaattisten amiinien CN-ryhmiä havaittiin myös aaltoluvuilla 1310 cm⁻¹ ja 1190 cm⁻¹13. GO:n FTIR-spektri osoittaa monien voimakkaan happea sisältävien ryhmien läsnäolon, mukaan lukien alkoksi- (CO) venytysvyöhyke aaltoluvuilla 1041 cm⁻¹, epoksi- (CO) venytysvyöhyke aaltoluvuilla 1291 cm⁻¹ ja C=O-venytys. C=C-venytysvärähtelyvyöhyke aaltoluvulla 1619 cm⁻¹, kaista aaltoluvulla 1708 cm⁻¹ ja leveä OH-ryhmän venytysvärähtelyvyöhyke aaltoluvulla 3384 cm⁻¹ ilmestyivät, minkä vahvistaa parannettu Hummersin menetelmä, joka hapettaa grafiittiprosessin onnistuneesti. Kun verrataan rGO- ja rGO/nZVI-komposiittien GO-spektrejä, joidenkin happea sisältävien ryhmien, kuten OH-ryhmän aaltoluvulla 3270 cm⁻¹, intensiteetti on merkittävästi pienentynyt, kun taas toiset, kuten C=O-ryhmän aaltoluvulla 1729 cm⁻¹, ovat täysin pelkistyneet. Tämä osoittaa, että A. halimus -uute on poistanut happea sisältävät funktionaaliset ryhmät GO:sta onnistuneesti. Uusia teräviä rGO:n ominaispiikkejä C=C-jännitteessä havaitaan noin kohdissa 1560 ja 1405 cm⁻¹, mikä vahvistaa GO:n pelkistymisen rGO:ksi. Havaittiin vaihteluita välillä 1043–1015 cm⁻¹ ja 982–918 cm⁻¹, mahdollisesti kasvimateriaalin sisällyttämisen vuoksi31,32. Weng ym. (2018) havaitsivat myös hapettuneiden funktionaalisten ryhmien merkittävän heikkenemisen GO:ssa, mikä vahvistaa rGO:n onnistuneen muodostumisen biopelkistyksen avulla, koska eukalyptuslehtiuutteet, joita käytettiin pelkistettyjen rautagrafeenioksidikomposiittien synteesiin, osoittivat kasvikomponenttien funktionaalisten ryhmien tarkempia FTIR-spektrejä. 33.
A. Galliumin, nZVI:n, rGO:n, GO:n ja rGO/nZVI-komposiitin FTIR-spektri (A). Röntgenogrammi-yhdistelmät rGO, GO, nZVI ja rGO/nZVI (B).
rGO/nZVI- ja nZVI-komposiittien muodostuminen vahvistettiin pääosin röntgendiffraktiokuvioilla (kuva 3B). Suuri intensiteetti Fe0-piikki havaittiin kohdassa 2Ɵ 44,5°, joka vastaa indeksiä (110) (JCPDS nro 06–0696)11. Toinen piikki kohdassa 35,1° (311)-tasolla johtuu magnetiitista Fe3O4, 63,2° saattaa liittyä Millerin indeksiin (440)-tasolla ϒ-FeOOH:n läsnäolon vuoksi (JCPDS nro 17-0536)34. GO:n röntgenkuvio osoittaa terävän piikin kohdassa 2Ɵ 10,3° ja toisen piikin kohdassa 21,1°, mikä osoittaa grafiitin täydellisen kuoriutumisen ja korostaa happea sisältävien ryhmien läsnäoloa GO35:n pinnalla. rGO:n ja rGO/nZVI:n komposiittikuvioissa havaittiin tyypillisten GO-piikkien katoaminen ja leveiden rGO-piikkien muodostuminen kohdissa 2Ɵ 22,17 ja 24,7° rGO- ja rGO/nZVI-komposiiteille, mikä vahvisti GO:n onnistuneen talteenoton kasviuutteilla. Yhdistelmäkuviossa rGO/nZVI havaittiin kuitenkin Fe0(110)- ja bcc Fe0(200)-hilatasoon liittyviä lisäpiikkejä kohdissa 44,9\(^\circ\) ja 65,22\(^\circ\).
