हरित सिंथेटिक रिड्यूस्ड ग्राफीन ऑक्साइड और नैनो-जीरो आयरन कॉम्प्लेक्स द्वारा पानी से डॉक्सीसाइक्लिन एंटीबायोटिक्स का सहक्रियात्मक निष्कासन

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इस कार्य में, कम हानिकारक रासायनिक संश्लेषण जैसे "हरित" रसायन विज्ञान के सिद्धांतों का पालन करने के लिए सोफोरा पीली पत्ती के अर्क को कम करने वाले एजेंट और स्टेबलाइजर के रूप में उपयोग करते हुए एक सरल और पर्यावरण के अनुकूल प्रक्रिया का उपयोग करके पहली बार rGO/nZVI कंपोजिट को संश्लेषित किया गया था। कंपोजिट के सफल संश्लेषण को मान्य करने के लिए कई उपकरणों का उपयोग किया गया है, जैसे SEM, EDX, XPS, XRD, FTIR और ज़ीटा क्षमता, जो सफल कंपोजिट निर्माण का संकेत देते हैं। rGO और nZVI के बीच सहक्रियात्मक प्रभाव की जांच करने के लिए एंटीबायोटिक डॉक्सीसाइक्लिन की विभिन्न प्रारंभिक सांद्रता पर उपन्यास कंपोजिट और शुद्ध nZVI की निष्कासन क्षमता की तुलना की गई थी। 25mg L-1, 25°C और 0.05g की निष्कासन स्थितियों के तहत, शुद्ध nZVI की अधिशोषण निष्कासन दर 90% थी अधिशोषण प्रक्रिया छद्म-द्वितीय क्रम के अनुरूप है और 25°C और pH 7 पर 31.61 mg g-1 की अधिकतम अधिशोषण क्षमता वाले फ्रायंडलिच मॉडल के साथ अच्छी तरह मेल खाती है। DC को हटाने के लिए एक उचित तंत्र प्रस्तावित किया गया है। इसके अतिरिक्त, लगातार छह पुनर्जनन चक्रों के बाद rGO/nZVI कम्पोजिट की पुन: प्रयोज्यता 60% थी।
जल संकट और प्रदूषण अब सभी देशों के लिए एक गंभीर खतरा बन गए हैं। हाल के वर्षों में, कोविड-19 महामारी के दौरान उत्पादन और खपत में वृद्धि के कारण जल प्रदूषण, विशेष रूप से एंटीबायोटिक प्रदूषण, बढ़ा है। इसलिए, अपशिष्ट जल में एंटीबायोटिक दवाओं के उन्मूलन के लिए एक प्रभावी तकनीक का विकास एक अत्यावश्यक कार्य है।
टेट्रासाइक्लिन समूह से एक प्रतिरोधी अर्ध-सिंथेटिक एंटीबायोटिक डॉक्सीसाइक्लिन (DC)4,5 है। यह बताया गया है कि भूजल और सतही जल में DC अवशेषों का चयापचय नहीं हो पाता, केवल 20-50% ही चयापचय होता है और शेष पर्यावरण में छोड़ दिया जाता है, जिससे गंभीर पर्यावरणीय और स्वास्थ्य समस्याएँ पैदा होती हैं6।
कम मात्रा में डीसी के संपर्क में आने से जलीय प्रकाश संश्लेषक सूक्ष्मजीव मर सकते हैं, रोगाणुरोधी जीवाणुओं के प्रसार का खतरा हो सकता है, और रोगाणुरोधी प्रतिरोध बढ़ सकता है, इसलिए इस संदूषक को अपशिष्ट जल से हटाना आवश्यक है। जल में डीसी का प्राकृतिक अपघटन एक बहुत ही धीमी प्रक्रिया है। भौतिक-रासायनिक प्रक्रियाएँ जैसे प्रकाश अपघटन, जैव अपघटन और अधिशोषण केवल कम सांद्रता और बहुत कम दरों पर ही अपघटन कर सकते हैं7,8। हालाँकि, सबसे किफायती, सरल, पर्यावरण के अनुकूल, उपयोग में आसान और कुशल विधि अधिशोषण9,10 है।
नैनो जीरो वैलेंट आयरन (nZVI) एक अत्यंत शक्तिशाली पदार्थ है जो मेट्रोनिडाज़ोल, डायजेपाम, सिप्रोफ्लोक्सासिन, क्लोरैमफेनिकॉल और टेट्रासाइक्लिन सहित कई एंटीबायोटिक्स को पानी से हटा सकता है। यह क्षमता nZVI के अद्भुत गुणों, जैसे उच्च प्रतिक्रियाशीलता, विशाल सतह क्षेत्र और असंख्य बाह्य बंधन स्थलों के कारण है।11. हालाँकि, nZVI, वैन डेर वेल्स बलों और उच्च चुंबकीय गुणों के कारण जलीय माध्यम में एकत्रीकरण के लिए प्रवण होता है, जिससे ऑक्साइड परतों के निर्माण के कारण प्रदूषकों को हटाने में इसकी प्रभावशीलता कम हो जाती है, जो nZVI की प्रतिक्रियाशीलता को बाधित करती हैं।10,12. nZVI कणों के समूहन को उनकी सतहों को सर्फेक्टेंट और पॉलिमर से संशोधित करके या उन्हें कंपोजिट के रूप में अन्य नैनोमटेरियल के साथ मिलाकर कम किया जा सकता है, जो पर्यावरण में उनकी स्थिरता में सुधार करने के लिए एक व्यवहार्य दृष्टिकोण साबित हुआ है।13,14.
ग्रैफ़ीन एक द्वि-आयामी कार्बन नैनोमटेरियल है जिसमें sp2-संकरणित कार्बन परमाणु एक छत्ते जैसी जाली में व्यवस्थित होते हैं। इसका सतही क्षेत्रफल बड़ा, यांत्रिक शक्ति में उल्लेखनीय वृद्धि, उत्कृष्ट विद्युत-उत्प्रेरक क्रियाशीलता, उच्च तापीय चालकता, तीव्र इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और इसकी सतह पर अकार्बनिक नैनोकणों को सहारा देने के लिए एक उपयुक्त वाहक पदार्थ है। धातु नैनोकणों और ग्रैफ़ीन का संयोजन प्रत्येक पदार्थ के व्यक्तिगत लाभों से कहीं अधिक लाभ प्रदान कर सकता है और अपने उत्कृष्ट भौतिक एवं रासायनिक गुणों के कारण, अधिक कुशल जल उपचार के लिए नैनोकणों का इष्टतम वितरण प्रदान करता है।
पौधों के अर्क हानिकारक रासायनिक अपचायक एजेंटों का सबसे अच्छा विकल्प हैं, जिनका उपयोग आमतौर पर अपचयित ग्राफीन ऑक्साइड (rGO) और nZVI के संश्लेषण में किया जाता है क्योंकि ये उपलब्ध, सस्ते, एक-चरणीय, पर्यावरण के अनुकूल होते हैं और इन्हें अपचायक एजेंटों के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। ये फ्लेवोनोइड्स और फेनोलिक यौगिकों जैसे पदार्थों के लिए भी एक स्थिरक के रूप में कार्य करते हैं। इसलिए, इस अध्ययन में rGO/nZVI यौगिकों के संश्लेषण के लिए एट्रिप्लेक्स हैलिमस एल. पत्ती के अर्क का उपयोग एक मरम्मत और समापन एजेंट के रूप में किया गया था। ऐमारैंथेसी परिवार का एट्रिप्लेक्स हैलिमस एक नाइट्रोजन-प्रेमी बारहमासी झाड़ी है जिसका भौगोलिक क्षेत्र विस्तृत है16।
