Դոքսիցիկլինային հակաբիոտիկների սիներգետիկ հեռացումը ջրից կանաչ սինթետիկ վերականգնված գրաֆենի օքսիդի և նանո-զրոյական երկաթի կոմպլեքսների միջոցով

Շնորհակալություն Nature.com կայք այցելելու համար: Ձեր օգտագործած դիտարկիչի տարբերակն ունի սահմանափակ CSS աջակցություն: Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում): Մինչդեռ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար, մենք կայքը կցուցադրենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Այս աշխատանքում rGO/nZVI կոմպոզիտները առաջին անգամ սինթեզվել են պարզ և էկոլոգիապես մաքուր ընթացակարգով՝ օգտագործելով Սոֆորայի դեղնավուն տերևի քաղվածքը որպես վերականգնող նյութ և կայունացուցիչ՝ համապատասխանելու «կանաչ» քիմիայի սկզբունքներին, ինչպիսին է ավելի քիչ վնասակար քիմիական սինթեզը: Կոմպոզիտների հաջող սինթեզը հաստատելու համար օգտագործվել են մի շարք գործիքներ, ինչպիսիք են SEM, EDX, XPS, XRD, FTIR և զետա պոտենցիալը, որոնք վկայում են կոմպոզիտի հաջող արտադրության մասին: Նոր կոմպոզիտների և մաքուր nZVI-ի հեռացման ունակությունը դոքսիցիկլին հակաբիոտիկի տարբեր սկզբնական կոնցենտրացիաներում համեմատվել է rGO-ի և nZVI-ի միջև սիներգետիկ ազդեցությունը հետազոտելու համար: 25 մգ L-1, 25°C և 0.05 գ հեռացման պայմաններում մաքուր nZVI-ի ադսորբցիոն հեռացման արագությունը կազմել է 90%, մինչդեռ դոքսիցիկլինի ադսորբցիոն հեռացման արագությունը rGO/nZVI կոմպոզիտի կողմից հասել է 94.6%-ի, հաստատելով, որ nZVI-ն և rGO-ն... Ադսորբցիայի գործընթացը համապատասխանում է կեղծ-երկրորդ կարգի և լավ համապատասխանում է Ֆրոյնդլիխի մոդելին՝ 31.61 մգ գ-1 առավելագույն ադսորբցիայի հզորությամբ 25 °C ջերմաստիճանում և pH 7-ում: Առաջարկվել է DC-ի հեռացման ողջամիտ մեխանիզմ: Բացի այդ, rGO/nZVI կոմպոզիտի վերօգտագործելիությունը վեց հաջորդական վերականգնման ցիկլերից հետո կազմել է 60%:
Ջրի սակավությունն ու աղտոտվածությունն այժմ լուրջ սպառնալիք են բոլոր երկրների համար: Վերջին տարիներին ջրի աղտոտվածությունը, մասնավորապես հակաբիոտիկների աղտոտվածությունը, աճել է COVID-19 համավարակի ընթացքում արտադրության և սպառման աճի պատճառով1,2,3: Հետևաբար, կեղտաջրերից հակաբիոտիկների վերացման արդյունավետ տեխնոլոգիայի մշակումը հրատապ խնդիր է:
Տետրացիկլինի խմբից կայուն կիսասինթետիկ հակաբիոտիկներից մեկը դոքսիցիկլինն է (DC)4,5: Հաղորդվել է, որ ստորգետնյա և մակերեսային ջրերում DC մնացորդները չեն կարող նյութափոխանակվել, միայն 20-50%-ն է նյութափոխանակվում, իսկ մնացածը արտանետվում է շրջակա միջավայր՝ առաջացնելով լուրջ բնապահպանական և առողջապահական խնդիրներ6:
Ցածր մակարդակներով DC-ի ազդեցությունը կարող է սպանել ջրային ֆոտոսինթետիկ միկրոօրգանիզմներին, սպառնալ հակամանրէային մանրէների տարածմանը և մեծացնել հակամանրէային դիմադրողականությունը, ուստի այս աղտոտիչը պետք է հեռացվի կեղտաջրերից: DC-ի բնական քայքայումը ջրում շատ դանդաղ գործընթաց է: Ֆիզիկաքիմիական գործընթացները, ինչպիսիք են ֆոտոլիզը, կենսաքայքայումը և ադսորբցիան, կարող են քայքայվել միայն ցածր կոնցենտրացիաների դեպքում և շատ ցածր արագությամբ7,8: Այնուամենայնիվ, ամենաարդյունավետ, պարզ, էկոլոգիապես մաքուր, հեշտ կառավարվող և արդյունավետ մեթոդը ադսորբցիան9,10 է:
Նանո զրոյական վալենտային երկաթը (nZVI) շատ հզոր նյութ է, որը կարող է ջրից հեռացնել բազմաթիվ հակաբիոտիկներ, այդ թվում՝ մետրոնիդազոլը, դիազեպամը, ցիպրոֆլոքսացինը, քլորամֆենիկոլը և տետրացիկլինը: Այս ունակությունը պայմանավորված է nZVI-ի զարմանալի հատկություններով, ինչպիսիք են բարձր ռեակտիվությունը, մեծ մակերեսը և բազմաթիվ արտաքին կապող տեղամասերը11: Այնուամենայնիվ, nZVI-ն հակված է ագրեգացման ջրային միջավայրում՝ վան դեր Ուելսի ուժերի և բարձր մագնիսական հատկությունների պատճառով, ինչը նվազեցնում է աղտոտիչները հեռացնելու դրա արդյունավետությունը՝ օքսիդային շերտերի առաջացման պատճառով, որոնք արգելակում են nZVI-ի ռեակտիվությունը10,12: nZVI մասնիկների ագլոմերացիան կարող է նվազեցվել՝ դրանց մակերեսները մակերևութային ակտիվ նյութերով և պոլիմերներով փոփոխելով կամ դրանք կոմպոզիտների տեսքով այլ նանոմատերիալների հետ համատեղելով, ինչը ապացուցել է, որ կենսունակ մոտեցում է շրջակա միջավայրում դրանց կայունությունը բարելավելու համար13,14:
Գրաֆենը երկչափ ածխածնային նանոմատերիալ է, որը բաղկացած է sp2-հիբրիդացված ածխածնի ատոմներից, որոնք դասավորված են մեղրամոմի նման ցանցում: Այն ունի մեծ մակերես, զգալի մեխանիկական ամրություն, գերազանց էլեկտրակատալիտիկ ակտիվություն, բարձր ջերմահաղորդականություն, արագ էլեկտրոնային շարժունակություն և համապատասխան կրող նյութ՝ իր մակերեսին անօրգանական նանոմասնիկները պահելու համար: Մետաղական նանոմասնիկների և գրաֆենի համադրությունը կարող է զգալիորեն գերազանցել յուրաքանչյուր նյութի անհատական առավելությունները և, իր գերազանց ֆիզիկական և քիմիական հատկությունների շնորհիվ, ապահովել նանոմասնիկների օպտիմալ բաշխում՝ ջրի ավելի արդյունավետ մաքրման համար15:
Բույսերի քաղվածքները լավագույն այլընտրանքն են վնասակար քիմիական վերականգնող նյութերի համար, որոնք սովորաբար օգտագործվում են վերականգնված գրաֆենի օքսիդի (rGO) և nZVI-ի սինթեզում, քանի որ դրանք մատչելի են, էժան, միափուլ, էկոլոգիապես անվտանգ և կարող են օգտագործվել որպես վերականգնող նյութեր: Ֆլավոնոիդների և ֆենոլային միացությունների նման միացությունները նույնպես գործում են որպես կայունացուցիչ: Հետևաբար, այս ուսումնասիրության մեջ Atriplex halimus L. տերևի քաղվածքը օգտագործվել է որպես վերականգնող և փակող նյութ rGO/nZVI կոմպոզիտների սինթեզի համար: Amaranthaceae ընտանիքից Atriplex halimus-ը ազոտասեր բազմամյա թուփ է՝ լայն աշխարհագրական տիրույթով16:
Հասանելի գրականության համաձայն, Atriplex halimus-ը (A. halimus) առաջին անգամ օգտագործվել է rGO/nZVI կոմպոզիտներ պատրաստելու համար՝ որպես տնտեսող և էկոլոգիապես մաքուր սինթեզի մեթոդ: Այսպիսով, այս աշխատանքի նպատակը բաղկացած է չորս մասից՝ (1) rGO/nZVI և ծնողական nZVI կոմպոզիտների ֆիտոսինթեզ՝ օգտագործելով A. halimus ջրային տերևի քաղվածք, (2) ֆիտոսինթեզված կոմպոզիտների բնութագրում՝ օգտագործելով բազմաթիվ մեթոդներ՝ դրանց հաջող արտադրությունը հաստատելու համար, (3) rGO-ի և nZVI-ի սիներգետիկ ազդեցության ուսումնասիրություն դոքսիցիկլինային հակաբիոտիկների օրգանական աղտոտիչների ադսորբցիայի և հեռացման վրա՝ տարբեր ռեակցիայի պարամետրերի դեպքում, ադսորբցիայի գործընթացի պայմանների օպտիմալացում, (3) կոմպոզիտային նյութերի ուսումնասիրություն տարբեր շարունակական մշակումներում՝ մշակման ցիկլից հետո:
Դոքսիցիկլինի հիդրոքլորիդ (DC, MM = 480.90, քիմիական բանաձև՝ C22H24N2O·HCl, 98%), երկաթի քլորիդի հեքսահիդրատ (FeCl3.6H2O, 97%), գրաֆիտի փոշի՝ գնված Sigma-Aldrich-ից, ԱՄՆ: Նատրիումի հիդրօքսիդը (NaOH, 97%), էթանոլը (C2H5OH, 99.9%) և աղաթթուն (HCl, 37%) գնվել են Merck-ից, ԱՄՆ: NaCl-ը, KCl-ը, CaCl2-ը, MnCl2-ը և MgCl2-ը գնվել են Tianjin Comio Chemical Reagent Co., Ltd.-ից: Բոլոր ռեակտիվները բարձր վերլուծական մաքրության են: Բոլոր ջրային լուծույթները պատրաստելու համար օգտագործվել է կրկնակի թորած ջուր:
A. halimus-ի ներկայացուցչական նմուշներ հավաքվել են Նեղոսի դելտայի բնական միջավայրից և Եգիպտոսի Միջերկրական ծովի ափի երկայնքով գտնվող հողերից: Բուսական նյութը հավաքվել է համապատասխան ազգային և միջազգային ուղեցույցների17 համաձայն: Պրոֆեսոր Մանալ Ֆաուզին բույսերի նմուշները նույնականացրել է Boulos18-ի համաձայն, և Ալեքսանդրիայի համալսարանի շրջակա միջավայրի գիտությունների ամբիոնը թույլատրում է ուսումնասիրված բուսատեսակների հավաքագրումը գիտական նպատակներով: Նմուշների վաուչերները պահվում են Տանտա համալսարանի հերբարիումում (TANE), վաուչերներ համար 14 122–14 127, որը հանրային հերբարիում է, որը հնարավորություն է տալիս մուտք գործել նստեցված նյութեր: Բացի այդ, փոշին կամ կեղտը հեռացնելու համար բույսի տերևները կտրեք փոքր կտորների, 3 անգամ լվացեք ծորակի և թորած ջրով, ապա չորացրեք 50°C ջերմաստիճանում: Բույսը մանրացվել է, 5 գ մանր փոշին ընկղմվել է 100 մլ թորած ջրի մեջ և խառնվել 70°C ջերմաստիճանում 20 րոպե՝ քաղվածք ստանալու համար: Bacillus nicotianae-ի ստացված քաղվածքը զտվել է Ուոթմանի ֆիլտրի թղթի միջով և պահվել մաքուր և ստերիլիզացված խողովակների մեջ 4°C ջերմաստիճանում՝ հետագա օգտագործման համար:
Ինչպես ցույց է տրված նկար 1-ում, GO-ն պատրաստվել է գրաֆիտի փոշուց՝ Համմերսի մոդիֆիկացված մեթոդով: 10 մգ GO փոշին 30 րոպե ուլտրաձայնային մշակմամբ լուծվել է 50 մլ ապաիոնացված ջրի մեջ, ապա 60 րոպե խառնվել են 0.9 գ FeCl3 և 2.9 գ NaAc: Խառնված լուծույթին խառնվելով ավելացվել է 20 մլ ատրիպլեքս տերևի քաղվածք և թողնվել է 80°C ջերմաստիճանում 8 ժամ: Արդյունքում ստացված սև սուսպենզիան զտվել է: Պատրաստված նանոկոմպոզիտները լվացվել են էթանոլով և կրկնակի թորած ջրով, ապա չորացվել են վակուումային վառարանում 50°C ջերմաստիճանում 12 ժամ:
rGO/nZVI և nZVI կոմպլեքսների կանաչ սինթեզի սխեմատիկ և թվային լուսանկարներ և DC հակաբիոտիկների հեռացում աղտոտված ջրից՝ օգտագործելով Atriplex halimus քաղվածքը։
Հակիրճ ասած, ինչպես ցույց է տրված նկար 1-ում, 0.05 Մ Fe3+ իոններ պարունակող երկաթի քլորիդի 10 մլ լուծույթ կաթիլ-կաթիլ ավելացվել է դառը տերևի քաղվածքի 20 մլ լուծույթին 60 րոպե՝ չափավոր տաքացնելով և խառնելով, այնուհետև լուծույթը ցենտրիֆուգացվել է 14,000 պտ/րոպե արագությամբ (Hermle, 15,000 պտ/րոպե) 15 րոպե՝ սև մասնիկներ ստանալու համար, որոնք այնուհետև լվացվել են 3 անգամ էթանոլով և թորած ջրով, ապա չորացվել են վակուումային վառարանում 60°C ջերմաստիճանում գիշերը։
Բույսերի կողմից սինթեզված rGO/nZVI և nZVI կոմպոզիտները բնութագրվել են ուլտրամանուշակագույն-տեսանելի սպեկտրոսկոպիայի միջոցով (T70/T80 շարքի ուլտրամանուշակագույն/տեսանելի սպեկտրոֆոտոմետրեր, PG Instruments Ltd, Մեծ Բրիտանիա) 200-800 նմ սկանավորման տիրույթում: rGO/nZVI և nZVI կոմպոզիտների տեղագրությունը և չափերի բաշխումը վերլուծելու համար օգտագործվել է TEM սպեկտրոսկոպիա (JOEL, JEM-2100F, Ճապոնիա, արագացման լարում 200 կՎ): Վերականգնման և կայունացման գործընթացին պատասխանատու բուսական քաղվածքներում կարող են ներգրավված ֆունկցիոնալ խմբերը գնահատելու համար իրականացվել է FT-IR սպեկտրոսկոպիա (JASCO սպեկտրոմետր 4000-600 սմ-1 տիրույթում): Բացի այդ, սինթեզված նանոմատերիալների մակերևութային լիցքն ուսումնասիրելու համար օգտագործվել է զետա պոտենցիալի վերլուծիչ (Zetasizer Nano ZS Malvern): Փոշիացված նանոմատերիալների ռենտգենյան դիֆրակցիոն չափումների համար օգտագործվել է ռենտգենյան դիֆրակցիոնաչափ (X'PERT PRO, Նիդեռլանդներ), որը գործում է հոսանքի (40 մԱ), լարման (45 կՎ) դեպքում՝ 2θ տիրույթում՝ 20°-ից մինչև 80°, և CuKa1 ճառագայթման (\(\lambda =\) 1.54056 Ao) դեպքում: Էներգիայի դիսպերսիոն ռենտգենյան սպեկտրոմետրը (EDX) (մոդել JEOL JSM-IT100) պատասխանատու էր տարրական կազմի ուսումնասիրության համար՝ XPS-ի վրա -10-ից մինչև 1350 էՎ մոնոքրոմատիկ Al K-α ռենտգենյան ճառագայթներ հավաքելու ժամանակ, բծի չափսը՝ 400 մկմ K-ALPHA (Thermo Fisher Scientific, ԱՄՆ): Լրիվ սպեկտրի փոխանցման էներգիան 200 էՎ է, իսկ նեղ սպեկտրինը՝ 50 էՎ: Փոշու նմուշը սեղմվում է նմուշի պահիչի վրա, որը տեղադրվում է վակուումային խցիկում: Կապման էներգիան որոշելու համար որպես հղման չափանիշ օգտագործվել է C 1 s սպեկտրը 284.58 eV-ում։