Zetapotentiaali on hiukkasen pintaan kiinnittyneen ionikerroksen ja vesiliuoksen välinen potentiaali, joka määrittää materiaalin sähköstaattiset ominaisuudet ja mittaa sen stabiiliutta37. Kasvisyntetisoitujen nZVI-, GO- ja rGO/nZVI-komposiittien zetapotentiaalianalyysi osoitti niiden stabiilisuuden johtuen niiden pinnalla olevista negatiivisista varauksista, jotka ovat vastaavasti -20,8, -22 ja -27,4 mV, kuten kuvassa S1A-C on esitetty. Tällaiset tulokset ovat yhdenmukaisia useiden raporttien kanssa, joissa mainitaan, että liuokset, jotka sisältävät alle -25 mV:n zeetapotentiaaliarvojen omaavia hiukkasia, osoittavat yleensä korkeaa stabiiliusastetta näiden hiukkasten välisen sähköstaattisen hylkimisen vuoksi. RGO:n ja nZVI:n yhdistelmä mahdollistaa komposiitin hankkia enemmän negatiivisia varauksia ja siten sillä on korkeampi stabiilius kuin joko GO:lla tai nZVI:llä yksinään. Siksi sähköstaattisen hylkimisen ilmiö johtaa stabiilien rGO/nZVI39-komposiittien muodostumiseen. GO:n negatiivinen pinta mahdollistaa sen tasaisen dispergoitumisen vesipitoiseen väliaineeseen ilman agglomeraatiota, mikä luo suotuisat olosuhteet vuorovaikutukselle nZVI:n kanssa. Negatiivinen varaus voi liittyä erilaisten funktionaalisten ryhmien läsnäoloon karvasmeloniuutteessa, mikä myös vahvistaa GO:n ja raudan esiasteiden sekä kasviuutteen välisen vuorovaikutuksen, jolloin muodostuu rGO ja nZVI sekä rGO/nZVI-kompleksi. Nämä kasviyhdisteet voivat toimia myös sulkemisaineina, koska ne estävät syntyvien nanopartikkelien aggregaation ja lisäävät siten niiden stabiiliutta40.
nZVI- ja rGO/nZVI-komposiittien alkuainekoostumus ja valenssitilat määritettiin XPS:llä (kuva 4). Kokonaisuudessaan XPS-tutkimus osoitti, että rGO/nZVI-komposiitti koostuu pääasiassa alkuaineista C, O ja Fe, mikä on yhdenmukaista EDS-kartoituksen kanssa (kuva 4F–H). C1s-spektri koostuu kolmesta piikistä 284,59 eV:n, 286,21 eV:n ja 288,21 eV:n kohdissa, jotka edustavat vastaavasti CC:tä, CO:ta ja C=O:ta. O1s-spektri jaettiin kolmeen piikkiin, mukaan lukien 531,17 eV:n, 532,97 eV:n ja 535,45 eV:n ryhmiä, jotka osoitettiin vastaavasti O=CO-, CO- ja NO-ryhmille. Piikit 710,43:n, 714,57:n ja 724,79 eV:n kohdissa viittaavat kuitenkin vastaavasti Fe2p3/2:een, Fe+3:een ja Fep1/2:een. nZVI:n XPS-spektrit (kuva 4C-E) osoittivat piikkejä alkuaineille C, O ja Fe. Piikit arvoilla 284,77, 286,25 ja 287,62 eV vahvistavat rauta-hiiliseosten läsnäolon, koska ne viittaavat vastaavasti CC:hen, C-OH:hon ja CO:hon. O1s-spektri vastasi kolmea piikkiä: C–O/rautakarbonaatti (531,19 eV), hydroksyyliradikaali (532,4 eV) ja O–C=O (533,47 eV). Piikki arvolla 719,6 on Fe0:n ansiota, kun taas FeOOH:lla on piikit arvoilla 717,3 ja 723,7 eV, ja lisäksi piikki arvolla 725,8 eV osoittaa Fe2O342,43:n läsnäoloa.
nZVI- ja rGO/nZVI-komposiittien XPS-tutkimukset (A, B). nZVI C1s (C), Fe2p (D) ja O1s (E) sekä rGO/nZVI C1s (F), Fe2p (G) ja O1s (H) -komposiittien täydelliset spektrit.