उपलब्ध साहित्य के अनुसार, एट्रिप्लेक्स हैलिमस (ए. हैलिमस) का उपयोग सबसे पहले rGO/nZVI कंपोजिट बनाने के लिए एक किफायती और पर्यावरण-अनुकूल संश्लेषण विधि के रूप में किया गया था। इस प्रकार, इस कार्य के उद्देश्य चार भागों में विभाजित हैं: (1) ए. हैलिमस जलीय पत्ती के अर्क का उपयोग करके rGO/nZVI और पैतृक nZVI कंपोजिट का पादप संश्लेषण, (2) पादप संश्लेषित कंपोजिट का बहुविध विधियों द्वारा उनके सफल निर्माण की पुष्टि हेतु लक्षण-निर्धारण, (3) विभिन्न अभिक्रिया मापदंडों के अंतर्गत डॉक्सीसाइक्लिन एंटीबायोटिक्स के कार्बनिक संदूषकों के अवशोषण और निष्कासन में rGO और nZVI के सहक्रियात्मक प्रभाव का अध्ययन, अवशोषण प्रक्रिया की स्थितियों का अनुकूलन, (3) प्रसंस्करण चक्र के बाद विभिन्न सतत उपचारों में मिश्रित सामग्रियों की जाँच।
डॉक्सीसाइक्लिन हाइड्रोक्लोराइड (DC, MM = 480.90, रासायनिक सूत्र C22H24N2O·HCl, 98%), आयरन क्लोराइड हेक्साहाइड्रेट (FeCl3.6H2O, 97%), ग्रेफाइट पाउडर सिग्मा-एल्ड्रिच, अमेरिका से खरीदा गया। सोडियम हाइड्रॉक्साइड (NaOH, 97%), इथेनॉल (C2H5OH, 99.9%) और हाइड्रोक्लोरिक अम्ल (HCl, 37%) मर्क, अमेरिका से खरीदे गए। NaCl, KCl, CaCl2, MnCl2 और MgCl2 टियांजिन कोमियो केमिकल रिएजेंट कंपनी लिमिटेड से खरीदे गए। सभी अभिकर्मक उच्च विश्लेषणात्मक शुद्धता के हैं। सभी जलीय विलयनों को तैयार करने के लिए द्वि-आसुत जल का उपयोग किया गया।
ए. हैलिमस के प्रतिनिधि नमूने नील डेल्टा में उनके प्राकृतिक आवास और मिस्र के भूमध्यसागरीय तट की भूमि से एकत्र किए गए हैं। पादप सामग्री लागू राष्ट्रीय और अंतर्राष्ट्रीय दिशानिर्देशों17 के अनुसार एकत्र की गई थी। प्रोफ़ेसर मनाल फ़ॉज़ी ने बुलोस18 के अनुसार पादप नमूनों की पहचान की है, और अलेक्जेंड्रिया विश्वविद्यालय का पर्यावरण विज्ञान विभाग वैज्ञानिक उद्देश्यों के लिए अध्ययन की गई पादप प्रजातियों के संग्रह को अधिकृत करता है। नमूना वाउचर तांता विश्वविद्यालय हर्बेरियम (TANE) में रखे गए हैं, वाउचर संख्या 14 122–14 127, एक सार्वजनिक हर्बेरियम है जो जमा सामग्री तक पहुँच प्रदान करता है। इसके अलावा, धूल या गंदगी को हटाने के लिए, पौधे की पत्तियों को छोटे टुकड़ों में काट लें, नल के पानी और आसुत जल से 3 बार धोएँ, और फिर 50°C पर सुखाएँ बैसिलस निकोटियाने के प्राप्त अर्क को व्हाटमैन फिल्टर पेपर के माध्यम से फ़िल्टर किया गया और आगे उपयोग के लिए 4 डिग्री सेल्सियस पर साफ और निष्फल ट्यूबों में संग्रहीत किया गया।
जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, संशोधित हम्मर्स विधि द्वारा ग्रेफाइट पाउडर से GO बनाया गया था। 10 मिलीग्राम GO पाउडर को 50 मिलीलीटर विआयनीकृत जल में 30 मिनट तक ध्वनि-संयोजन के तहत घोला गया, और फिर 0.9 ग्राम FeCl3 और 2.9 ग्राम NaAc को 60 मिनट तक मिलाया गया। 20 मिलीलीटर एट्रिप्लेक्स पत्ती के अर्क को हिलाते हुए घोल में मिलाया गया और 80°C पर 8 घंटे के लिए छोड़ दिया गया। परिणामी काले घोल को छान लिया गया। तैयार नैनोकंपोजिट को इथेनॉल और द्वि-आसुत जल से धोया गया और फिर 50°C पर 12 घंटे के लिए निर्वात ओवन में सुखाया गया।
एट्रिप्लेक्स हैलिमस अर्क का उपयोग करके दूषित जल से आरजीओ/एनजेडवीआई और एनजेडवीआई कॉम्प्लेक्स के हरित संश्लेषण और डीसी एंटीबायोटिक्स को हटाने की योजनाबद्ध और डिजिटल तस्वीरें।
संक्षेप में, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, 0.05 M Fe3+ आयनों वाले 10 मिलीलीटर आयरन क्लोराइड घोल को कड़वे पत्ते के अर्क के 20 मिलीलीटर घोल में बूंद-बूंद करके 60 मिनट के लिए मध्यम गर्म करने और हिलाने के साथ मिलाया गया, और फिर घोल को 14,000 आरपीएम (हर्मल, 15,000 आरपीएम) पर 15 मिनट के लिए सेंट्रीफ्यूज किया गया ताकि काले कण प्राप्त हो सकें, जिन्हें फिर इथेनॉल और आसुत जल से 3 बार धोया गया और फिर 60 डिग्री सेल्सियस पर एक वैक्यूम ओवन में रात भर सुखाया गया।
पादप-संश्लेषित rGO/nZVI और nZVI कंपोजिट का अभिलक्षणन 200-800 nm की स्कैनिंग रेंज में UV-दृश्य स्पेक्ट्रोस्कोपी (T70/T80 श्रृंखला UV/Vis स्पेक्ट्रोफोटोमीटर, PG इंस्ट्रूमेंट्स लिमिटेड, यूके) द्वारा किया गया। rGO/nZVI और nZVI कंपोजिट की स्थलाकृति और आकार वितरण का विश्लेषण करने के लिए, TEM स्पेक्ट्रोस्कोपी (JOEL, JEM-2100F, जापान, त्वरक वोल्टेज 200 kV) का उपयोग किया गया। पुनर्प्राप्ति और स्थिरीकरण प्रक्रिया के लिए उत्तरदायी पादप अर्क में शामिल हो सकने वाले क्रियात्मक समूहों का मूल्यांकन करने के लिए, FT-IR स्पेक्ट्रोस्कोपी (JASCO स्पेक्ट्रोमीटर 4000-600 cm-1 की रेंज में) की गई। इसके अतिरिक्त, संश्लेषित नैनोमटेरियल के पृष्ठीय आवेश का अध्ययन करने के लिए एक ज़ीटा विभव विश्लेषक (Zetasizer Nano ZS Malvern) का उपयोग किया गया। पाउडर नैनोमटेरियल के एक्स-रे विवर्तन माप के लिए, एक एक्स-रे डिफ्रैक्टोमीटर (X'PERT PRO, नीदरलैंड) का उपयोग किया गया था, जो 20° से 80° तक 2θ रेंज में एक करंट (40 mA), वोल्टेज (45 kV) और CuKa1 विकिरण (\(\lambda =\ ) 1.54056 Ao) पर काम करता था। ऊर्जा फैलाने वाला एक्स-रे स्पेक्ट्रोमीटर (EDX) (मॉडल JEOL JSM-IT100) XPS पर -10 से 1350 eV तक Al K-α मोनोक्रोमैटिक एक्स-रे इकट्ठा करते समय तत्व संरचना का अध्ययन करने के लिए जिम्मेदार था, स्पॉट साइज 400 μm K-ALPHA (थर्मो फिशर साइंटिफिक, यूएसए) पूर्ण स्पेक्ट्रम की संचरण ऊर्जा 200 eV है और संकीर्ण स्पेक्ट्रम 50 eV है बंधन ऊर्जा निर्धारित करने के लिए C 1 s स्पेक्ट्रम को 284.58 eV पर संदर्भ के रूप में उपयोग किया गया।