Սինթեզված rGO/nZVI նանոկոմպոզիտների արդյունավետությունը դոքսիցիկլինը (DC) ջրային լուծույթներից հեռացնելու գործում ստուգելու համար իրականացվել են ադսորբցիայի փորձեր: Ադսորբցիայի փորձերը կատարվել են 25 մլ Էրլենմայերի սրվակներում՝ 200 պտույտ/րոպե թափահարման արագությամբ՝ օրբիտալ թափահարիչի վրա (Stuart, Orbital Shaker/SSL1) 298 Կ ջերմաստիճանում: DC հիմնական լուծույթը (1000 ppm) նոսրացնելով կրկնակի թորած ջրով: rGO/nSVI դեղաչափի ազդեցությունը ադսորբցիայի արդյունավետության վրա գնահատելու համար տարբեր քաշի (0.01–0.07 գ) նանոկոմպոզիտներ են ավելացվել 20 մլ DC լուծույթի: Կինետիկան և ադսորբցիայի իզոթերմերը ուսումնասիրելու համար ադսորբցիայի 0.05 գ-ը ընկղմվել է CD-ի ջրային լուծույթում՝ սկզբնական կոնցենտրացիայով (25–100 մգ L–1): pH-ի ազդեցությունը DC-ի հեռացման վրա ուսումնասիրվել է pH (3–11) արժեքի և 50 մգ L-1 սկզբնական կոնցենտրացիայի դեպքում 25°C ջերմաստիճանում: Կարգավորեք համակարգի pH-ը՝ ավելացնելով HCl կամ NaOH լուծույթի փոքր քանակություն (Crison pH չափիչ, pH չափիչ, pH 25): Բացի այդ, ուսումնասիրվել է ռեակցիայի ջերմաստիճանի ազդեցությունը ադսորբցիայի փորձերի վրա 25-55°C միջակայքում: Իոնային ուժի ազդեցությունը ադսորբցիայի գործընթացի վրա ուսումնասիրվել է՝ ավելացնելով NaCl-ի տարբեր կոնցենտրացիաներ (0.01–4 մոլ L–1) DC-ի 50 մգ L–1 սկզբնական կոնցենտրացիայի, pH 3 և 7, 25°C ջերմաստիճանում և 0.05 գ ադսորբենտի դեղաչափով: Չադսորբված DC-ի ադսորբցիան չափվել է կրկնակի ճառագայթային UV-Vis սպեկտրոֆոտոմետրի միջոցով (T70/T80 շարք, PG Instruments Ltd, Մեծ Բրիտանիա), որը հագեցած է 1.0 սմ երկարությամբ քվարցե կյուվետներով՝ 270 և 350 նմ առավելագույն ալիքի երկարություններով (λmax): DC հակաբիոտիկների հեռացման տոկոսը (R%; հավասարում 1) և DC-ի ադսորբցիայի քանակը, qt, հավասարում 2 (մգ/գ) չափվել են հետևյալ հավասարման միջոցով:
որտեղ %R-ը DC հեռացման հզորությունն է (%), Co-ն DC-ի սկզբնական կոնցենտրացիան է 0 ժամանակի դրությամբ, իսկ C-ն՝ DC-ի կոնցենտրացիան t ժամանակի դրությամբ, համապատասխանաբար (մգ L-1):
որտեղ qe-ն ադսորբենտի զանգվածի միավորի հաշվով ադսորբված DC-ի քանակն է (մգ գ-1), Co-ն և Ce-ն համապատասխանաբար զրոյական ժամանակում և հավասարակշռության վիճակում կոնցենտրացիաներն են (մգ լ-1), V-ն լուծույթի ծավալն է (լ), իսկ m-ը՝ ադսորբցիայի զանգվածային ռեակտիվը (գ):
ՍԷՄ պատկերները (Նկ. 2A–C) ցույց են տալիս rGO/nZVI կոմպոզիտի շերտավոր ձևաբանությունը՝ գնդաձև երկաթի նանոմասնիկներով, որոնք միատարր կերպով ցրված են դրա մակերեսին, ինչը վկայում է nZVI նանոմասնիկների rGO մակերեսին հաջող կպչելու մասին: Բացի այդ, rGO տերևում կան որոշ կնճիռներ, որոնք հաստատում են թթվածին պարունակող խմբերի հեռացումը A. halimus GO-ի վերականգնման հետ միաժամանակ: Այս մեծ կնճիռները գործում են որպես երկաթի նանոմասնիկների ակտիվ բեռնման վայրեր: nZVI պատկերները (Նկ. 2D-F) ցույց տվեցին, որ գնդաձև երկաթի նանոմասնիկները շատ ցրված էին և չէին ագրեգացվում, ինչը պայմանավորված է բույսերի քաղվածքի բուսական բաղադրիչների ծածկույթային բնույթով: Մասնիկների չափը տատանվում էր 15–26 նմ սահմաններում: Այնուամենայնիվ, որոշ շրջաններ ունեն մեզոփոսպորոզ ձևաբանություն՝ ուռուցիկների և խոռոչների կառուցվածքով, որոնք կարող են ապահովել nZVI-ի բարձր արդյունավետ ադսորբցիոն կարողություն, քանի որ դրանք կարող են մեծացնել DC մոլեկուլների nZVI-ի մակերեսին որսալու հնարավորությունը: Երբ nZVI-ի սինթեզի համար օգտագործվել է վարդի դամասկոսի քաղվածքը, ստացված նանոմասնիկները անհամասեռ էին, դատարկություններով և տարբեր ձևերով, ինչը նվազեցրել է Cr(VI) ադսորբցիայի դրանց արդյունավետությունը և մեծացրել ռեակցիայի ժամանակը23: Արդյունքները համապատասխանում են կաղնու և թթենու տերևներից սինթեզված nZVI-ին, որոնք հիմնականում գնդաձև նանոմասնիկներ են՝ տարբեր նանոմետր չափսերով՝ առանց ակնհայտ ագլոմերացիայի:
rGO/nZVI (AC), nZVI (D, E) կոմպոզիտների ՍԷՄ պատկերներ և nZVI/rGO (G) և nZVI (H) կոմպոզիտների EDX պատկերներ։
Բույսերի կողմից սինթեզված rGO/nZVI և nZVI կոմպոզիտների տարրական կազմը ուսումնասիրվել է EDX-ի միջոցով (Նկ. 2G, H): Ուսումնասիրությունները ցույց են տալիս, որ nZVI-ն կազմված է ածխածնից (38.29% ըստ զանգվածի), թթվածնից (47.41% ըստ զանգվածի) և երկաթից (11.84% ըստ զանգվածի), սակայն առկա են նաև այլ տարրեր, ինչպիսիք են ֆոսֆորը24-ը, որոնք կարելի է ստանալ բույսերի քաղվածքներից: Բացի այդ, ածխածնի և թթվածնի բարձր տոկոսը պայմանավորված է բույսերի քաղվածքներից ստացված ֆիտոքիմիական նյութերի առկայությամբ nZVI-ի ենթամակերեսային նմուշներում: Այս տարրերը հավասարաչափ բաշխված են rGO-ի վրա, բայց տարբեր հարաբերակցություններով. օգտագործվում են C (39.16 զանգվածային %), O (46.98 զանգվածային %) և Fe (10.99 զանգվածային %): EDX-ը ցույց է տալիս նաև այլ տարրերի առկայություն, ինչպիսիք են S-ը, որոնք կարող են կապված լինել բույսերի քաղվածքների հետ: A. halimus-ի օգտագործմամբ rGO/nZVI կոմպոզիտում C:O հարաբերակցությունը և երկաթի պարունակությունը շատ ավելի լավն են, քան էվկալիպտի տերևի քաղվածքի օգտագործումը, քանի որ այն բնութագրում է C (23.44 զանգվածային%), O (68.29 զանգվածային%) և Fe (8.27 զանգվածային%) կազմը 25: Նատաշա և այլք, 2022 թվականին հաղորդել են կաղնու և թթենու տերևներից սինթեզված nZVI-ի նմանատիպ տարրական կազմի մասին և հաստատել, որ տերևի քաղվածքում պարունակվող պոլիֆենոլային խմբերը և այլ մոլեկուլներ պատասխանատու են վերականգնման գործընթացի համար:
Բույսերում սինթեզված nZVI-ի ձևաբանությունը (Նկ. S2A,B) գնդաձև էր և մասամբ անկանոն՝ միջին մասնիկի չափսով՝ 23.09 ± 3.54 նմ, սակայն վան դեր Վալսի ուժերի և ֆերոմագնիսականության պատճառով նկատվել են շղթայական ագրեգատներ: Այս գերակշռող հատիկավոր և գնդաձև մասնիկի ձևը լավ համապատասխանում է SEM արդյունքներին: Նմանատիպ դիտարկում են կատարել Աբդելֆատահը և այլք 2021 թվականին, երբ nZVI11-ի սինթեզում օգտագործվել է գերչակի տերևի քաղվածք: Ruelas tuberosa տերևի քաղվածքի նանոմասնիկները, որոնք օգտագործվում են որպես վերականգնող նյութ nZVI-ում, նույնպես ունեն գնդաձև ձև՝ 20-ից 40 նմ տրամագծով26:
Հիբրիդային rGO/nZVI կոմպոզիտային TEM պատկերները (Նկ. S2C-D) ցույց տվեցին, որ rGO-ն բազալային հարթություն է՝ եզրային ծալքերով և կնճիռներով, որոնք ապահովում են nZVI նանոմասնիկների համար բազմաթիվ բեռնման տեղամասեր. այս շերտավոր ձևաբանությունը նույնպես հաստատում է rGO-ի հաջող արտադրությունը: Բացի այդ, nZVI նանոմասնիկներն ունեն գնդաձև ձև՝ 5.32-ից մինչև 27 նմ մասնիկների չափսերով և ներդրված են rGO շերտում՝ գրեթե միատարր դիսպերսիայով: Fe նանոմասնիկներ/rGO սինթեզելու համար օգտագործվել է էվկալիպտի տերևի քաղվածքը. TEM արդյունքները նաև հաստատեցին, որ rGO շերտի կնճիռները ավելի շատ են բարելավել Fe նանոմասնիկների դիսպերսիան, քան մաքուր Fe նանոմասնիկները, և մեծացրել են կոմպոզիտների ռեակտիվությունը: Նմանատիպ արդյունքներ են ստացվել նաև Բաղերիի և այլոց կողմից 28, երբ կոմպոզիտը պատրաստվել է ուլտրաձայնային տեխնիկայի միջոցով՝ մոտավորապես 17.70 նմ միջին երկաթի նանոմասնիկների չափսերով:
A. halimus-ի, nZVI-ի, GO-ի, rGO-ի և rGO/nZVI կոմպոզիտների FTIR սպեկտրները ներկայացված են Նկար 3Ա-ում: A. halimus-ի տերևներում մակերեսային ֆունկցիոնալ խմբերի առկայությունը նկատվում է 3336 սմ-1-ում, որը համապատասխանում է պոլիֆենոլներին, և 1244 սմ-1-ում, որը համապատասխանում է սպիտակուցի կողմից արտադրված կարբոնիլային խմբերին: Նկատվել են նաև այլ խմբեր, ինչպիսիք են ալկանները՝ 2918 սմ-1-ում, ալկենները՝ 1647 սմ-1-ում և CO-O-CO ընդլայնումները՝ 1030 սմ-1-ում, ինչը ենթադրում է բուսական բաղադրիչների առկայություն, որոնք գործում են որպես կնքող նյութեր և պատասխանատու են Fe2+-ից Fe0-ի և GO-ից rGO29-ի վերականգնման համար: Ընդհանուր առմամբ, nZVI սպեկտրները ցույց են տալիս նույն կլանման գագաթները, ինչ դառը շաքարները, բայց մի փոքր տեղաշարժված դիրքով: 3244 սմ-1-ում առաջանում է ինտենսիվ գոտի, որը կապված է OH ձգման տատանումների (ֆենոլներ) հետ, 1615-ում գագաթնակետը համապատասխանում է C=C-ին, իսկ 1546 և 1011 սմ-1-ի գոտիները առաջանում են C=O-ի (պոլիֆենոլներ և ֆլավոնոիդներ) ձգման պատճառով, արոմատիկ ամինների CN-խմբերի և ալիֆատիկ ամինների համապատասխանաբար դիտվել են նաև 1310 սմ-1 և 1190 սմ-1-ում13: GO-ի FTIR սպեկտրը ցույց է տալիս բազմաթիվ բարձր ինտենսիվության թթվածին պարունակող խմբերի առկայություն, այդ թվում՝ ալկօքսի (CO) ձգման գոտին 1041 սմ-1-ում, էպօքսիդային (CO) ձգման գոտին 1291 սմ-1-ում, C=O ձգումը: Հայտնվել են C=C ձգման տատանումների գոտի 1619 սմ-1-ում, 1708 սմ-1-ում գոտի և OH խմբի ձգման տատանումների լայն գոտի 3384 սմ-1-ում, ինչը հաստատվում է Համմերսի բարելավված մեթոդով, որը հաջողությամբ օքսիդացնում է գրաֆիտային պրոցեսը: rGO և rGO/nZVI կոմպոզիտները GO սպեկտրներով համեմատելիս որոշ թթվածին պարունակող խմբերի ինտենսիվությունը, ինչպիսին է OH-ը 3270 սմ-1-ում, զգալիորեն նվազում է, մինչդեռ մյուսների ինտենսիվությունը, ինչպիսին է C=O-ն 1729 սմ-1-ում, լիովին նվազում է, ինչը վկայում է GO-ից թթվածին պարունակող ֆունկցիոնալ խմբերի հաջող հեռացման մասին A. halimus-ի քաղվածքի միջոցով: C=C լարվածության դեպքում rGO-ի նոր սուր բնութագրական գագաթներ են դիտվում 1560 և 1405 սմ-1-ի շուրջ, ինչը հաստատում է GO-ի վերականգնումը rGO-ի: Դիտարկվել են 1043-ից մինչև 1015 սմ-1 և 982-ից մինչև 918 սմ-1 տատանումներ, հնարավոր է՝ բուսական նյութի ներառման պատճառով31,32: Վենգը և այլք, 2018թ., նույնպես նկատել են GO-ում թթվածնավորված ֆունկցիոնալ խմբերի զգալի թուլացում, հաստատելով rGO-ի հաջող առաջացումը կենսավերականգնման միջոցով, քանի որ էվկալիպտի տերևի քաղվածքները, որոնք օգտագործվել են վերականգնված երկաթի գրաֆենի օքսիդի կոմպոզիտներ սինթեզելու համար, ցույց են տվել բույսերի բաղադրիչի ֆունկցիոնալ խմբերի ավելի մոտ FTIR սպեկտրներ: 33
Ա. Գալիումի, nZVI, rGO, GO, rGO/nZVI կոմպոզիտի FTIR սպեկտրը (Ա): Ռենտգենոգրաֆիկ rGO, GO, nZVI և rGO/nZVI կոմպոզիտների սպեկտրը (Բ):
rGO/nZVI և nZVI կոմպոզիտների առաջացումը մեծապես հաստատվել է ռենտգենյան դիֆրակցիոն պատկերներով (Նկ. 3B): Բարձր ինտենսիվության Fe0 գագաթնակետը դիտվել է 2Ɵ 44.5°-ում, որը համապատասխանում է (110) ինդեքսին (JCPDS համար 06–0696)11: (311) հարթության 35.1°-ում գտնվող մեկ այլ գագաթնակետը վերագրվում է Fe3O4 մագնետիտին, 63.2°-ն կարող է կապված լինել (440) հարթության Միլլերի ինդեքսի հետ՝ ϒ-FeOOH-ի առկայության պատճառով (JCPDS համար 17-0536)34: GO-ի ռենտգենյան պատկերը ցույց է տալիս սուր գագաթնակետ 2Ɵ 10.3°-ում և մեկ այլ գագաթնակետ 21.1°-ում, որը ցույց է տալիս գրաֆիտի լիակատար շերտազատումը և ընդգծում է թթվածին պարունակող խմբերի առկայությունը GO35-ի մակերեսին: rGO-ի և rGO/nZVI-ի կոմպոզիտային պատկերներում գրանցվել է GO-ի բնորոշ գագաթների անհետացումը և լայն rGO գագաթների առաջացումը համապատասխանաբար 2Ɵ 22.17 և 24.7° անկյուններում՝ rGO և rGO/nZVI կոմպոզիտների համար, ինչը հաստատել է GO-ի հաջող վերականգնումը բուսական քաղվածքների միջոցով: Այնուամենայնիվ, rGO/nZVI կոմպոզիտային պատկերում Fe0 (110) և bcc Fe0 (200) ցանցային հարթության հետ կապված լրացուցիչ գագաթներ են դիտվել համապատասխանաբար 44.9\(^\circ\) և 65.22\(^\circ\) անկյուններում:
Զետա պոտենցիալը մասնիկի մակերեսին ամրացված իոնային շերտի և ջրային լուծույթի միջև եղած պոտենցիալն է, որը որոշում է նյութի էլեկտրաստատիկ հատկությունները և չափում դրա կայունությունը37: Բույսերի կողմից սինթեզված nZVI, GO և rGO/nZVI կոմպոզիտների զետա պոտենցիալի վերլուծությունը ցույց է տվել դրանց կայունությունը՝ համապատասխանաբար -20.8, -22 և -27.4 մՎ բացասական լիցքերի առկայության շնորհիվ, ինչպես ցույց է տրված S1A-C նկարում: Նման արդյունքները համապատասխանում են մի շարք զեկույցների, որոնք նշում են, որ -25 մՎ-ից ցածր զետա պոտենցիալի արժեք ունեցող մասնիկներ պարունակող լուծույթները, որպես կանոն, ցուցաբերում են բարձր աստիճանի կայունություն՝ այդ մասնիկների միջև էլեկտրաստատիկ վանողականության պատճառով: rGO-ի և nZVI-ի համադրությունը թույլ է տալիս կոմպոզիտին ձեռք բերել ավելի շատ բացասական լիցքեր և, հետևաբար, ունի ավելի բարձր կայունություն, քան GO-ն կամ nZVI-ն առանձին: Հետևաբար, էլեկտրաստատիկ վանողականության երևույթը կհանգեցնի կայուն rGO/nZVI39 կոմպոզիտների առաջացմանը: GO-ի բացասական մակերեսը թույլ է տալիս այն հավասարաչափ ցրվել ջրային միջավայրում՝ առանց ագլոմերացիայի, ինչը բարենպաստ պայմաններ է ստեղծում nZVI-ի հետ փոխազդեցության համար: Բացասական լիցքը կարող է կապված լինել դառը սեխի քաղվածքում տարբեր ֆունկցիոնալ խմբերի առկայության հետ, ինչը նաև հաստատում է GO-ի և երկաթի նախորդների, ինչպես նաև բուսական քաղվածքի փոխազդեցությունը՝ համապատասխանաբար rGO և nZVI, ինչպես նաև rGO/nZVI համալիրի առաջացման համար: Այս բուսական միացությունները կարող են նաև գործել որպես ծածկող նյութեր, քանի որ դրանք կանխում են առաջացող նանոմասնիկների ագրեգացիան և այդպիսով մեծացնում դրանց կայունությունը40:
nZVI և rGO/nZVI կոմպոզիտների տարրական կազմը և վալենտային վիճակները որոշվել են XPS մեթոդով (Նկար 4): XPS ընդհանուր ուսումնասիրությունը ցույց է տվել, որ rGO/nZVI կոմպոզիտը հիմնականում կազմված է C, O և Fe տարրերից, ինչը համապատասխանում է EDS քարտեզագրմանը (Նկար 4F–H): C1s սպեկտրը բաղկացած է երեք գագաթներից՝ 284.59 eV, 286.21 eV և 288.21 eV, որոնք համապատասխանաբար ներկայացնում են CC, CO և C=O: O1s սպեկտրը բաժանվել է երեք գագաթների՝ 531.17 eV, 532.97 eV և 535.45 eV, որոնք համապատասխանաբար վերագրվել են O=CO, CO և NO խմբերին: Այնուամենայնիվ, 710.43, 714.57 և 724.79 eV գագաթները վերաբերում են համապատասխանաբար Fe 2p3/2, Fe+3 և Fe p1/2: nZVI-ի XPS սպեկտրները (Նկ. 4C-E) ցույց տվեցին C, O և Fe տարրերի գագաթնակետերը: 284.77, 286.25 և 287.62 eV գագաթնակետերը հաստատում են երկաթ-ածխածնային համաձուլվածքների առկայությունը, քանի որ դրանք համապատասխանաբար վերաբերում են CC, C-OH և CO-ին: O1s սպեկտրը համապատասխանում էր երեք գագաթնակետերի՝ C–O/երկաթի կարբոնատ (531.19 eV), հիդրօքսիլային ռադիկալ (532.4 eV) և O–C=O (533.47 eV): 719.6-ի գագաթնակետը վերագրվում է Fe0-ին, մինչդեռ FeOOH-ը ցույց է տալիս գագաթնակետեր 717.3 և 723.7 eV-ում, բացի այդ, 725.8 eV-ի գագաթնակետը ցույց է տալիս Fe2O342.43-ի առկայությունը:
nZVI և rGO/nZVI կոմպոզիտների XPS ուսումնասիրություններ, համապատասխանաբար (A, B): nZVI C1s (C), Fe2p (D) և O1s (E) և rGO/nZVI C1s (F), Fe2p (G), O1s (H) կոմպոզիտների լրիվ սպեկտրները:
N2 ադսորբցիայի/դեսորբցիայի իզոթերմը (Նկար 5A, B) ցույց է տալիս, որ nZVI և rGO/nZVI կոմպոզիտները պատկանում են II տիպին: Բացի այդ, nZVI-ի տեսակարար մակերևույթի մակերեսը (SBET) աճել է 47.4549-ից մինչև 152.52 մ2/գ՝ rGO-ով կույրացումից հետո: Այս արդյունքը կարելի է բացատրել nZVI-ի մագնիսական հատկությունների նվազմամբ՝ rGO-ով կույրացումից հետո, որի արդյունքում նվազեցվել է մասնիկների ագրեգացիան և մեծացվել է կոմպոզիտների մակերեսը: Բացի այդ, ինչպես ցույց է տրված Նկար 5C-ում, rGO/nZVI կոմպոզիտի ծակոտիների ծավալը (8.94 նմ) ավելի բարձր է, քան սկզբնական nZVI-ինը (2.873 նմ): Այս արդյունքը համապատասխանում է Էլ-Մոնաեմի և այլոց 45 եզրակացությանը:
rGO/nZVI կոմպոզիտների և սկզբնական nZVI-ի միջև DC-ն հեռացնելու ադսորբցիոն ունակությունը գնահատելու համար՝ կախված սկզբնական կոնցենտրացիայի աճից, համեմատություն է կատարվել՝ DC-ին տարբեր սկզբնական կոնցենտրացիաներով ավելացնելով յուրաքանչյուր ադսորբենտի հաստատուն դոզա (0.05 գ): Հետազոտված լուծույթ [25]: –100 մգ լ-1] 25°C ջերմաստիճանում: Արդյունքները ցույց են տվել, որ rGO/nZVI կոմպոզիտի հեռացման արդյունավետությունը (94.6%) ավելի բարձր էր, քան սկզբնական nZVI-ինը (90%)՝ ավելի ցածր կոնցենտրացիայի դեպքում (25 մգ Լ-1): Սակայն, երբ սկզբնական կոնցենտրացիան բարձրացվեց մինչև 100 մգ Լ-1, rGO/nZVI-ի և ծնողական nZVI-ի հեռացման արդյունավետությունը նվազեց համապատասխանաբար մինչև 70% և 65% (Նկար 6Ա), ինչը կարող է պայմանավորված լինել ակտիվ կենտրոնների ավելի քիչ քանակով և nZVI մասնիկների քայքայմամբ: Ընդհակառակը, rGO/nZVI-ը ցույց տվեց DC-ի հեռացման ավելի բարձր արդյունավետություն, ինչը կարող է պայմանավորված լինել rGO-ի և nZVI-ի միջև սիներգիստական ազդեցությամբ, որտեղ ադսորբցիայի համար հասանելի կայուն ակտիվ կենտրոնները շատ ավելի բարձր են, և rGO/nZVI-ի դեպքում ավելի շատ DC կարող է ադսորբվել, քան ամբողջական nZVI-ն: Բացի այդ, նկար 6B-ում երևում է, որ rGO/nZVI և nZVI կոմպոզիտների ադսորբցիայի հզորությունը համապատասխանաբար աճել է 9.4 մգ/գ-ից մինչև 30 մգ/գ և 9 մգ/գ, սկզբնական կոնցենտրացիայի 25-100 մգ/լ-ից (-1.1) մինչև 28.73 մգ գ-1 աճով: Հետևաբար, DC-ի հեռացման արագությունը բացասականորեն կապված էր սկզբնական DC կոնցենտրացիայի հետ, ինչը պայմանավորված էր լուծույթում DC-ի ադսորբցիայի և հեռացման համար յուրաքանչյուր ադսորբենտի կողմից աջակցվող ռեակցիոն կենտրոնների սահմանափակ թվով: Այսպիսով, այս արդյունքներից կարելի է եզրակացնել, որ rGO/nZVI կոմպոզիտներն ունեն ադսորբցիայի և վերականգնման ավելի բարձր արդյունավետություն, և rGO/nZVI-ի կազմում պարունակվող rGO-ն կարող է օգտագործվել և՛ որպես ադսորբենտ, և՛ որպես կրող նյութ։