N2-adsorptio-/desorptioisotermi (kuva 5A, B) osoittaa, että nZVI- ja rGO/nZVI-komposiitit kuuluvat tyyppiin II. Lisäksi nZVI:n ominaispinta-ala (SBET) kasvoi 47,4549:stä 152,52 m2/g:iin rGO:lla sokeuttamisen jälkeen. Tämä tulos voidaan selittää nZVI:n magneettisten ominaisuuksien heikkenemisellä rGO-sokeuttamisen jälkeen, mikä vähentää hiukkasten aggregaatiota ja lisää komposiittien pinta-alaa. Lisäksi, kuten kuvassa 5C on esitetty, rGO/nZVI-komposiitin huokostilavuus (8,94 nm) on suurempi kuin alkuperäisen nZVI:n (2,873 nm). Tämä tulos on yhdenmukainen El-Monaem et al. 45:n kanssa.
Jotta voitaisiin arvioida rGO/nZVI-komposiittien ja alkuperäisen nZVI:n välistä adsorptiokykyä poistaa DC:tä alkupitoisuuden kasvusta riippuen, tehtiin vertailu lisäämällä vakioannos kutakin adsorbenttia (0,05 g) DC:hen eri alkupitoisuuksilla. Tutkittu liuos [25]. –100 mg l–1] 25 °C:ssa. Tulokset osoittivat, että rGO/nZVI-komposiitin poistotehokkuus (94,6 %) oli korkeampi kuin alkuperäisen nZVI:n (90 %) pienemmällä pitoisuudella (25 mg L-1). Kuitenkin, kun lähtöpitoisuus nostettiin 100 mg:aan L-1, rGO/nZVI:n ja lähtö-nZVI:n poistotehokkuus laski 70 %:iin ja 65 %:iin (kuva 6A), mikä voi johtua aktiivisten kohtien vähenemisestä ja nZVI-hiukkasten hajoamisesta. Päinvastoin, rGO/nZVI osoitti DC:iden poiston tehokkuuden olevan korkeampi, mikä voi johtua rGO:n ja nZVI:n välisestä synergistisestä vaikutuksesta, jossa adsorptioon käytettävissä olevien stabiilien aktiivisten kohtien määrä on paljon suurempi, ja rGO/nZVI:n tapauksessa enemmän DC:itä voidaan adsorboida kuin ehjää nZVI:tä. Lisäksi kuvassa 6B on esitetty, että rGO/nZVI- ja nZVI-komposiittien adsorptiokapasiteetti kasvoi 9,4 mg/g:sta 30 mg/g:aan ja 9 mg/g:aan, kun alkuperäinen pitoisuus nousi 25–100 mg/l. -1,1:stä 28,73 mg/g:ään. Siksi DC:iden poistonopeus korreloi negatiivisesti alkuperäisen DC-pitoisuuden kanssa, mikä johtui kunkin adsorbentin tukemien reaktiokeskusten rajallisesta määrästä DC:n adsorboinnissa ja poistossa liuoksessa. Näistä tuloksista voidaan siis päätellä, että rGO/nZVI-komposiiteilla on korkeampi adsorptio- ja pelkistystehokkuus, ja rGO/nZVI-koostumuksessa olevaa rGO:ta voidaan käyttää sekä adsorbenttina että kantaja-aineena.
Poistotehokkuus ja DC-adsorptiokapasiteetti rGO/nZVI- ja nZVI-komposiiteille olivat (A, B) [Co = 25 mg l-1–100 mg l-1, T = 25 °C, annos = 0,05 g], pH vaikutti adsorptiokapasiteettiin ja DC-poistotehokkuuteen rGO/nZVI-komposiiteilla (C) [Co = 50 mg l-1, pH = 3–11, T = 25 °C, annos = 0,05 g].