जलीय विलयनों से डॉक्सीसाइक्लिन (DC) को हटाने में संश्लेषित rGO/nZVI नैनोकंपोजिट की प्रभावशीलता का परीक्षण करने के लिए अधिशोषण प्रयोग किए गए। 298 K पर एक ऑर्बिटल शेकर (स्टुअर्ट, ऑर्बिटल शेकर/SSL1) पर 200 आरपीएम की कंपन गति से 25 मिली एर्लेनमेयर फ्लास्क में अधिशोषण प्रयोग किए गए। द्विआसुत जल के साथ DC स्टॉक विलयन (1000 पीपीएम) को तनुकृत करके। अधिशोषण दक्षता पर rGO/nSVI खुराक के प्रभाव का आकलन करने के लिए, विभिन्न भारों (0.01–0.07 ग्राम) के नैनोकंपोजिट को 20 मिली DC विलयन में मिलाया गया। गतिकी और अधिशोषण समतापी का अध्ययन करने के लिए, 0.05 ग्राम अधिशोषक को प्रारंभिक सांद्रता (25–100 मिलीग्राम 25°C पर pH (3–11) और 50 mg L-1 की प्रारंभिक सांद्रता पर DC निष्कासन पर pH के प्रभाव का अध्ययन किया गया। HCl या NaOH विलयन (क्रिसन pH मीटर, pH मीटर, pH 25) की थोड़ी मात्रा मिलाकर प्रणाली का pH समायोजित करें। इसके अतिरिक्त, 25-55°C की सीमा में अधिशोषण प्रयोगों पर अभिक्रिया तापमान के प्रभाव की जाँच की गई। 50 mg L–1, pH 3 और 7), 25°C की DC की प्रारंभिक सांद्रता और 0.05 ग्राम अधिशोषक मात्रा पर NaCl (0.01–4 mol L–1) की विभिन्न सांद्रताएँ मिलाकर अधिशोषण प्रक्रिया पर आयनिक शक्ति के प्रभाव का अध्ययन किया गया। अशोषित डीसी के अधिशोषण को एक द्वि-बीम यूवी-विज़ स्पेक्ट्रोफोटोमीटर (T70/T80 श्रृंखला, पीजी इंस्ट्रूमेंट्स लिमिटेड, यूके) का उपयोग करके मापा गया, जो 270 और 350 एनएम की अधिकतम तरंगदैर्ध्य (λmax) पर 1.0 सेमी पथ लंबाई वाले क्वार्ट्ज क्यूवेट से सुसज्जित था। डीसी एंटीबायोटिक्स के निष्कासन का प्रतिशत (R%; समीकरण 1) और डीसी की अधिशोषण मात्रा, qt, समीकरण 2 (मिलीग्राम/ग्राम) को निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके मापा गया।
जहां %R डीसी निष्कासन क्षमता (%) है, Co समय 0 पर प्रारंभिक डीसी सांद्रता है, और C क्रमशः समय t पर डीसी सांद्रता है (मिलीग्राम L-1)।
जहाँ qe अधिशोषक के प्रति इकाई द्रव्यमान में अधिशोषित DC की मात्रा है (mg g-1), Co और Ce क्रमशः शून्य समय और साम्यावस्था पर सांद्रता हैं (mg l-1), V विलयन आयतन (l) है, और m अधिशोषण द्रव्यमान अभिकर्मक (g) है।
SEM छवियाँ (चित्र 2A-C) rGO/nZVI संमिश्र की परतदार आकृति विज्ञान को दर्शाती हैं, जिसकी सतह पर गोलाकार लौह नैनोकण समान रूप से फैले हुए हैं, जो nZVI NPs के rGO सतह पर सफलतापूर्वक जुड़ने का संकेत देते हैं। इसके अतिरिक्त, rGO पत्ती में कुछ झुर्रियाँ हैं, जो A. हैलिमस GO की पुनःस्थापना के साथ-साथ ऑक्सीजन युक्त समूहों के हटने की पुष्टि करती हैं। ये बड़ी झुर्रियाँ लौह NPs के सक्रिय भारण के लिए स्थल के रूप में कार्य करती हैं। nZVI छवियों (चित्र 2D-F) ने दिखाया कि गोलाकार लौह NPs बहुत बिखरे हुए थे और एकत्रित नहीं हुए, जो पादप सत्व के वानस्पतिक घटकों की आलेपन प्रकृति के कारण है। कणों का आकार 15-26 नैनोमीटर के भीतर भिन्न-भिन्न था। हालांकि, कुछ क्षेत्रों में उभारों और गुहाओं की संरचना के साथ एक मेसोपोरस आकारिकी होती है, जो nZVI की एक उच्च प्रभावी सोखना क्षमता प्रदान कर सकती है, क्योंकि वे nZVI की सतह पर डीसी अणुओं को फंसाने की संभावना को बढ़ा सकते हैं। जब रोजा दमिश्क अर्क का उपयोग nZVI के संश्लेषण के लिए किया गया था, तो प्राप्त एनपी अमानवीय थे, रिक्तियों और विभिन्न आकृतियों के साथ, जिसने Cr(VI) सोखना में उनकी दक्षता कम कर दी और प्रतिक्रिया समय 23 बढ़ा दिया। परिणाम ओक और शहतूत के पत्तों से संश्लेषित nZVI के अनुरूप हैं, जो मुख्य रूप से गोलाकार नैनोकण हैं जिनमें स्पष्ट समूहन के बिना विभिन्न नैनोमीटर आकार हैं।
आरजीओ/एनजेडवीआई (एसी), एनजेडवीआई (डी, ई) कंपोजिट की एसईएम छवियां और एनजेडवीआई/आरजीओ (जी) और एनजेडवीआई (एच) कंपोजिट के ईडीएक्स पैटर्न।
पादप-संश्लेषित rGO/nZVI और nZVI संयोजनों की तात्विक संरचना का अध्ययन EDX (चित्र 2G, H) का उपयोग करके किया गया। अध्ययन दर्शाते हैं कि nZVI कार्बन (द्रव्यमान द्वारा 38.29%), ऑक्सीजन (द्रव्यमान द्वारा 47.41%) और आयरन (द्रव्यमान द्वारा 11.84%) से बना है, लेकिन फॉस्फोरस24 जैसे अन्य तत्व भी मौजूद हैं, जिन्हें पादप अर्क से प्राप्त किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, कार्बन और ऑक्सीजन का उच्च प्रतिशत उपसतह nZVI नमूनों में पादप अर्क से प्राप्त फाइटोकेमिकल्स की उपस्थिति के कारण है। ये तत्व rGO पर समान रूप से वितरित हैं, लेकिन विभिन्न अनुपातों में: C (39.16 wt %), O (46.98 wt %) और Fe (10.99 wt %), EDX rGO/nZVI अन्य तत्वों की उपस्थिति भी दर्शाता है ए. हैलिमस का उपयोग करके आरजीओ/एनजेडवीआई संयोजन में वर्तमान सी:ओ अनुपात और लौह सामग्री यूकेलिप्टस पत्ती के अर्क का उपयोग करने से काफी बेहतर है, क्योंकि यह सी (23.44 wt.%), ओ (68.29 wt.%) और Fe (8.27 wt.%) की संरचना को दर्शाता है। wt %) 25. नताशा एट अल., 2022 ने ओक और शहतूत के पत्तों से संश्लेषित एनजेडवीआई की एक समान मौलिक संरचना की सूचना दी और पुष्टि की कि पत्ती के अर्क में शामिल पॉलीफेनॉल समूह और अन्य अणु कमी प्रक्रिया के लिए जिम्मेदार हैं।
