დოქსიციკლინის ანტიბიოტიკების სინერგიული მოცილება წყლიდან მწვანე სინთეზური აღდგენილი გრაფენის ოქსიდის და ნანო-ნულოვანი რკინის კომპლექსების გამოყენებით.

გმადლობთ, რომ ეწვიეთ Nature.com-ს. თქვენს მიერ გამოყენებულ ბრაუზერის ვერსიას CSS-ის შეზღუდული მხარდაჭერა აქვს. საუკეთესო გამოცდილებისთვის გირჩევთ გამოიყენოთ განახლებული ბრაუზერი (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში). ამასობაში, მხარდაჭერის უწყვეტი უზრუნველყოფის მიზნით, საიტს სტილებისა და JavaScript-ის გარეშე ვაჩვენებთ.
ამ ნაშრომში, rGO/nZVI კომპოზიტები პირველად სინთეზირდა მარტივი და ეკოლოგიურად სუფთა პროცედურის გამოყენებით, სოფორას მოყვითალო ფოთლის ექსტრაქტის გამოყენებით, როგორც აღმდგენი აგენტისა და სტაბილიზატორის, „მწვანე“ ქიმიის პრინციპების შესაბამისად, როგორიცაა ნაკლებად მავნე ქიმიური სინთეზი. კომპოზიტების წარმატებული სინთეზის დასადასტურებლად გამოყენებული იქნა რამდენიმე ინსტრუმენტი, როგორიცაა SEM, EDX, XPS, XRD, FTIR და ზეტა პოტენციალი, რაც მიუთითებს კომპოზიტის წარმატებულ დამზადებაზე. ახალი კომპოზიტებისა და სუფთა nZVI-ის მოცილების უნარი ანტიბიოტიკ დოქსიციკლინის სხვადასხვა საწყის კონცენტრაციაზე შედარებული იქნა rGO-სა და nZVI-ს შორის სინერგიული ეფექტის გამოსაკვლევად. 25 მგ L-1, 25°C და 0.05 გ მოცილების პირობებში, სუფთა nZVI-ის ადსორბციული მოცილების სიჩქარე იყო 90%, ხოლო დოქსიციკლინის ადსორბციული მოცილების სიჩქარე rGO/nZVI კომპოზიტით 94.6%-ს აღწევდა, რაც ადასტურებს, რომ nZVI და rGO... ადსორბციის პროცესი შეესაბამება ფსევდომეორე რიგის პროცესს და კარგად შეესაბამება ფროინდლიხის მოდელს, რომლის მაქსიმალური ადსორბციული უნარი 25°C ტემპერატურაზე და pH 7-ზე 31.61 მგ გ-1-ია. შემოთავაზებულია DC-ის მოცილების გონივრული მექანიზმი. გარდა ამისა, rGO/nZVI კომპოზიტის ხელახალი გამოყენებადობა ექვსი თანმიმდევრული რეგენერაციის ციკლის შემდეგ 60% იყო.
წყლის დეფიციტი და დაბინძურება ამჟამად სერიოზულ საფრთხეს უქმნის ყველა ქვეყანას. ბოლო წლებში წყლის დაბინძურება, განსაკუთრებით ანტიბიოტიკებით დაბინძურება, გაიზარდა COVID-19 პანდემიის დროს წარმოებისა და მოხმარების ზრდის გამო1,2,3. ამიტომ, ჩამდინარე წყლებში ანტიბიოტიკების აღმოფხვრის ეფექტური ტექნოლოგიის შემუშავება გადაუდებელი ამოცანაა.
ტეტრაციკლინის ჯგუფის ერთ-ერთი რეზისტენტული ნახევრად სინთეზური ანტიბიოტიკია დოქსიციკლინი (DC)4,5. არსებობს ინფორმაცია, რომ მიწისქვეშა და ზედაპირულ წყლებში DC ნარჩენების მეტაბოლიზება შეუძლებელია, მხოლოდ 20-50% მეტაბოლიზდება, დანარჩენი კი გარემოში გამოიყოფა, რაც სერიოზულ გარემოსდაცვით და ჯანმრთელობის პრობლემებს იწვევს6.