Liuoksen pH on kriittinen tekijä adsorptioprosessien tutkimuksessa, koska se vaikuttaa ionisaatioasteeseen, lajiutumiseen ja adsorbentin ionisaatioon. Koe suoritettiin 25 °C:ssa vakioadsorbenttiannoksella (0,05 g) ja alkupitoisuudella 50 mg L-1 pH-alueella (3–11). Kirjallisuuskatsauksen46 mukaan DC on amfifiilinen molekyyli, jossa on useita ionisoituvia funktionaalisia ryhmiä (fenoleja, aminoryhmiä, alkoholeja) eri pH-tasoilla. Tämän seurauksena DC:n ja niihin liittyvien rakenteiden eri toiminnot rGO/nZVI-komposiitin pinnalla voivat olla vuorovaikutuksessa sähköstaattisesti ja esiintyä kationeina, tsvitterioneina ja anioneina. DC-molekyyli esiintyy kationisena (DCH3+) pH-arvossa < 3,3, tsvitterionisena (DCH20) pH-arvossa 3,3 < pH < 7,7 ja anionisena (DCH− tai DC2−) pH-arvossa 7,7. Tämän seurauksena DC:n ja niihin liittyvien rakenteiden eri toiminnot rGO/nZVI-komposiitin pinnalla voivat olla vuorovaikutuksessa sähköstaattisesti ja esiintyä kationeina, tsvitterioneina ja anioneina. DC-molekyyli esiintyy kationisena (DCH3+) pH-arvossa < 3,3, tsvitterionisena (DCH20) pH-arvossa 3,3 < pH < 7,7 ja anionisena (DCH- tai DC2-) pH-arvossa 7,7. В результате различные функции ДК и связанных с ними структур на поверхности композвастита rGO/nZVI могуто электростатически и могут существовать в виде катионов, цвиттер-ионов и анионов, молекула ДК сущест (DCH3+) при рН < 3,3, цвиттер-ионный (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 и анионный (DCH- или DC2-) при pH 7,7. Tämän seurauksena DC:n ja siihen liittyvien rakenteiden erilaiset toiminnot rGO/nZVI-komposiitin pinnalla voivat vuorovaikuttaa sähköstaattisesti ja esiintyä kationien, tsvitterionien ja anionien muodossa; DC-molekyyli esiintyy kationina (DCH3+) pH-arvossa < 3,3; ionisena (DCH20) pH-arvossa 3,3 < pH < 7,7 ja anionisena (DCH- tai DC2-) pH-arvossa 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 可胏相互 ， 并 可能 以 阳离子 两 性 和 阴离子 形式 ， ， dc 分 子 在 pH <3.3 痀阳离子 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-) .7在DC2-) Следовательно, различные функции ДК и родственных им структур на поверхности композита rGO/nZVI мопугут электростатические взаимодействия и существовать в виде катионов, цвиттер-ионов и анионов, а молеякулы Амолеякулы катионными (ДЦГ3+) при рН < 3,3. Siksi rGO/nZVI-komposiitin pinnalla olevien DC:n ja siihen liittyvien rakenteiden erilaiset toiminnot voivat siirtyä sähköstaattisiin vuorovaikutuksiin ja esiintyä kationien, tsvitterionien ja anionien muodossa, kun taas DC-molekyylit ovat kationisia (DCH3+) pH-arvossa < 3,3. Он существует в виде цвиттер-иона (DCH20) при 3,3 < pH < 7,7 и аниона (DCH- или DC2-) при pH 7,7. Se esiintyy tsvitterionina (DCH20) pH-arvossa 3,3 < pH-arvossa 7,7 ja anionina (DCH- tai DC2-) pH-arvossa 7,7.PH-arvon noustessa arvosta 3 arvoon 7 adsorptiokyky ja DC-poistotehokkuus