पौधों में संश्लेषित nZVI की आकृति विज्ञान (चित्र S2A,B) गोलाकार और आंशिक रूप से अनियमित थी, जिसका औसत कण आकार 23.09 ± 3.54 नैनोमीटर था, हालाँकि वैन डेर वाल्स बलों और लौहचुंबकत्व के कारण श्रृंखला समुच्चय देखे गए। यह मुख्यतः दानेदार और गोलाकार कण आकार SEM परिणामों के साथ अच्छी तरह मेल खाता है। 2021 में अब्देलफतह एट अल. द्वारा भी ऐसा ही अवलोकन पाया गया था जब nZVI11 के संश्लेषण में अरंडी की फलियों के सत्व का उपयोग किया गया था। nZVI में अपचायक के रूप में प्रयुक्त रुएलस ट्यूबरोसा पत्ती सत्व NPs का भी गोलाकार आकार होता है जिसका व्यास 20 से 40 नैनोमीटर26 होता है।
हाइब्रिड आरजीओ/एनजेडवीआई कम्पोजिट टीईएम इमेज (चित्र एस2सी-डी) से पता चला कि आरजीओ एक बेसल प्लेन है जिसमें सीमांत फोल्ड और झुर्रियां हैं जो एनजेडवीआई एनपी के लिए कई लोडिंग साइट प्रदान करती हैं; यह लैमेलर आकारिकी आरजीओ के सफल निर्माण की भी पुष्टि करती है। इसके अलावा, एनजेडवीआई एनपी गोलाकार होते हैं जिनका कण आकार 5.32 से 27 एनएम होता है और यह आरजीओ परत में लगभग एक समान फैलाव के साथ अंतर्निहित होते हैं। यूकेलिप्टस पत्ती के अर्क का उपयोग Fe एनपी/आरजीओ को संश्लेषित करने के लिए किया गया था; टीईएम परिणामों ने यह भी पुष्टि की कि आरजीओ परत में झुर्रियों ने शुद्ध Fe एनपी की तुलना में Fe एनपी के फैलाव को बेहतर बनाया और कंपोजिट की प्रतिक्रियाशीलता को बढ़ाया। इसी तरह के परिणाम बाघेरी एट अल द्वारा प्राप्त किए गए थे
ए. हैलिमस, nZVI, GO, rGO, और rGO/nZVI कंपोजिट के FTIR स्पेक्ट्रा को चित्र 3A में दिखाया गया है। ए. हैलिमस की पत्तियों में सतही कार्यात्मक समूहों की उपस्थिति 3336 सेमी-1 पर दिखाई देती है, जो पॉलीफेनोल्स से मेल खाती है, और 1244 सेमी-1 पर, जो प्रोटीन द्वारा उत्पादित कार्बोनिल समूहों से मेल खाती है। अन्य समूह जैसे कि 2918 सेमी-1 पर एल्केन, 1647 सेमी-1 पर एल्कीन और 1030 सेमी-1 पर CO-O-CO एक्सटेंशन भी देखे गए हैं, जो पौधे के घटकों की उपस्थिति का सुझाव देते हैं जो सीलिंग एजेंट के रूप में कार्य करते हैं और Fe2+ ​​से Fe0 और GO से rGO29 तक की रिकवरी के लिए जिम्मेदार हैं 3244 सेमी-1 पर एक तीव्र बैंड दिखाई देता है जो OH खिंचाव कंपन (फिनोल) से जुड़ा है, 1615 पर एक शिखर C=C से मेल खाता है, और 1546 और 1011 सेमी-1 पर बैंड C=O (पॉलीफेनोल और फ्लेवोनोइड) के खिंचाव के कारण उत्पन्न होते हैं, एरोमैटिक एमीन और एलिफैटिक एमीन के CN-समूह भी क्रमशः 1310 सेमी-1 और 1190 सेमी-1 पर देखे गए13। GO का FTIR स्पेक्ट्रम कई उच्च-तीव्रता वाले ऑक्सीजन युक्त समूहों की उपस्थिति दर्शाता है, जिसमें 1041 सेमी-1 पर एल्कोक्सी (CO) खिंचाव बैंड, 1291 सेमी-1 पर एपॉक्सी (CO) खिंचाव बैंड, C=O खिंचाव शामिल हैं। 1619 सेमी-1 पर C=C स्ट्रेचिंग कंपन का एक बैंड, 1708 सेमी-1 पर एक बैंड और 3384 सेमी-1 पर OH समूह स्ट्रेचिंग कंपन का एक विस्तृत बैंड दिखाई दिया, जिसकी पुष्टि बेहतर हम्मर्स विधि द्वारा की गई है, जो ग्रेफाइट प्रक्रिया को सफलतापूर्वक ऑक्सीकृत करती है। GO स्पेक्ट्रा के साथ rGO और rGO/nZVI कंपोजिट की तुलना करने पर, कुछ ऑक्सीजन युक्त समूहों की तीव्रता, जैसे 3270 सेमी-1 पर OH, काफी कम हो जाती है, जबकि अन्य, जैसे 1729 सेमी-1 पर C=O, पूरी तरह से कम हो जाती हैं। गायब हो गई, जो ए. हैलिमस अर्क द्वारा GO में ऑक्सीजन युक्त कार्यात्मक समूहों के सफल निष्कासन का संकेत देती है। 1560 और 1405 सेमी-1 के आसपास C=C तनाव पर rGO के नए तीखे अभिलक्षणिक शिखर देखे गए 1043 से 1015 सेमी-1 और 982 से 918 सेमी-1 तक के बदलाव देखे गए, संभवतः पादप सामग्री के समावेश के कारण31,32। वेंग एट अल., 2018 ने GO में ऑक्सीजन युक्त कार्यात्मक समूहों का एक महत्वपूर्ण क्षीणन भी देखा, जिससे जैव-अपचयन द्वारा rGO के सफल निर्माण की पुष्टि हुई, क्योंकि यूकेलिप्टस पत्ती के अर्क, जिनका उपयोग अपचयित लौह ग्रेफीन ऑक्साइड कंपोजिट के संश्लेषण के लिए किया गया था, ने पादप घटक कार्यात्मक समूहों के अधिक निकट FTIR स्पेक्ट्रा प्रदर्शित किए।33
A. गैलियम, nZVI, rGO, GO, मिश्रित rGO/nZVI (A) का FTIR स्पेक्ट्रम। रेडियोग्राम मिश्रित rGO, GO, nZVI और rGO/nZVI (B)।
rGO/nZVI और nZVI कंपोजिट के निर्माण की पुष्टि एक्स-रे विवर्तन पैटर्न (चित्र 3B) द्वारा काफी हद तक की गई थी। 2Ɵ 44.5° पर एक उच्च-तीव्रता वाला Fe0 शिखर देखा गया, जो सूचकांक (110) (JCPDS क्रमांक 06–0696)11 के अनुरूप है। (311) तल के 35.1° पर एक और शिखर मैग्नेटाइट Fe3O4 के कारण है, 63.2° ϒ-FeOOH (JCPDS क्रमांक 17-0536)34 की उपस्थिति के कारण (440) तल के मिलर सूचकांक से संबद्ध हो सकता है। GO का एक्स-रे पैटर्न 2Ɵ 10.3° पर एक तीव्र शिखर और 21.1° पर एक और शिखर दर्शाता है, जो ग्रेफाइट के पूर्ण अपस्फीति का संकेत देता है और GO35 की सतह पर ऑक्सीजन युक्त समूहों की उपस्थिति को उजागर करता है। rGO और rGO/nZVI के मिश्रित पैटर्न ने क्रमशः 2Ɵ 22.17 और 24.7° पर विशिष्ट GO शिखरों के लुप्त होने और विस्तृत rGO शिखरों के निर्माण को दर्ज किया, जिससे पादप अर्क द्वारा GO की सफल पुनर्प्राप्ति की पुष्टि हुई। हालाँकि, मिश्रित rGO/nZVI पैटर्न में, Fe0 (110) और bcc Fe0 (200) के जाली तल से जुड़े अतिरिक्त शिखर क्रमशः 44.9\(^\circ\) और 65.22\(^\circ\) पर देखे गए।