დაბალი დონის DC-ის ზემოქმედებამ შეიძლება გაანადგუროს წყლის ფოტოსინთეზური მიკროორგანიზმები, საფრთხე შეუქმნას ანტიმიკრობული ბაქტერიების გავრცელებას და გაზარდოს ანტიმიკრობული რეზისტენტობა, ამიტომ ეს დამაბინძურებელი უნდა მოიხსნას ჩამდინარე წყლებიდან. წყალში DC-ის ბუნებრივი დაშლა ძალიან ნელი პროცესია. ფიზიკურ-ქიმიური პროცესები, როგორიცაა ფოტოლიზი, ბიოდეგრადაცია და ადსორბცია, შეიძლება დაშლილი იყოს მხოლოდ დაბალი კონცენტრაციით და ძალიან დაბალი სიჩქარით7,8. თუმცა, ყველაზე ეკონომიური, მარტივი, ეკოლოგიურად სუფთა, ადვილად დასამუშავებელი და ეფექტური მეთოდია ადსორბცია9,10.
ნანო-ნულვალენტიანი რკინა (nZVI) ძალიან ძლიერი მასალაა, რომელსაც შეუძლია წყლიდან მრავალი ანტიბიოტიკის, მათ შორის მეტრონიდაზოლის, დიაზეპამის, ციპროფლოქსაცინის, ქლორამფენიკოლისა და ტეტრაციკლინის მოშორება. ეს უნარი განპირობებულია nZVI-ის საოცარი თვისებებით, როგორიცაა მაღალი რეაქტიულობა, დიდი ზედაპირის ფართობი და მრავალი გარე შეკავშირების ადგილი11. თუმცა, nZVI მიდრეკილია აგრეგაციისკენ წყალხსნარში ვან დერ ველსის ძალებისა და მაღალი მაგნიტური თვისებების გამო, რაც ამცირებს მის ეფექტურობას დამაბინძურებლების მოცილებაში ოქსიდის ფენების წარმოქმნის გამო, რომლებიც აფერხებენ nZVI-ის რეაქტიულობას10,12. nZVI ნაწილაკების აგლომერაცია შეიძლება შემცირდეს მათი ზედაპირების მოდიფიცირებით ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებებითა და პოლიმერებით ან მათი სხვა ნანომასალების კომპოზიტების სახით შერწყმით, რაც აღმოჩნდა სიცოცხლისუნარიანი მიდგომა მათი სტაბილურობის გასაუმჯობესებლად გარემოში13,14.
გრაფენი არის ორგანზომილებიანი ნახშირბადის ნანომასალა, რომელიც შედგება sp2-ჰიბრიდიზებული ნახშირბადის ატომებისგან, რომლებიც განლაგებულია თაფლისებრ ბადეში. მას აქვს დიდი ზედაპირის ფართობი, მნიშვნელოვანი მექანიკური სიმტკიცე, შესანიშნავი ელექტროკატალიზური აქტივობა, მაღალი თბოგამტარობა, ელექტრონული სწრაფი მობილურობა და შესაფერისი მატარებელი მასალა არაორგანული ნანონაწილაკების მის ზედაპირზე დასაჭერად. ლითონის ნანონაწილაკებისა და გრაფენის კომბინაციას შეუძლია მნიშვნელოვნად გადააჭარბოს თითოეული მასალის ინდივიდუალურ სარგებელს და, მისი უმაღლესი ფიზიკური და ქიმიური თვისებების გამო, უზრუნველყოს ნანონაწილაკების ოპტიმალური განაწილება უფრო ეფექტური წყლის დამუშავებისთვის15.
მცენარეული ექსტრაქტები წარმოადგენს საუკეთესო ალტერნატივას მავნე ქიმიური აღმდგენი აგენტებისა, რომლებიც ხშირად გამოიყენება აღდგენილი გრაფენის ოქსიდის (rGO) და nZVI-ის სინთეზში, რადგან ისინი ხელმისაწვდომია, იაფია, ერთსაფეხურიანია, ეკოლოგიურად უსაფრთხოა და შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც აღმდგენი აგენტები. ფლავონოიდები და ფენოლური ნაერთები ასევე სტაბილიზატორის ფუნქციას ასრულებენ. ამიტომ, ამ კვლევაში, Atriplex halimus L.-ის ფოთლის ექსტრაქტი გამოყენებული იქნა როგორც აღმდგენი და დახურვის აგენტი rGO/nZVI კომპოზიტების სინთეზისთვის. Amaranthaceae-ს ოჯახიდან Atriplex halimus არის აზოტის მოყვარული მრავალწლიანი ბუჩქი ფართო გეოგრაფიული არეალით16.