nousivat arvosta 11,2 mg/g (56 %) arvoon 17 mg/g (85 %) (kuva 6C). PH-arvon noustessa arvoihin 9 ja 11 adsorptiokyky ja poistotehokkuus kuitenkin laskivat jonkin verran arvosta 10,6 mg/g (53 %) arvoon 6 mg/g (30 %). PH-arvon noustessa arvosta 3 arvoon 7 DC-yhdisteet esiintyivät pääasiassa tsvitterionien muodossa, minkä vuoksi rGO/nZVI-komposiitit eivät juurikaan vetänyt tai hylkineet niitä sähköstaattisesti, pääasiassa sähköstaattisen vuorovaikutuksen kautta. PH-arvon noustessa yli 8,2:n adsorbentin pinta varautui negatiivisesti, jolloin adsorptiokyky pieneni ja heikkeni negatiivisesti varautuneen doksisykliinin ja adsorbentin pinnan välisen sähköstaattisen hylkimisen vuoksi. Tämä trendi viittaa siihen, että DC:n adsorptio rGO/nZVI-komposiitteihin on erittäin pH-riippuvaista, ja tulokset osoittavat myös, että rGO/nZVI-komposiitit soveltuvat adsorbenteiksi sekä happamissa että neutraaleissa olosuhteissa.
Lämpötilan vaikutusta DC:n vesiliuoksen adsorptioon tutkittiin lämpötilassa 25–55 °C. Kuvio 7A näyttää lämpötilan nousun vaikutuksen DC-antibioottien poistotehokkuuteen rGO/nZVI:ssä. On selvää, että poistokyky ja adsorptiokyky kasvoivat 83,44 %:sta ja 13,9 mg/g:sta 47 %:iin ja 7,83 mg/g:aan. Tämä merkittävä lasku voi johtua DC-ionien lämpöenergian kasvusta, joka johtaa desorptioon47.
Lämpötilan vaikutus CD:n poistotehokkuuteen ja adsorptiokykyyn rGO/nZVI-komposiiteissa (A) [Co = 50 mg L–1, pH = 7, annos = 0,05 g], adsorbenttiannos CD:n poistotehokkuuteen ja poistotehokkuuteen. Alkuperäisen pitoisuuden vaikutus adsorptiokykyyn ja DC:n poistotehokkuuteen rGO/nSVI-komposiitissa (B) [Co = 50 mg L–1, pH = 7, T = 25 °C] (C, D) [Co = 25–100 mg L–1, pH = 7, T = 25 °C, annos = 0,05 g].
Komposiittiadsorbentti rGO/nZVI-annoksen nostamisen vaikutus poistotehokkuuteen ja adsorptiokapasiteettiin on esitetty kuvassa 7B. Adsorbenttiannoksen nostaminen johti adsorptiokapasiteetin laskuun 33,43 mg/g:sta 6,74 mg/g:aan. Adsorbenttiannoksen nostamisella 0,01 g:sta 0,07 g:aan poistotehokkuus kuitenkin kasvaa 66,8 %:sta 96 %:iin, mikä voi vastaavasti liittyä aktiivisten keskusten määrän kasvuun nanokomposiittipinnalla.
Tutkimuksessa tarkasteltiin alkupitoisuuden vaikutusta adsorptiokykyyn ja poistotehokkuuteen [25–100 mg L-1, 25 °C, pH 7, annos 0,05 g]. Kun alkupitoisuutta nostettiin 25 mg L-1:stä 100 mg L-1:een, rGO/nZVI-komposiitin poistumisprosentti laski 94,6 %:sta 65 %:iin (kuva 7C), luultavasti haluttujen aktiivisten kohtien puuttumisen vuoksi. . Adsorboi suuria pitoisuuksia DC49:ää. Toisaalta alkupitoisuuden noustessa adsorptiokyky kasvoi myös 9,4 mg/g:sta 30 mg/g:aan, kunnes tasapaino saavutettiin (kuva 7D). Tämä väistämätön reaktio johtuu liikkeellepanevan voiman kasvusta, kun alku-DC-pitoisuus on suurempi kuin DC-ionien massansiirtovastus rGO/nZVI-komposiitin pinnan 50 saavuttamiseksi.