ज़ीटा विभव एक कण की सतह से जुड़ी आयनिक परत और एक जलीय घोल के बीच का विभव है जो किसी पदार्थ के स्थिरवैद्युत गुणों को निर्धारित करता है और उसकी स्थिरता को मापता है37। पादप-संश्लेषित nZVI, GO और rGO/nZVI संयोजनों के ज़ीटा विभव विश्लेषण ने उनकी सतह पर क्रमशः -20.8, -22 और -27.4 mV के ऋणात्मक आवेशों की उपस्थिति के कारण उनकी स्थिरता दर्शाई, जैसा कि चित्र S1A-C में दिखाया गया है। ऐसे परिणाम कई रिपोर्टों के अनुरूप हैं जिनमें उल्लेख किया गया है कि -25 mV से कम ज़ीटा विभव मान वाले कणों वाले घोल आमतौर पर इन कणों के बीच स्थिरवैद्युत प्रतिकर्षण के कारण उच्च स्तर की स्थिरता दर्शाते हैं। rGO और nZVI का संयोजन संयोजन को अधिक ऋणात्मक आवेश प्राप्त करने की अनुमति देता है GO की ऋणात्मक सतह इसे जलीय माध्यम में बिना जमाव के समान रूप से फैलने देती है, जिससे nZVI के साथ अन्योन्यक्रिया के लिए अनुकूल परिस्थितियाँ बनती हैं। ऋणात्मक आवेश, करेले के अर्क में विभिन्न क्रियात्मक समूहों की उपस्थिति से जुड़ा हो सकता है, जो GO और लौह अग्रदूतों तथा पादप अर्क के बीच अन्योन्यक्रिया की पुष्टि करता है जिससे क्रमशः rGO और nZVI, तथा rGO/nZVI संकुल का निर्माण होता है। ये पादप यौगिक कैपिंग एजेंट के रूप में भी कार्य कर सकते हैं, क्योंकि ये परिणामी नैनोकणों के एकत्रीकरण को रोकते हैं और इस प्रकार उनकी स्थिरता को बढ़ाते हैं40।
nZVI और rGO/nZVI संयोजनों की तात्विक संरचना और संयोजकता अवस्थाएँ XPS द्वारा निर्धारित की गईं (चित्र 4)। समग्र XPS अध्ययन से पता चला कि rGO/nZVI संयोजन मुख्यतः C, O और Fe तत्वों से बना है, जो EDS मानचित्रण (चित्र 4F–H) के अनुरूप है। C1s स्पेक्ट्रम में 284.59 eV, 286.21 eV और 288.21 eV पर तीन शिखर हैं जो क्रमशः CC, CO और C=O का प्रतिनिधित्व करते हैं। O1s स्पेक्ट्रम को तीन शिखरों में विभाजित किया गया था, जिनमें 531.17 eV, 532.97 eV और 535.45 eV शामिल थे, जिन्हें क्रमशः O=CO, CO और NO समूहों को सौंपा गया था। हालाँकि, 710.43, 714.57 और 724.79 eV पर शिखर क्रमशः Fe 2p3/2, Fe+3 और Fe p1/2 को संदर्भित करते हैं। nZVI (चित्र 4C-E) के XPS स्पेक्ट्रा ने C, O और Fe तत्वों के लिए शिखर दर्शाए। 284.77, 286.25 और 287.62 eV पर शिखर लौह-कार्बन मिश्रधातुओं की उपस्थिति की पुष्टि करते हैं, क्योंकि वे क्रमशः CC, C-OH और CO को दर्शाते हैं। O1s स्पेक्ट्रम तीन शिखरों C–O/लौह कार्बोनेट (531.19 eV), हाइड्रॉक्सिल रेडिकल (532.4 eV) और O–C=O (533.47 eV) के अनुरूप था। 719.6 पर शिखर Fe0 के कारण है, जबकि FeOOH 717.3 और 723.7 eV पर शिखर दर्शाता है, इसके अतिरिक्त, 725.8 eV पर शिखर Fe2O342.43 की उपस्थिति दर्शाता है।
nZVI और rGO/nZVI कम्पोजिट के क्रमशः XPS अध्ययन (A, B)। nZVI C1s (C), Fe2p (D), और O1s (E) तथा rGO/nZVI C1s (F), Fe2p (G), O1s (H) कम्पोजिट का पूर्ण स्पेक्ट्रा।
N2 अधिशोषण/विशोषण समतापी (चित्र 5A, B) दर्शाता है कि nZVI और rGO/nZVI संमिश्र प्रकार II के हैं। इसके अतिरिक्त, rGO से ब्लाइंडिंग के बाद nZVI का विशिष्ट सतह क्षेत्र (SBET) 47.4549 से बढ़कर 152.52 m2/g हो गया। इस परिणाम को rGO ब्लाइंडिंग के बाद nZVI के चुंबकीय गुणों में कमी से समझाया जा सकता है, जिससे कण एकत्रीकरण कम हो जाता है और संमिश्र का सतह क्षेत्र बढ़ जाता है। इसके अतिरिक्त, जैसा कि चित्र 5C में दिखाया गया है, rGO/nZVI संमिश्र का छिद्र आयतन (8.94 nm) मूल nZVI (2.873 nm) से अधिक है। यह परिणाम एल-मोनेम एट अल. 45 के साथ सहमत है।
आरजीओ/एनजेडवीआई कंपोजिट और मूल एनजेडवीआई के बीच डीसी हटाने के लिए प्रारंभिक सांद्रता में वृद्धि के आधार पर सोखना क्षमता का मूल्यांकन करने के लिए, विभिन्न प्रारंभिक सांद्रता पर डीसी में प्रत्येक अधिशोषक (0.05 ग्राम) की एक स्थिर खुराक जोड़कर तुलना की गई थी। जांचा गया घोल [25]। –100 मिलीग्राम एल–1] 25°C पर। परिणामों से पता चला कि आरजीओ/एनजेडवीआई कंपोजिट की निष्कासन क्षमता (94.6%) कम सांद्रता (25 मिलीग्राम एल-1) पर मूल एनजेडवीआई (90%) की तुलना में अधिक थी। हालांकि, जब प्रारंभिक सांद्रता 100 मिलीग्राम एल-1 तक बढ़ाई गई, तो आरजीओ/एनजेडवीआई और पैतृक एनजेडवीआई की निष्कासन क्षमता क्रमशः 70% और 65% तक गिर गई (चित्र 6ए), इसके विपरीत, rGO/nZVI ने DC निष्कासन की उच्च दक्षता दिखाई, जो कि rGO और nZVI के बीच सहक्रियात्मक प्रभाव के कारण हो सकता है, जिसमें अधिशोषण के लिए उपलब्ध स्थिर सक्रिय स्थल काफी अधिक होते हैं, और rGO/nZVI के मामले में, अक्षुण्ण nZVI की तुलना में अधिक DC अधिशोषित किया जा सकता है। इसके अलावा, चित्र 6B दर्शाता है कि rGO/nZVI और nZVI सम्मिश्रों की अधिशोषण क्षमता क्रमशः 9.4 mg/g से बढ़कर 30 mg/g और 9 mg/g हो गई, जिसमें प्रारंभिक सांद्रता 25-100 mg/L से बढ़कर 28.73 mg g-1 हो गई। इसलिए, DC निष्कासन दर प्रारंभिक DC सांद्रता के साथ नकारात्मक रूप से सहसंबद्ध थी, जो कि विलयन में DC के अधिशोषण और निष्कासन के लिए प्रत्येक अधिशोषक द्वारा समर्थित प्रतिक्रिया केंद्रों की सीमित संख्या के कारण थी। इस प्रकार, इन परिणामों से यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि rGO/nZVI कंपोजिट में अधिशोषण और न्यूनीकरण की उच्च दक्षता होती है, तथा rGO/nZVI की संरचना में rGO को अधिशोषक और वाहक पदार्थ दोनों के रूप में उपयोग किया जा सकता है।
आरजीओ/एनजेडवीआई और एनजेडवीआई कम्पोजिट के लिए निष्कासन दक्षता और डीसी अधिशोषण क्षमता थी (ए, बी) [सीओ = 25 मिलीग्राम एल-1-100 मिलीग्राम एल-1, टी = 25 डिग्री सेल्सियस, खुराक = 0.05 ग्राम], आरजीओ/एनजेडवीआई कम्पोजिट पर अधिशोषण क्षमता और डीसी अधिशोषण दक्षता पर पीएच (सी) [सीओ = 50 मिलीग्राम एल-1, पीएच = 3-11, टी = 25 डिग्री सेल्सियस, खुराक = 0.05 ग्राम]।