rGO/nZVI և nZVI կոմպոզիտի հեռացման արդյունավետությունը և DC ադսորբցիոն կարողությունը հետևյալն էին (A, B) [Co = 25 մգ լ-1–100 մգ լ-1, T = 25 °C, դոզան = 0.05 գ], pH-ը՝ rGO/nZVI կոմպոզիտների ադսորբցիոն կարողության և DC ադսորբցիոն կարողության վրա (C) [Co = 50 մգ լ-1, pH = 3–11, T = 25°C, դոզան = 0.05 գ]:
Լուծույթի pH-ը կարևոր գործոն է ադսորբցիայի պրոցեսների ուսումնասիրության մեջ, քանի որ այն ազդում է ադսորբենտի իոնացման, տեսակավորման և իոնացման աստիճանի վրա: Փորձը կատարվել է 25°C ջերմաստիճանում՝ ադսորբենտի հաստատուն դեղաչափով (0.05 գ) և 50 մգ L-1 սկզբնական կոնցենտրացիայով՝ pH միջակայքում (3–11): Գրականության վերանայման համաձայն46, DC-ն ամֆիֆիլ մոլեկուլ է՝ մի քանի իոնացվող ֆունկցիոնալ խմբերով (ֆենոլներ, ամինո խմբեր, սպիրտներ)՝ pH-ի տարբեր մակարդակներում: Արդյունքում, DC-ի տարբեր ֆունկցիաները և rGO/nZVI կոմպոզիտի մակերեսին գտնվող դրանց հետ կապված կառուցվածքները կարող են փոխազդել էլեկտրաստատիկորեն և գոյություն ունենալ որպես կատիոններ, ցվիտերիոններ և անիոններ, DC մոլեկուլը գոյություն ունի որպես կատիոնային (DCH3+) pH < 3.3-ի դեպքում, ցվիտերիոնային (DCH20) 3.3 < pH < 7.7-ի դեպքում և անիոնային (DCH− կամ DC2−) pH 7.7-ի դեպքում։ Արդյունքում, DC-ի տարբեր ֆունկցիաները և rGO/nZVI կոմպոզիտի մակերեսին գտնվող դրանց հետ կապված կառուցվածքները կարող են փոխազդել էլեկտրաստատիկորեն և գոյություն ունենալ որպես կատիոններ, ցվիտերիոններ և անիոններ, DC մոլեկուլը գոյություն ունի որպես կատիոնային (DCH3+) pH < 3.3-ի դեպքում, ցվիտերիոնային (DCH20) 3.3 < pH < 7.7-ի դեպքում և անիոնային (DCH- կամ DC2-) pH 7.7-ի դեպքում։ В результа различные функции ДК и связанных с ними структур на поверхности композита rGO/nZVI կարող է взаимодействовать электростатически и могут существовать в виде катионов, цвиттер-ионов, катионов и ани. (DCH3+) при рН < 3,3, цвитер-ионный (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 и анионный (DCH- կամ DC2-) при pH 7,7: Արդյունքում, rGO/nZVI կոմպոզիտի մակերեսին գտնվող DC-ի և դրանց հետ կապված կառուցվածքների տարբեր ֆունկցիաները կարող են էլեկտրաստատիկ փոխազդել և գոյություն ունենալ կատիոնների, ցվիտերիոնների և անիոնների տեսքով։ DC մոլեկուլը գոյություն ունի որպես կատիոն (DCH3+) pH < 3.3-ի դեպքում, իոնային (DCH20) 3.3 < pH < 7.7-ի դեպքում և անիոնային (DCH- կամ DC2-) pH 7.7-ի դեպքում։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 ， 的 种 功能 和 和 和 和 和 复合 材料 表面 的 甸关 结构 可能 结构 可能相互 ， 并 可能 以 阳离子 两 性 和 阴离子 形式 ， , dc 分子 在 pH <3.3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。 Следовательно, различные функции ДК и родственных им структур на поверхности композита rGO/nZVI կարող է вступать в электростатические взаимодействия и существовать в виде катионов, цвиттер-ионов, цвиттер-ионов, акулани. катионными (ДЦГ3+) при рН < 3,3. Հետևաբար, rGO/nZVI կոմպոզիտի մակերեսին գտնվող DC-ի և դրանց հետ կապված կառուցվածքների տարբեր ֆունկցիաները կարող են մտնել էլեկտրաստատիկ փոխազդեցությունների մեջ և գոյություն ունենալ կատիոնների, ցվիտերիոնների և անիոնների տեսքով, մինչդեռ DC մոլեկուլները կատիոնային են (DCH3+) pH < 3.3-ի դեպքում։ On suщestvuet в виде цвиттер-иона (DCH20) при 3,3 < pH < 7,7 և անիոնա (DCH- կամ DC2-) և pH 7,7: Այն գոյություն ունի որպես ցվիտերիոն (DCH20) 3.3 < pH < 7.7-ում և որպես անիոն (DCH- կամ DC2-) 7.7 pH-ում։pH-ի 3-ից մինչև 7 բարձրացման հետ մեկտեղ, DC-ի հեռացման ադսորբցիոն ունակությունը և արդյունավետությունը 11.2 մգ/գ-ից (56%) աճել են մինչև 17 մգ/գ (85%) (Նկ. 6C): Սակայն, pH-ի 9 և 11-ի բարձրացման հետ մեկտեղ, ադսորբցիոն ունակությունը և հեռացման արդյունավետությունը որոշ չափով նվազել են՝ համապատասխանաբար 10.6 մգ/գ-ից (53%) մինչև 6 մգ/գ (30%): pH-ի 3-ից մինչև 7 բարձրացման հետ մեկտեղ, DC-ները հիմնականում գոյություն ունեին ցվիտերիոնների տեսքով, ինչը դրանք գրեթե ոչ էլեկտրաստատիկորեն ձգվող կամ ետ մղվող էր դարձնում rGO/nZVI կոմպոզիտների դեպքում, հիմնականում էլեկտրաստատիկ փոխազդեցության միջոցով: Երբ pH-ը բարձրանում էր 8.2-ից բարձր, ադսորբենտի մակերեսը բացասական լիցքավորվում էր, այդպիսով ադսորբցիոն ունակությունը նվազում և նվազում էր բացասական լիցքավորված դոքսիցիկլինի և ադսորբենտի մակերեսի միջև էլեկտրաստատիկ վանողականության պատճառով: Այս միտումը ենթադրում է, որ rGO/nZVI կոմպոզիտների վրա DC ադսորբցիան խիստ կախված է pH-ից, և արդյունքները նաև ցույց են տալիս, որ rGO/nZVI կոմպոզիտները հարմար են որպես ադսորբենտներ թթվային և չեզոք պայմաններում։
Ջերմաստիճանի ազդեցությունը DC-ի ջրային լուծույթի ադսորբցիայի վրա ուսումնասիրվել է (25–55°C ջերմաստիճանում): Նկար 7Ա-ն ցույց է տալիս ջերմաստիճանի բարձրացման ազդեցությունը DC հակաբիոտիկների հեռացման արդյունավետության վրա rGO/nZVI-ի վրա, հստակ երևում է, որ հեռացման և ադսորբցիայի հզորությունը համապատասխանաբար աճել են 83.44%-ից և 13.9 մգ/գ-ից մինչև 47% և 7.83 մգ/գ: Այս նշանակալի նվազումը կարող է պայմանավորված լինել DC իոնների ջերմային էներգիայի աճով, որը հանգեցնում է դեսորբցիայի47:
Ջերմաստիճանի ազդեցությունը CD-ի հեռացման արդյունավետության և ադսորբցիոն կարողության վրա rGO/nZVI կոմպոզիտների վրա (A) [Co = 50 մգ L–1, pH = 7, դեղաչափ = 0.05 գ], ադսորբենտի դեղաչափը CD-ի հեռացման արդյունավետության և ադսորբցիոն կարողության վրա։ Սկզբնական կոնցենտրացիայի ազդեցությունը rGO/nSVI կոմպոզիտի վրա DC-ի հեռացման ադսորբցիոն կարողության և արդյունավետության վրա (B) [Co = 50 մգ L–1, pH = 7, T = 25°C] (C, D) [Co = 25–100 մգ L–1, pH = 7, T = 25 °C, դեղաչափ = 0.05 գ]:
Կոմպոզիտային rGO/nZVI ադսորբենտի դեղաչափի 0.01 գ-ից մինչև 0.07 գ բարձրացման ազդեցությունը հեռացման արդյունավետության և ադսորբցիոն հզորության վրա ներկայացված է Նկար 7Բ-ում: Ադսորբենտի դեղաչափի բարձրացումը հանգեցրել է ադսորբցիոն հզորության նվազմանը 33.43 մգ/գ-ից մինչև 6.74 մգ/գ: Սակայն, ադսորբենտի դեղաչափի 0.01 գ-ից մինչև 0.07 գ բարձրացման դեպքում հեռացման արդյունավետությունը մեծանում է 66.8%-ից մինչև 96%, ինչը, համապատասխանաբար, կարող է կապված լինել նանոկոմպոզիտային մակերեսի վրա ակտիվ կենտրոնների թվի աճի հետ:
Ուսումնասիրվել է սկզբնական կոնցենտրացիայի ազդեցությունը ադսորբցիոն կարողության և հեռացման արդյունավետության վրա [25–100 մգ L-1, 25°C, pH 7, դեղաչափը՝ 0.05 գ]: Երբ սկզբնական կոնցենտրացիան 25 մգ L-1-ից բարձրացվեց մինչև 100 մգ L-1, rGO/nZVI կոմպոզիտի հեռացման տոկոսը նվազեց 94.6%-ից մինչև 65% (Նկար 7C), հավանաբար ցանկալի ակտիվ կենտրոնների բացակայության պատճառով: . Ադսորբում է DC49-ի մեծ կոնցենտրացիաներ: Մյուս կողմից, սկզբնական կոնցենտրացիայի աճին զուգընթաց, ադսորբցիոն կարողությունը նույնպես աճեց 9.4 մգ/գ-ից մինչև 30 մգ/գ, մինչև հավասարակշռության հասնելը (Նկար 7D): Այս անխուսափելի ռեակցիան պայմանավորված է շարժիչ ուժի աճով, երբ սկզբնական DC կոնցենտրացիան մեծ է DC իոնների զանգվածի փոխանցման դիմադրության մեծությունից՝ rGO/nZVI կոմպոզիտի մակերես 50-ին հասնելու համար:
Շփման ժամանակի և կինետիկ ուսումնասիրությունները նպատակ ունեն հասկանալու ադսորբցիայի հավասարակշռության ժամանակը: Նախ, շփման ժամանակի առաջին 40 րոպեների ընթացքում ադսորբված DC-ի քանակը կազմում էր ամբողջ ժամանակի ընթացքում (100 րոպե) ադսորբված ընդհանուր քանակի մոտավորապես կեսը: Մինչդեռ լուծույթում DC մոլեկուլները բախվում են՝ ստիպելով նրանց արագորեն տեղափոխվել rGO/nZVI կոմպոզիտի մակերես, ինչը հանգեցնում է զգալի ադսորբցիայի: 40 րոպե անց DC ադսորբցիան աստիճանաբար և դանդաղորեն աճում է մինչև հավասարակշռության հասնելը 60 րոպե անց (Նկ. 7D): Քանի որ առաջին 40 րոպեների ընթացքում ադսորբվում է բավարար քանակություն, DC մոլեկուլների հետ բախումները ավելի քիչ կլինեն, և ոչ ադսորբված մոլեկուլների համար ավելի քիչ ակտիվ կենտրոններ կլինեն: Հետևաբար, ադսորբցիայի արագությունը կարող է նվազել51:
Ադսորբցիայի կինետիկան ավելի լավ հասկանալու համար օգտագործվել են կեղծ առաջին կարգի (Նկար 8Ա), կեղծ երկրորդ կարգի (Նկար 8Բ) և Էլովիչի (Նկար 8Գ) կինետիկ մոդելների գծապատկերները: Կինետիկական ուսումնասիրություններից ստացված պարամետրերից (աղյուսակ S1) պարզ է դառնում, որ կեղծ վայրկյանային մոդելը ադսորբցիայի կինետիկան նկարագրելու լավագույն մոդելն է, որտեղ R2 արժեքը սահմանված է ավելի բարձր, քան մյուս երկու մոդելներում: Հաշվարկված ադսորբցիայի հզորությունների (qe, cal) միջև նույնպես նմանություն կա: Կեղծ-երկրորդային կարգի և փորձարարական արժեքները (qe, exp.) լրացուցիչ ապացույց են այն բանի, որ կեղծ-երկրորդային կարգի մոդելն ավելի լավ մոդել է, քան մյուս մոդելները: Ինչպես ցույց է տրված աղյուսակ 1-ում, α (սկզբնական ադսորբցիայի արագություն) և β (դեսորբցիայի հաստատուն) արժեքները հաստատում են, որ ադսորբցիայի արագությունն ավելի բարձր է, քան դեսորբցիայի արագությունը, ինչը ցույց է տալիս, որ DC-ն հակված է արդյունավետորեն ադսորբել rGO/nZVI52 կոմպոզիտի վրա:
Գծային ադսորբցիայի կինետիկ դիագրամներ կեղծ-երկրորդ կարգի (A), կեղծ-առաջին կարգի (B) և Էլովիչի (C) համար [Co = 25–100 մգ l–1, pH = 7, T = 25 °C, դոզան = 0.05 գ]:
Ադսորբցիայի իզոթերմերի ուսումնասիրությունները օգնում են որոշել ադսորբենտի (RGO/nRVI կոմպոզիտ) ադսորբցիայի կարողությունը տարբեր ադսորբատի կոնցենտրացիաների (DC) և համակարգի ջերմաստիճանների դեպքում: Առավելագույն ադսորբցիայի կարողությունը հաշվարկվել է Լանգմյուիրի իզոթերմի միջոցով, որը ցույց է տվել, որ ադսորբցիան միատարր է և ներառում է ադսորբենտի մակերեսին ադսորբատի մոնաշերտի առաջացում՝ առանց դրանց միջև փոխազդեցության53: Երկու այլ լայնորեն օգտագործվող իզոթերմ մոդելներ են Ֆրոյնդլիխի և Թեմկինի մոդելները: Չնայած Ֆրոյնդլիխի մոդելը չի օգտագործվում ադսորբցիայի կարողությունը հաշվարկելու համար, այն օգնում է հասկանալ տարասեռ ադսորբցիայի գործընթացը և այն, որ ադսորբենտի վրա թափուր տեղերն ունեն տարբեր էներգիաներ, մինչդեռ Թեմկինի մոդելը օգնում է հասկանալ ադսորբցիայի ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները54:
Նկարներ 9A-C-ն համապատասխանաբար ցույց են տալիս Լանգմյուիրի, Ֆրեյնդլիխի և Թեմկինի մոդելների գծապատկերները: Ֆրեյնդլիխի (Նկար 9A) և Լանգմյուիրի (Նկար 9B) գծապատկերներից հաշվարկված և աղյուսակ 2-ում ներկայացված R2 արժեքները ցույց են տալիս, որ rGO/nZVI կոմպոզիտի վրա DC ադսորբցիան հետևում է Ֆրեյնդլիխի (0.996) և Լանգմյուիրի (0.988) իզոթերմ մոդելներին և Թեմկինի (0.985) սկզբունքին: Լանգմյուիրի իզոթերմ մոդելի միջոցով հաշվարկված առավելագույն ադսորբցիոն հզորությունը (qmax) կազմել է 31.61 մգ գ-1: Բացի այդ, չափազանց բաժանման գործակցի (RL) հաշվարկված արժեքը 0-ից 1 (0.097) միջակայքում է, ինչը ցույց է տալիս բարենպաստ ադսորբցիոն գործընթաց: Հակառակ դեպքում, հաշվարկված Ֆրեյնդլիխի հաստատունը (n = 2.756) ցույց է տալիս այս կլանման գործընթացի նախընտրությունը: Թեմկինի իզոթերմի գծային մոդելի համաձայն (Նկ. 9C), rGO/nZVI կոմպոզիտի վրա DC-ի ադսորբցիան ֆիզիկական ադսորբցիայի գործընթաց է, քանի որ b-ն ˂ 82 կՋ մոլ-1 (0.408)55 է: Չնայած ֆիզիկական ադսորբցիան սովորաբար միջնորդվում է թույլ վան դեր Վալսի ուժերով, rGO/nZVI կոմպոզիտների վրա հաստատուն հոսանքի ադսորբցիան պահանջում է ցածր ադսորբցիայի էներգիաներ [56, 57]:
Ֆրոյնդլիխի (A), Լանգմյուրի (B) և Թեմկինի (C) գծային ադսորբցիայի իզոթերմեր [Co = 25–100 մգ L–1, pH = 7, T = 25 °C, դոզան = 0.05 գ]: rGO/nZVI կոմպոզիտների կողմից DC ադսորբցիայի վան'տ-Հոֆի հավասարման գրաֆիկը (D) [Co = 25–100 մգ l-1, pH = 7, T = 25–55 °C և դոզան = 0.05 գ]:
Ռեակցիայի ջերմաստիճանի փոփոխության ազդեցությունը rGO/nZVI կոմպոզիտներից DC-ի հեռացման վրա գնահատելու համար, 3 և 458 հավասարումներից հաշվարկվել են թերմոդինամիկ պարամետրեր, ինչպիսիք են էնտրոպիայի փոփոխությունը (ΔS), էնթալպիայի փոփոխությունը (ΔH) և ազատ էներգիայի փոփոխությունը (ΔG):
որտեղ \({K}_{e}\)=\(\frac{{C}_{Ae}}{{C}_{e}}\) – թերմոդինամիկական հավասարակշռության հաստատունը, Ce և CAe – rGO լուծույթում, համապատասխանաբար /nZVI DC կոնցենտրացիաները մակերևութային հավասարակշռության վիճակում: R-ը և RT-ն համապատասխանաբար գազի հաստատունն են և ադսորբցիայի ջերմաստիճանը: ln Ke-ն 1/T-ի նկատմամբ գծագրելով ստացվում է ուղիղ գիծ (Նկար 9D), որից կարելի է որոշել ΔS-ը և ΔH-ը:
Բացասական ΔH արժեքը ցույց է տալիս, որ գործընթացը էկզոթերմ է։ Մյուս կողմից, ΔH արժեքը ֆիզիկական ադսորբցիայի գործընթացի սահմաններում է։ Աղյուսակ 3-ում ներկայացված բացասական ΔG արժեքները ցույց են տալիս, որ ադսորբցիան հնարավոր է և ինքնաբուխ։ ΔS-ի բացասական արժեքները ցույց են տալիս ադսորբենտ մոլեկուլների բարձր դասավորվածություն հեղուկի միջերեսում (աղյուսակ 3):
Աղյուսակ 4-ում համեմատվում է rGO/nZVI կոմպոզիտը նախորդ ուսումնասիրություններում ներկայացված այլ ադսորբենտների հետ։ Ակնհայտ է, որ VGO/nCVI կոմպոզիտն ունի բարձր ադսորբցիոն ունակություն և կարող է լինել խոստումնալից նյութ ջրից DC հակաբիոտիկները հեռացնելու համար։ Բացի այդ, rGO/nZVI կոմպոզիտների ադսորբցիան արագ գործընթաց է՝ 60 րոպե հավասարակշռման ժամանակով։ rGO/nZVI կոմպոզիտների գերազանց ադսորբցիոն հատկությունները կարելի է բացատրել rGO-ի և nZVI-ի սիներգետիկ ազդեցությամբ։
Նկարներ 10A-ն և B-ն պատկերում են rGO/nZVI և nZVI համալիրների կողմից DC հակաբիոտիկների հեռացման ռացիոնալ մեխանիզմը: DC ադսորբցիայի արդյունավետության վրա pH-ի ազդեցության վերաբերյալ փորձերի արդյունքների համաձայն, pH-ի 3-ից մինչև 7 բարձրացման դեպքում, rGO/nZVI կոմպոզիտի վրա DC ադսորբցիան չի կառավարվել էլեկտրաստատիկ փոխազդեցություններով, քանի որ այն գործել է որպես ցվիտերիոն. հետևաբար, pH-ի արժեքի փոփոխությունը չի ազդել ադսորբցիայի գործընթացի վրա: Հետագայում, ադսորբցիայի մեխանիզմը կարող է կառավարվել ոչ էլեկտրաստատիկ փոխազդեցություններով, ինչպիսիք են ջրածնային կապերը, հիդրոֆոբ էֆեկտները և rGO/nZVI կոմպոզիտի և DC66-ի միջև π-π կուտակող փոխազդեցությունները: Հայտնի է, որ շերտավորված գրաֆենի մակերեսներին արոմատիկ ադսորբատների մեխանիզմը բացատրվել է π-π կուտակող փոխազդեցություններով որպես հիմնական շարժիչ ուժ: Կոմպոզիտը գրաֆենին նման շերտավորված նյութ է՝ 233 նմ-ում կլանման առավելագույնով՝ π-π* անցման շնորհիվ: Հիմնվելով DC ադսորբատի մոլեկուլային կառուցվածքում չորս արոմատիկ օղակների առկայության վրա, մենք ենթադրեցինք, որ գոյություն ունի π-π-stacking փոխազդեցության մեխանիզմ արոմատիկ DC-ի (π-էլեկտրոնային ընդունիչ) և RGO մակերեսին π-էլեկտրոններով հարուստ շրջանի միջև: /nZVI կոմպոզիտներ: Բացի այդ, ինչպես ցույց է տրված նկար 10Բ-ում, FTIR ուսումնասիրություններ են իրականացվել՝ rGO/nZVI կոմպոզիտների DC-ի հետ մոլեկուլային փոխազդեցությունն ուսումնասիրելու համար, և rGO/nZVI կոմպոզիտների FTIR սպեկտրները DC ադսորբցիայից հետո ներկայացված են նկար 10Բ-ում: 2111 սմ-1-ում դիտվում է նոր գագաթ, որը համապատասխանում է C=C կապի շրջանակային տատանմանը, ինչը ցույց է տալիս համապատասխան օրգանական ֆունկցիոնալ խմբերի առկայությունը 67 rGO/nZVI-ի մակերեսին: Այլ գագաթները տատանվում են 1561-ից մինչև 1548 սմ-1 և 1399-ից մինչև 1360 սմ-1, ինչը նույնպես հաստատում է, որ π-π փոխազդեցությունները կարևոր դեր են խաղում գրաֆենի և օրգանական աղտոտիչների ադսորբցիայում68,69: DC ադսորբցիայից հետո որոշ թթվածին պարունակող խմբերի, ինչպիսիք են OH-ը, ինտենսիվությունը նվազել է մինչև 3270 սմ-1, ինչը ենթադրում է, որ ջրածնային կապը ադսորբցիայի մեխանիզմներից մեկն է: Այսպիսով, արդյունքների հիման վրա, rGO/nZVI կոմպոզիտի վրա DC ադսորբցիան տեղի է ունենում հիմնականում π-π կուտակող փոխազդեցությունների և H-կապերի շնորհիվ:
DC հակաբիոտիկների rGO/nZVI և nZVI կոմպլեքսների կողմից ադսորբցիայի ռացիոնալ մեխանիզմը (A): DC-ի FTIR ադսորբցիայի սպեկտրները rGO/nZVI և nZVI-ի վրա (B):
nZVI-ի 3244, 1615, 1546 և 1011 սմ–1 կլանման գոտիների ինտենսիվությունը nZVI-ի վրա DC ադսորբցիայից հետո (Նկար 10Բ) աճել է nZVI-ի համեմատ, ինչը պետք է կապված լինի DC-ում կարբոնաթթվային O խմբերի հնարավոր ֆունկցիոնալ խմբերի հետ փոխազդեցության հետ։ Այնուամենայնիվ, բոլոր դիտարկված գոտիներում փոխանցման այս ցածր տոկոսը ցույց է տալիս ֆիտոսինթետիկ ադսորբենտի (nZVI) ադսորբցիայի արդյունավետության էական փոփոխություն nZVI-ի համեմատ ադսորբցիայի գործընթացից առաջ։ nZVI71-ով DC հեռացման որոշ հետազոտությունների համաձայն, երբ nZVI-ն փոխազդում է H2O-ի հետ, էլեկտրոններ են անջատվում, և այնուհետև H+-ը օգտագործվում է բարձր վերականգնվող ակտիվ ջրածին ստանալու համար։ Վերջապես, որոշ կատիոնային միացություններ ընդունում են էլեկտրոններ ակտիվ ջրածնից, ինչի արդյունքում առաջանում են -C=N և -C=C-, ինչը վերագրվում է բենզոլային օղակի տրոհմանը։