Kontaktiaika- ja kineettisten tutkimusten tavoitteena on ymmärtää adsorption tasapainoaika. Ensinnäkin kontaktiajan ensimmäisten 40 minuutin aikana adsorboituneen DC:n määrä oli noin puolet koko ajan (100 minuuttia) adsorboituneen DC:n kokonaismäärästä. Liuoksessa olevat DC-molekyylit törmäävät toisiinsa, mikä johtaa niiden nopeaan siirtymiseen rGO/nZVI-komposiitin pinnalle, mikä johtaa merkittävään adsorptioon. 40 minuutin kuluttua DC:n adsorptio lisääntyi vähitellen ja hitaasti, kunnes tasapaino saavutettiin 60 minuutin kuluttua (kuva 7D). Koska kohtuullinen määrä adsorboituu ensimmäisten 40 minuutin aikana, törmäyksiä DC-molekyylien kanssa tapahtuu vähemmän ja adsorboitumattomille molekyyleille on saatavilla vähemmän aktiivisia kohtia. Siksi adsorptionopeutta voidaan vähentää51.
Adsorptiokinetiikan ymmärtämiseksi paremmin käytettiin pseudo-ensimmäisen kertaluvun (kuva 8A), pseudo-toisen kertaluvun (kuva 8B) ja Elovichin (kuva 8C) kineettisten mallien viivoituksia. Kineettisistä tutkimuksista saaduista parametreista (taulukko S1) käy ilmi, että pseudo-sekuntimalli on paras malli adsorptiokinetiikan kuvaamiseen, jossa R2-arvo on asetettu korkeammaksi kuin kahdessa muussa mallissa. Myös laskettujen adsorptiokapasiteettien (qe, cal) välillä on samankaltaisuutta. Pseudo-toisen kertaluvun ja kokeelliset arvot (qe, exp.) ovat lisätodiste siitä, että pseudo-toisen kertaluvun malli on parempi malli kuin muut mallit. Kuten taulukosta 1 käy ilmi, α:n (alkuperäinen adsorptionopeus) ja β:n (desorptiovakio) arvot vahvistavat, että adsorptionopeus on korkeampi kuin desorptionopeus, mikä osoittaa, että DC pyrkii adsorboitumaan tehokkaasti rGO/nZVI52-komposiittiin.
Lineaariset adsorptiokinetiikkakäyrät pseudo-toisen kertaluvun (A), pseudo-ensimmäisen kertaluvun (B) ja Elovichin (C) adsorptiokinetiikalle [Co = 25–100 mg l–1, pH = 7, T = 25 °C, annos = 0,05 g].
Adsorptioisotermien tutkimukset auttavat määrittämään adsorbentin (RGO/nRVI-komposiitti) adsorptiokyvyn eri adsorbaattipitoisuuksilla (DC) ja järjestelmän lämpötiloissa. Maksimaalinen adsorptiokyky laskettiin käyttämällä Langmuirin isotermiä, joka osoitti, että adsorptio oli homogeenista ja sisälsi adsorbaattimonokerroksen muodostumisen adsorbentin pinnalle ilman niiden välistä vuorovaikutusta53. Kaksi muuta laajalti käytettyä isotermimallia ovat Freundlichin ja Temkinin mallit. Vaikka Freundlichin mallia ei käytetä adsorptiokyvyn laskemiseen, se auttaa ymmärtämään heterogeenistä adsorptioprosessia ja sitä, että adsorbentin vajapaikoilla on eri energiat, kun taas Temkinin malli auttaa ymmärtämään adsorption fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia54.