विलयन का pH अधिशोषण प्रक्रियाओं के अध्ययन में एक महत्वपूर्ण कारक है, क्योंकि यह अधिशोषक के आयनीकरण, विशिष्टीकरण और आयनीकरण की मात्रा को प्रभावित करता है। यह प्रयोग 25°C पर एक स्थिर अधिशोषक मात्रा (0.05 ग्राम) और pH श्रेणी (3–11) में 50 mg L-1 की प्रारंभिक सांद्रता के साथ किया गया था। एक साहित्य समीक्षा46 के अनुसार, DC एक उभयचर अणु है जिसमें विभिन्न pH स्तरों पर कई आयनीकरणीय क्रियात्मक समूह (फिनोल, अमीनो समूह, एल्कोहल) होते हैं। परिणामस्वरूप, डीसी के विभिन्न कार्य और आरजीओ/एनजेडवीआई कम्पोजिट की सतह पर संबंधित संरचनाएं इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से परस्पर क्रिया कर सकती हैं और धनायन, ज़्विटरआयन और ऋणायन के रूप में मौजूद हो सकती हैं, डीसी अणु पीएच < 3.3 पर धनायनिक (डीसीएच3+), ज़्विटरआयनिक (डीसीएच20) 3.3 < पीएच < 7.7 और पीएच 7.7 पर ऋणायनिक (डीसीएच− या डीसी2−) के रूप में मौजूद होता है। परिणामस्वरूप, डीसी के विभिन्न कार्य और आरजीओ/एनजेडवीआई कम्पोजिट की सतह पर संबंधित संरचनाएं इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से परस्पर क्रिया कर सकती हैं और धनायन, ज्विटरआयन और ऋणायन के रूप में मौजूद हो सकती हैं, डीसी अणु पीएच < 3.3 पर धनायनिक (डीसीएच3+), ज्विटरआयनिक (डीसीएच20) 3.3 < पीएच < 7.7 और पीएच 7.7 पर ऋणायनिक (डीसीएच- या डीसी2-) के रूप में मौजूद होता है। В результате различные функции ДК и связанных с ними структур на поверхности композита rGO/nZVI могут взаимодействовать электростатически и могут существовать в виде катионов, цвиттер-ионов и анионов, молекула ДК существует в виде катиона (DCH3+) при рН <3,3, цвиттер-ионный (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 и анионный (DCH- или DC2-) при pH 7,7. परिणामस्वरूप, आरजीओ/एनजेडवीआई कम्पोजिट की सतह पर डीसी और संबंधित संरचनाओं के विभिन्न कार्य इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से परस्पर क्रिया कर सकते हैं और धनायनों, ज्विटरआयनों और ऋणायनों के रूप में मौजूद हो सकते हैं; डीसी अणु पीएच < 3.3 पर धनायन (डीसीएच3+) के रूप में मौजूद होता है; आयनिक (डीसीएच20) 3.3 < पीएच < 7.7 और ऋणायन (डीसीएच- या डीसी2-) पीएच 7.7 पर मौजूद होता है।因此, DC 的各 种功能 और 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 pH मान <3.3 डिग्री (DCH3+) तापमान सीमा (DCH20) 3.3 < pH < 7.7 और परिभाषा (DCH- या DC2-) और PH 7.7.यदि आप , डीसी , और अधिक पढ़ें ， ， ， 并 可 能 以 阳 离 子 两 性 和 阴 离 形 式 ， ， dc 分 子 在 pH <3.3 时 阳 离 子 阳 离 子阳离子 तापमान नियंत्रण (dch3+) स्रोत, स्रोत डेटा (DCH20) 3.3 < pH < 7.7, तापमान परिवर्तन (DCH- और DC2-) और pH 7.7. अधिक पढ़ें поверхности композита rGO/nZVI могут вступать в электростатические взаимодействия и существовать в виде катионов, цвитттер-ионов и анионов, а молекулы ДК являются катионными (ДЦГ3+) при рН < 3,3. इसलिए, आरजीओ/एनजेडवीआई कम्पोजिट की सतह पर डीसी और संबंधित संरचनाओं के विभिन्न कार्य इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन में प्रवेश कर सकते हैं और धनायन, ज़्विटर आयन और ऋणायन के रूप में मौजूद हो सकते हैं, जबकि डीसी अणु पीएच < 3.3 पर धनायनिक (डीसीएच3+) होते हैं। Он существует в виде цвиттер-иона (DCH20) при 3,3 < pH < 7,7 и аниона (DCH- или DC2-) при pH 7,7. यह 3.3 < pH < 7.7 पर एक ज़्विटर आयन (DCH20) के रूप में और pH 7.7 पर एक ऋणायन (DCH- या DC2-) के रूप में मौजूद होता है।पीएच 3 से 7 तक बढ़ने के साथ, डीसी निष्कासन की अधिशोषण क्षमता और दक्षता 11.2 मिलीग्राम/जी (56%) से बढ़कर 17 मिलीग्राम/जी (85%) हो गई (चित्र 6सी)। हालांकि, जैसे ही पीएच 9 और 11 तक बढ़ा, अधिशोषण क्षमता और निष्कासन दक्षता कुछ हद तक कम हो गई, क्रमशः 10.6 मिलीग्राम/जी (53%) से 6 मिलीग्राम/जी (30%) तक। पीएच 3 से 7 तक बढ़ने के साथ, डीसी मुख्य रूप से ज़्विटर आयनों के रूप में मौजूद थे, जिसने उन्हें आरजीओ/एनजेडवीआई कंपोजिट के साथ लगभग गैर-इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से आकर्षित या प्रतिकर्षित किया, मुख्य रूप से इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन द्वारा। जैसे ही पीएच 8.2 से ऊपर बढ़ा, अधिशोषक की सतह को नकारात्मक रूप से चार्ज किया गया यह प्रवृत्ति बताती है कि आरजीओ/एनजेडवीआई कंपोजिट पर डीसी अधिशोषण अत्यधिक पीएच पर निर्भर है, और परिणाम यह भी संकेत देते हैं कि आरजीओ/एनजेडवीआई कंपोजिट अम्लीय और उदासीन स्थितियों के तहत अधिशोषक के रूप में उपयुक्त हैं।
डीसी के जलीय विलयन के अधिशोषण पर तापमान के प्रभाव का अध्ययन (25-55°C) पर किया गया। चित्र 7A, rGO/nZVI पर डीसी एंटीबायोटिक्स की निष्कासन क्षमता पर तापमान वृद्धि के प्रभाव को दर्शाता है। यह स्पष्ट है कि निष्कासन क्षमता और अधिशोषण क्षमता क्रमशः 83.44% और 13.9 mg/g से बढ़कर 47% और 7.83 mg/g हो गई। यह उल्लेखनीय कमी डीसी आयनों की ऊष्मीय ऊर्जा में वृद्धि के कारण हो सकती है, जिससे विशोषण47 होता है।
आरजीओ/एनजेडवीआई कम्पोजिट पर सीडी की निष्कासन क्षमता और अवशोषण क्षमता पर तापमान का प्रभाव (ए) [सीओ = 50 मिलीग्राम एल-1, पीएच = 7, खुराक = 0.05 ग्राम], सीडी की निष्कासन क्षमता और अवशोषण क्षमता पर अधिशोषक खुराक आरजीओ/एनएसवीआई कम्पोजिट पर डीसी निष्कासन की अवशोषण क्षमता और दक्षता पर प्रारंभिक सांद्रता का प्रभाव (बी) [सीओ = 50 मिलीग्राम एल-1, पीएच = 7, टी = 25 डिग्री सेल्सियस] (सी, डी) [सीओ = 25-100 मिलीग्राम एल-1, पीएच = 7, टी = 25 डिग्री सेल्सियस, खुराक = 0.05 ग्राम]।
संयुक्त अधिशोषक rGO/nZVI की मात्रा 0.01 ग्राम से 0.07 ग्राम तक बढ़ाने का निष्कासन दक्षता और अधिशोषण क्षमता पर प्रभाव चित्र 7B में दिखाया गया है। अधिशोषक की मात्रा में वृद्धि से अधिशोषण क्षमता 33.43 मिलीग्राम/ग्राम से घटकर 6.74 मिलीग्राम/ग्राम हो गई। हालाँकि, अधिशोषक की मात्रा 0.01 ग्राम से 0.07 ग्राम तक बढ़ाने पर, निष्कासन दक्षता 66.8% से बढ़कर 96% हो जाती है, जो तदनुसार, नैनोकंपोजिट सतह पर सक्रिय केंद्रों की संख्या में वृद्धि से जुड़ी हो सकती है।
प्रारंभिक सांद्रता का अवशोषण क्षमता और निष्कासन दक्षता पर प्रभाव [25-100 मिलीग्राम एल-1, 25°C, pH 7, मात्रा 0.05 ग्राम] का अध्ययन किया गया। जब प्रारंभिक सांद्रता 25 मिलीग्राम एल-1 से बढ़ाकर 100 मिलीग्राम एल-1 कर दी गई, तो rGO/nZVI कम्पोजिट का निष्कासन प्रतिशत 94.6% से घटकर 65% हो गया (चित्र 7C), संभवतः वांछित सक्रिय साइटों की अनुपस्थिति के कारण। DC49 की बड़ी सांद्रता को अवशोषित करता है। दूसरी ओर, जैसे-जैसे प्रारंभिक सांद्रता बढ़ी, अवशोषण क्षमता भी 9.4 मिलीग्राम/ग्राम से बढ़कर 30 मिलीग्राम/ग्राम हो गई जब तक कि संतुलन नहीं हो गया (चित्र 7D)। यह अपरिहार्य प्रतिक्रिया rGO/nZVI कम्पोजिट की सतह 50 तक पहुंचने के लिए DC आयन द्रव्यमान स्थानांतरण प्रतिरोध की तुलना में प्रारंभिक DC सांद्रता के साथ प्रेरक बल में वृद्धि के कारण होती है।
संपर्क काल और गतिज अध्ययनों का उद्देश्य अधिशोषण के संतुलन काल को समझना है। सबसे पहले, संपर्क काल के पहले 40 मिनट के दौरान अधिशोषित डीसी की मात्रा पूरे समय (100 मिनट) में अधिशोषित कुल मात्रा की लगभग आधी थी। विलयन में डीसी अणुओं के टकराने से वे तेजी से rGO/nZVI संमिश्र की सतह पर चले जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप महत्वपूर्ण अधिशोषण होता है। 40 मिनट के बाद, डीसी अधिशोषण धीरे-धीरे बढ़ता गया जब तक कि 60 मिनट के बाद संतुलन प्राप्त नहीं हो गया (चित्र 7D)। चूँकि पहले 40 मिनट के भीतर एक उचित मात्रा अधिशोषित हो जाती है, इसलिए डीसी अणुओं के साथ कम टकराव होंगे और गैर-अधिशोषित अणुओं के लिए कम सक्रिय स्थल उपलब्ध होंगे। इसलिए, अधिशोषण दर को कम किया जा सकता है51।
अधिशोषण गतिकी को बेहतर ढंग से समझने के लिए छद्म प्रथम क्रम (चित्र 8A), छद्म द्वितीय क्रम (चित्र 8B) और एलोविच (चित्र 8C) गतिज मॉडलों के रेखाचित्रों का उपयोग किया गया। गतिज अध्ययनों (तालिका S1) से प्राप्त मापदंडों से, यह स्पष्ट हो जाता है कि छद्मसेकंड मॉडल अधिशोषण गतिकी का वर्णन करने के लिए सबसे अच्छा मॉडल है, जहाँ R2 मान अन्य दो मॉडलों की तुलना में अधिक निर्धारित किया गया है। गणना की गई अधिशोषण क्षमताओं (qe, cal) के बीच भी समानता है। छद्म-द्वितीय क्रम और प्रायोगिक मान (qe, exp.) आगे प्रमाण हैं कि छद्म-द्वितीय क्रम अन्य मॉडलों की तुलना में एक बेहतर मॉडल है। जैसा कि तालिका 1 में दिखाया गया है, α (प्रारंभिक अधिशोषण दर) और β (विलोपन स्थिरांक) के मान इस बात की पुष्टि करते हैं कि अधिशोषण दर, विशोषण दर से अधिक है
छद्म द्वितीय क्रम (ए), छद्म प्रथम क्रम (बी) और एलोविच (सी) के रैखिक सोखना गतिज प्लॉट [को = 25-100 मिलीग्राम एल-1, पीएच = 7, टी = 25 डिग्री सेल्सियस, खुराक = 0.05 ग्राम]।
अधिशोषण समतापी अध्ययन विभिन्न अधिशोष्य सांद्रताओं (DC) और तंत्र तापमानों पर अधिशोषक (RGO/nRVI संयुक्त) की अधिशोषण क्षमता निर्धारित करने में सहायक होते हैं। अधिकतम अधिशोषण क्षमता की गणना लैंगमुइर समतापी का उपयोग करके की गई, जिससे पता चला कि अधिशोषण समरूप था और इसमें अधिशोषक की सतह पर एक अधिशोष्य एकल परत का निर्माण शामिल था, दोनों के बीच परस्पर क्रिया के बिना53। दो अन्य व्यापक रूप से प्रयुक्त समतापी मॉडल फ्रायंडलिच और टेमकिन मॉडल हैं। हालाँकि फ्रायंडलिच मॉडल का उपयोग अधिशोषण क्षमता की गणना के लिए नहीं किया जाता है, यह विषमांगी अधिशोषण प्रक्रिया और अधिशोषक पर रिक्तिकाओं की विभिन्न ऊर्जाओं को समझने में मदद करता है, जबकि टेमकिन मॉडल अधिशोषण के भौतिक और रासायनिक गुणों को समझने में मदद करता है54।
चित्र 9A-C क्रमशः लैंगमुइर, फ्रींडलिच और टेमकिन मॉडलों के रेखाचित्र दिखाते हैं। फ्रींडलिच (चित्र 9A) और लैंगमुइर (चित्र 9B) रेखाचित्रों से परिकलित R2 मान और तालिका 2 में प्रस्तुत, दर्शाते हैं कि rGO/nZVI संमिश्र पर DC अधिशोषण, फ्रींडलिच (0.996) और लैंगमुइर (0.988) समतापी मॉडलों और टेमकिन (0.985) का अनुसरण करता है। लैंगमुइर समतापी मॉडल का उपयोग करके परिकलित अधिकतम अधिशोषण क्षमता (qmax) 31.61 mg g-1 थी। इसके अतिरिक्त, विमाहीन पृथक्करण कारक (RL) का परिकलित मान 0 और 1 (0.097) के बीच है, जो एक अनुकूल अधिशोषण प्रक्रिया को दर्शाता है। अन्यथा, परिकलित फ्रींडलिच स्थिरांक (n = 2.756) इस अवशोषण प्रक्रिया के लिए वरीयता को इंगित करता है। टेम्किन समतापी (चित्र 9C) के रैखिक मॉडल के अनुसार, rGO/nZVI कंपोजिट पर DC का अधिशोषण एक भौतिक अधिशोषण प्रक्रिया है, क्योंकि b = ˂ 82 kJ mol-1 (0.408)55 है। यद्यपि भौतिक अधिशोषण आमतौर पर दुर्बल वैन डेर वाल्स बलों द्वारा नियंत्रित होता है, rGO/nZVI कंपोजिट पर दिष्ट धारा अधिशोषण के लिए कम अधिशोषण ऊर्जा की आवश्यकता होती है [56, 57]।