Kuvioissa 9A–C on esitetty Langmuirin, Freindlichin ja Temkinin mallien viivadiagrammit. Taulukossa 2 esitetyt Freundlichin (kuva 9A) ja Langmuirin (kuva 9B) viivadiagrammeista lasketut R2-arvot osoittavat, että DC-adsorptio rGO/nZVI-komposiitissa noudattaa Freundlichin (0,996) ja Langmuirin (0,988) isotermimalleja sekä Temkinin (0,985) mallia. Langmuirin isotermimallilla laskettu suurin adsorptiokapasiteetti (qmax) oli 31,61 mg g-1. Lisäksi dimensioton erotuskertoimen (RL) laskettu arvo on välillä 0–1 (0,097), mikä osoittaa suotuisaa adsorptioprosessia. Muuten laskettu Freundlichin vakio (n = 2,756) osoittaa tämän absorptioprosessin suosimista. Temkin-isotermin lineaarisen mallin (kuva 9C) mukaan DC:n adsorptio rGO/nZVI-komposiittiin on fysikaalinen adsorptioprosessi, koska b on ˂ 82 kJ mol-1 (0,408)55. Vaikka fysikaalinen adsorptio tapahtuu yleensä heikkojen van der Waalsin voimien kautta, tasavirtaadsorptio rGO/nZVI-komposiitteihin vaatii matalaa adsorptioenergiää [56, 57].
Freundlichin (A), Langmuirin (B) ja Temkinin (C) lineaariset adsorptioisotermit [Co = 25–100 mg L–1, pH = 7, T = 25 °C, annos = 0,05 g]. Van't-Hoffin yhtälön kuvaaja rGO/nZVI-komposiittien DC-adsorptiolle (D) [Co = 25–100 mg L-1, pH = 7, T = 25–55 °C ja annos = 0,05 g].
Reaktiolämpötilan muutoksen vaikutuksen arvioimiseksi tasavirtalähteen poistumiseen rGO/nZVI-komposiiteista laskettiin termodynaamisia parametreja, kuten entropian muutos (ΔS), entalpian muutos (ΔH) ja vapaan energian muutos (ΔG) yhtälöistä 3 ja 458.
jossa \({K}_{e}\)=\(\frac{{C}_{Ae}}{{C}_{e}}\) – termodynaaminen tasapainovakio, Ce ja CAe – rGO liuoksessa, vastaavasti /nZVI DC-pitoisuudet pintatasapainossa. R ja RT ovat kaasuvakio ja adsorptiolämpötila. Piirtämällä ln Ke funktiona 1/T saadaan suora (kuva 9D), josta ∆S ja ∆H voidaan määrittää.
Negatiivinen ΔH-arvo osoittaa, että prosessi on eksoterminen. Toisaalta ΔH-arvo on fysikaalisen adsorptioprosessin sisällä. Taulukon 3 negatiiviset ΔG-arvot osoittavat, että adsorptio on mahdollista ja spontaania. Negatiiviset ΔS-arvot osoittavat adsorbenttimolekyylien korkeaa järjestäytyneisyyttä nesterajapinnassa (taulukko 3).
Taulukossa 4 verrataan rGO/nZVI-komposiittia muihin aiemmissa tutkimuksissa raportoituihin adsorbentteihin. On selvää, että VGO/nCVI-komposiitilla on korkea adsorptiokyky ja se voi olla lupaava materiaali DC-antibioottien poistamiseen vedestä. Lisäksi rGO/nZVI-komposiittien adsorptio on nopea prosessi, jonka tasapainottumisaika on 60 minuuttia. RGO/nZVI-komposiittien erinomaiset adsorptio-ominaisuudet voidaan selittää rGO:n ja nZVI:n synergistisellä vaikutuksella.
Kuviot 10A ja B havainnollistavat rationaalista mekanismia DC-antibioottien poistamiseksi rGO/nZVI- ja nZVI-komplekseilla. PH:n vaikutusta DC-adsorboitumisen tehokkuuteen koskevien kokeiden tulosten mukaan pH:n noustessa 3:sta 7:ään DC-adsorboitumista rGO/nZVI-komposiittiin ei kontrolloitu sähköstaattisilla vuorovaikutuksilla, koska se toimi tsvitterionin tavoin. Siksi pH-arvon muutos ei vaikuttanut adsorptioprosessiin. Adsorptiomekanismia voidaan myöhemmin kontrolloida ei-sähköstaattisilla vuorovaikutuksilla, kuten vetysidoksella, hydrofobisilla vaikutuksilla ja π-π-pinoamisvuorovaikutuksilla rGO/nZVI-komposiitin ja DC66:n välillä. On hyvin tunnettua, että aromaattisten adsorbaattien mekanismi kerrostetun grafeenin pinnoille on selitetty π–π-pinoamisvuorovaikutuksilla tärkeimpänä liikkeellepanevana voimana. Komposiitti on grafeenin kaltainen kerrostettu materiaali, jonka absorptiomaksimi on 233 nm:ssä π-π*-siirtymän vuoksi. DC-adsorbaatin molekyylirakenteessa olevien neljän aromaattisen renkaan läsnäolon perusteella oletimme, että aromaattisen DC:n (π-elektroniakseptorin) ja RGO-pinnalla olevan π-elektroneja runsaasti sisältävän alueen välillä on π-π-pinoamisvuorovaikutusmekanismi. /nZVI-komposiitit. Lisäksi, kuten kuvassa 10B on esitetty, tehtiin FTIR-tutkimuksia rGO/nZVI-komposiittien ja DC:n välisen molekyylivuorovaikutuksen tutkimiseksi, ja rGO/nZVI-komposiittien FTIR-spektrit DC-adsorboinnin jälkeen on esitetty kuvassa 10B. 10b. Uusi piikki havaitaan kohdassa 2111 cm-1, joka vastaa C=C-sidoksen runkovärähtelyä, mikä osoittaa vastaavien orgaanisten funktionaalisten ryhmien läsnäolon 67 rGO/nZVI:n pinnalla. Muut piikit siirtyvät 1561 cm⁻¹:stä 1548 cm⁻¹:een ja 1399 cm⁻¹:stä 1360 cm⁻¹:een, mikä myös vahvistaa, että π-π-vuorovaikutuksilla on tärkeä rooli grafeenin ja orgaanisten epäpuhtauksien adsorptiossa68,69. DC-adsorboitumisen jälkeen joidenkin happea sisältävien ryhmien, kuten OH-ryhmien, intensiteetti laski 3270 cm⁻¹:een, mikä viittaa siihen, että vetysidos on yksi adsorptiomekanismeista. Tulosten perusteella DC-adsorpoituminen rGO/nZVI-komposiittiin tapahtuu pääasiassa π-π-pinoamisvuorovaikutusten ja vetysidosten ansiosta.
DC-antibioottien rationaalinen adsorptiomekanismi rGO/nZVI- ja nZVI-kompleksien avulla (A). DC:iden FTIR-adsorptiospektrit rGO/nZVI- ja nZVI-rakenteissa (B).
nZVI:n absorptiokaevyjen intensiteetti aaltoluvuilla 3244, 1615, 1546 ja 1011 cm–1 kasvoi nZVI:hin kohdistuneen DC-adsorboitumisen jälkeen (kuva 10B) verrattuna nZVI:hin, minkä pitäisi liittyä vuorovaikutukseen DC:n karboksyylihappojen O-ryhmien mahdollisten funktionaalisten ryhmien kanssa. Tämä alhaisempi läpäisyprosentti kaikissa havaituissa kaistoissa ei kuitenkaan osoita merkittävää muutosta fytosynteettisen adsorbentin (nZVI) adsorptiotehokkuudessa verrattuna nZVI:hin ennen adsorptioprosessia. Joidenkin nZVI71:llä tehtyjen DC-poistotutkimusten mukaan, kun nZVI reagoi H2O:n kanssa, elektroneja vapautuu ja sitten H+:a käytetään erittäin pelkistyvän aktiivisen vedyn tuottamiseen. Lopuksi jotkut kationiset yhdisteet ottavat vastaan elektroneja aktiivisesta vedystä, mikä johtaa -C=N- ja -C=C--rakenteisiin, mikä johtuu bentseenirenkaan hajoamisesta.
Julkaisun aika: 14.11.2022