फ्रायंडलिच (A), लैंगमुइर (B), और टेमकिन (C) रैखिक अधिशोषण समतापी [Co = 25–100 mg L–1, pH = 7, T = 25 °C, मात्रा = 0.05 g]। rGO/nZVI संमिश्रों द्वारा DC अधिशोषण के लिए वान्ट हॉफ समीकरण का आलेख (D) [Co = 25–100 mg l-1, pH = 7, T = 25–55 °C और मात्रा = 0.05 g]।
आरजीओ/एनजेडवीआई कंपोजिट से डीसी निष्कासन पर प्रतिक्रिया तापमान परिवर्तन के प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए, थर्मोडायनामिक पैरामीटर जैसे एन्ट्रॉपी परिवर्तन (ΔS), एन्थैल्पी परिवर्तन (ΔH), और मुक्त ऊर्जा परिवर्तन (ΔG) की गणना समीकरण 3 और 458 से की गई।
जहाँ \({K}_{e}\)=\(\frac{{C}_{Ae}}{{C}_{e}}\) – ऊष्मागतिक साम्यावस्था स्थिरांक, विलयन में Ce और CAe – rGO, क्रमशः सतह साम्यावस्था पर /nZVI DC सांद्रताएँ। R और RT क्रमशः गैस स्थिरांक और अधिशोषण तापमान हैं। 1/T के विरुद्ध ln Ke को आलेखित करने पर एक सीधी रेखा प्राप्त होती है (चित्र 9D) जिससे ∆S और ∆H ज्ञात किए जा सकते हैं।
ऋणात्मक ΔH मान इंगित करता है कि प्रक्रिया ऊष्माक्षेपी है। दूसरी ओर, ΔH मान भौतिक अधिशोषण प्रक्रिया के अंतर्गत आता है। तालिका 3 में ऋणात्मक ΔG मान इंगित करते हैं कि अधिशोषण संभव और स्वतःस्फूर्त है। ΔS के ऋणात्मक मान द्रव अंतरापृष्ठ पर अधिशोषक अणुओं के उच्च क्रम को इंगित करते हैं (तालिका 3)।
तालिका 4 में rGO/nZVI कम्पोजिट की तुलना पिछले अध्ययनों में बताए गए अन्य अधिशोषकों से की गई है। यह स्पष्ट है कि VGO/nCVI कम्पोजिट में उच्च अधिशोषण क्षमता है और यह जल से DC एंटीबायोटिक्स को हटाने के लिए एक आशाजनक पदार्थ हो सकता है। इसके अतिरिक्त, rGO/nZVI कम्पोजिट का अधिशोषण एक तीव्र प्रक्रिया है जिसका संतुलन समय 60 मिनट है। rGO/nZVI कम्पोजिट के उत्कृष्ट अधिशोषण गुणों को rGO और nZVI के सहक्रियात्मक प्रभाव द्वारा समझाया जा सकता है।
चित्र 10A, B rGO/nZVI और nZVI संकुलों द्वारा DC एंटीबायोटिक्स को हटाने की तर्कसंगत क्रियाविधि को दर्शाते हैं। DC अधिशोषण की दक्षता पर pH के प्रभाव पर प्रयोगों के परिणामों के अनुसार, pH में 3 से 7 की वृद्धि के साथ, rGO/nZVI संमिश्र पर DC अधिशोषण स्थिरवैद्युत अंतःक्रियाओं द्वारा नियंत्रित नहीं होता, क्योंकि यह एक ज़्विटर आयन के रूप में कार्य करता है; इसलिए, pH मान में परिवर्तन अधिशोषण प्रक्रिया को प्रभावित नहीं करता। इसके बाद, अधिशोषण क्रियाविधि को गैर-स्थैतिकवैद्युत अंतःक्रियाओं जैसे हाइड्रोजन बंधन, जलभीति प्रभाव, और rGO/nZVI संमिश्र तथा DC66 के बीच π-π स्टैकिंग अंतःक्रियाओं द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। यह सर्वविदित है कि स्तरित ग्राफीन की सतहों पर सुगंधित अधिशोष्यों की क्रियाविधि को मुख्य प्रेरक शक्ति के रूप में π–π स्टैकिंग अंतःक्रियाओं द्वारा समझाया गया है। यह सम्मिश्र ग्रैफेन के समान एक स्तरित पदार्थ है जिसका अवशोषण अधिकतम π-π* संक्रमण के कारण 233 nm पर होता है। DC अधिशोष्य की आणविक संरचना में चार सुगंधित वलयों की उपस्थिति के आधार पर, हमने यह अनुमान लगाया कि सुगंधित DC (π-इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता) और RGO सतह पर π-इलेक्ट्रॉनों से समृद्ध क्षेत्र के बीच π-π-स्टैकिंग अंतःक्रिया का एक तंत्र मौजूद है। /nZVI सम्मिश्र। इसके अलावा, जैसा कि चित्र 10B में दिखाया गया है, rGO/nZVI सम्मिश्रों की DC के साथ आणविक अंतःक्रिया का अध्ययन करने के लिए FTIR अध्ययन किए गए और DC अधिशोषण के बाद rGO/nZVI सम्मिश्रों के FTIR स्पेक्ट्रा को चित्र 10B में दिखाया गया है। 2111 cm-1 पर एक नया शिखर देखा गया है, जो C=C बंध के फ्रेमवर्क कंपन के अनुरूप है अन्य शिखर 1561 से 1548 सेमी-1 और 1399 से 1360 सेमी-1 तक स्थानांतरित होते हैं, जो इस बात की भी पुष्टि करता है कि π-π अन्योन्यक्रियाएँ ग्राफीन और कार्बनिक प्रदूषकों के अधिशोषण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं68,69। डीसी अधिशोषण के बाद, कुछ ऑक्सीजन युक्त समूहों, जैसे OH, की तीव्रता घटकर 3270 सेमी-1 हो गई, जिससे पता चलता है कि हाइड्रोजन बंधन अधिशोषण तंत्रों में से एक है। इस प्रकार, परिणामों के आधार पर, rGO/nZVI संमिश्र पर डीसी अधिशोषण मुख्यतः π-π स्टैकिंग अन्योन्यक्रियाओं और H-बंधों के कारण होता है।
आरजीओ/एनजेडवीआई और एनजेडवीआई कॉम्प्लेक्स द्वारा डीसी एंटीबायोटिक्स के अवशोषण की तर्कसंगत क्रियाविधि (ए)। आरजीओ/एनजेडवीआई और एनजेडवीआई पर डीसी का एफटीआईआर अवशोषण स्पेक्ट्रा (बी)।
3244, 1615, 1546 और 1011 सेमी–1 पर nZVI के अवशोषण बैंड की तीव्रता nZVI की तुलना में nZVI पर DC अधिशोषण के बाद बढ़ी (चित्र 10B), जिसे DC में कार्बोक्जिलिक एसिड O समूहों की संभावित कार्यात्मक समूहों के साथ परस्पर क्रिया से संबंधित होना चाहिए। हालांकि, सभी देखे गए बैंडों में संचरण का यह कम प्रतिशत, अधिशोषण प्रक्रिया से पहले nZVI की तुलना में फाइटोसिंथेटिक अधिशोषक (nZVI) की अधिशोषण क्षमता में कोई महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं दर्शाता है। nZVI71 के साथ कुछ DC निष्कासन अनुसंधान के अनुसार, जब nZVI H2O के साथ प्रतिक्रिया करता है, तो इलेक्ट्रॉन मुक्त होते हैं और फिर H+ का उपयोग अत्यधिक अपचयित सक्रिय हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए किया जाता है। अंत में, कुछ धनायनिक यौगिक सक्रिय हाइड्रोजन से इलेक्ट्रॉन ग्रहण करते हैं,