არსებული ლიტერატურის მიხედვით, Atriplex halimus (A. halimus) პირველად გამოიყენეს rGO/nZVI კომპოზიტების დასამზადებლად, როგორც ეკონომიური და ეკოლოგიურად სუფთა სინთეზის მეთოდი. ამრიგად, ამ ნაშრომის მიზანი ოთხი ნაწილისგან შედგება: (1) rGO/nZVI და მშობელი nZVI კომპოზიტების ფიტოსინთეზი A. halimus-ის წყლის ფოთლის ექსტრაქტის გამოყენებით, (2) ფიტოსინთეზირებული კომპოზიტების დახასიათება მრავალი მეთოდის გამოყენებით მათი წარმატებული დამზადების დასადასტურებლად, (3) rGO-სა და nZVI-ის სინერგიული ეფექტის შესწავლა დოქსიციკლინის ანტიბიოტიკების ორგანული დამაბინძურებლების ადსორბციასა და მოცილებაში სხვადასხვა რეაქციის პარამეტრებში, ადსორბციის პროცესის პირობების ოპტიმიზაცია, (3) კომპოზიტური მასალების გამოკვლევა სხვადასხვა უწყვეტი დამუშავების დროს დამუშავების ციკლის შემდეგ.
დოქსიციკლინის ჰიდროქლორიდი (DC, MM = 480.90, ქიმიური ფორმულა C22H24N2O·HCl, 98%), რკინის ქლორიდის ჰექსაჰიდრატი (FeCl3.6H2O, 97%), გრაფიტის ფხვნილი შეძენილია Sigma-Aldrich-ისგან, აშშ. ნატრიუმის ჰიდროქსიდი (NaOH, 97%), ეთანოლი (C2H5OH, 99.9%) და მარილმჟავა (HCl, 37%) შეძენილია Merck-ისგან, აშშ. NaCl, KCl, CaCl2, MnCl2 და MgCl2 შეძენილია Tianjin Comio Chemical Reagent Co., Ltd.-სგან. ყველა რეაგენტი მაღალი ანალიტიკური სისუფთავისაა. ყველა წყალხსნარის მოსამზადებლად გამოყენებული იქნა ორჯერ გამოხდილი წყალი.
A. halimus-ის წარმომადგენლობითი ნიმუშები შეგროვდა მათი ბუნებრივი ჰაბიტატიდან ნილოსის დელტასა და ეგვიპტის ხმელთაშუა ზღვის სანაპიროს გასწვრივ. მცენარეული მასალა შეგროვდა მოქმედი ეროვნული და საერთაშორისო სახელმძღვანელო პრინციპების შესაბამისად17. პროფესორმა მანალ ფავზიმ მცენარის ნიმუშები Boulos-ის18 მიხედვით დაადგინა, ხოლო ალექსანდრიის უნივერსიტეტის გარემოსდაცვითი მეცნიერებების დეპარტამენტი ავტორიზაციას უწევს შესწავლილი მცენარეთა სახეობების შეგროვებას სამეცნიერო მიზნებისთვის. ნიმუშების ვაუჩერები ინახება ტანტას უნივერსიტეტის ჰერბარიუმში (TANE), ვაუჩერები №14 122–14 127, საჯარო ჰერბარიუმი, რომელიც უზრუნველყოფს წვდომას დალექილ მასალებზე. გარდა ამისა, მტვრის ან ჭუჭყის მოსაშორებლად, მცენარის ფოთლები დაჭერით პატარა ნაჭრებად, 3-ჯერ ჩამოიბანეთ ონკანით და გამოხდილი წყლით და შემდეგ გააშრეთ 50°C ტემპერატურაზე. მცენარე დაჭყლიტეს, 5 გ წვრილი ფხვნილი ჩაუშვეს 100 მლ გამოხდილ წყალში და ექსტრაქტის მისაღებად 20 წუთის განმავლობაში მოურიეს 70°C ტემპერატურაზე. მიღებული Bacillus nicotianae-ს ექსტრაქტი გაფილტრეს Whatman-ის ფილტრის ქაღალდით და შეინახეს სუფთა და სტერილიზებულ მილებში 4°C ტემპერატურაზე შემდგომი გამოყენებისთვის.
როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 1-ზე, GO დამზადდა გრაფიტის ფხვნილისგან მოდიფიცირებული ჰამერსის მეთოდით. GO-ს 10 მგ ფხვნილი გაიხსნა 50 მლ დეიონიზებულ წყალში 30 წუთის განმავლობაში ულტრაბგერითი დამუშავების ქვეშ, შემდეგ კი 0.9 გ FeCl3 და 2.9 გ NaAc შერეული იქნა 60 წუთის განმავლობაში. მორევიან ხსნარს დაემატა 20 მლ ატრიპლექსის ფოთლის ექსტრაქტი მორევის ქვეშ და დარჩა 80°C ტემპერატურაზე 8 საათის განმავლობაში. მიღებული შავი სუსპენზია გაფილტრული იქნა. მომზადებული ნანოკომპოზიტები გარეცხილი იქნა ეთანოლით და ორჯერ გამოხდილი წყლით და შემდეგ გაშრეს ვაკუუმურ ღუმელში 50°C ტემპერატურაზე 12 საათის განმავლობაში.
rGO/nZVI და nZVI კომპლექსების მწვანე სინთეზის სქემატური და ციფრული ფოტოები და DC ანტიბიოტიკების მოცილება დაბინძურებული წყლიდან Atriplex halimus ექსტრაქტის გამოყენებით.
მოკლედ, როგორც ნაჩვენებია ნახ. 1-ში, 0.05 M Fe3+ იონების შემცველი რკინის ქლორიდის ხსნარის 10 მლ წვეთ-წვეთობით დაემატა მწარე ფოთლის ექსტრაქტის 20 მლ ხსნარს 60 წუთის განმავლობაში ზომიერი გაცხელებითა და მორევის ქვეშ, შემდეგ ხსნარი დაცენტრიფუგდა 14,000 ბრ/წთ-ზე (Hermle, 15,000 ბრ/წთ) 15 წუთის განმავლობაში შავი ნაწილაკების მისაღებად, რომლებიც შემდეგ 3-ჯერ გაირეცხა ეთანოლითა და გამოხდილი წყლით და შემდეგ გაშრა ვაკუუმურ ღუმელში 60°C ტემპერატურაზე მთელი ღამის განმავლობაში.
მცენარეული სინთეზირებული rGO/nZVI და nZVI კომპოზიტები დახასიათდა ულტრაიისფერი-ხილული სპექტროსკოპიით (T70/T80 სერიის UV/Vis სპექტროფოტომეტრები, PG Instruments Ltd, დიდი ბრიტანეთი) 200-800 ნმ სკანირების დიაპაზონში. rGO/nZVI და nZVI კომპოზიტების ტოპოგრაფიისა და ზომის განაწილების გასაანალიზებლად გამოყენებული იქნა TEM სპექტროსკოპია (JOEL, JEM-2100F, იაპონია, აჩქარების ძაბვა 200 კვ). აღდგენისა და სტაბილიზაციის პროცესზე პასუხისმგებელი მცენარეული ექსტრაქტების ფუნქციური ჯგუფების შესაფასებლად ჩატარდა FT-IR სპექტროსკოპია (JASCO სპექტრომეტრი 4000-600 სმ-1 დიაპაზონში). გარდა ამისა, სინთეზირებული ნანომასალების ზედაპირული მუხტის შესასწავლად გამოყენებული იქნა ზეტა პოტენციალის ანალიზატორი (Zetasizer Nano ZS Malvern). ფხვნილისებრი ნანომასალების რენტგენის დიფრაქციული გაზომვებისთვის გამოყენებული იქნა რენტგენის დიფრაქტომეტრი (X'PERT PRO, ნიდერლანდები), რომელიც მუშაობს დენის (40 mA), ძაბვის (45 კვ) 2θ დიაპაზონში 20°-დან 80°-მდე და CuKa1 გამოსხივების (\(\lambda =\ ) 1.54056 Ao) დროს. ენერგიის დისპერსიული რენტგენის სპექტრომეტრი (EDX) (მოდელი JEOL JSM-IT100) პასუხისმგებელი იყო ელემენტარული შემადგენლობის შესწავლაზე Al K-α მონოქრომატული რენტგენის სხივების -10-დან 1350 eV-მდე XPS-ზე შეგროვებისას, ლაქის ზომა 400 μm K-ALPHA (Thermo Fisher Scientific, აშშ) სრული სპექტრის გადაცემის ენერგიაა 200 eV, ხოლო ვიწრო სპექტრის - 50 eV. ფხვნილის ნიმუში დაპრესილია ნიმუშის დამჭერზე, რომელიც მოთავსებულია ვაკუუმურ კამერაში. შეკავშირების ენერგიის დასადგენად, 284.58 eV-ზე, საცნობარო ნიშნულად გამოყენებული იქნა C 1 s სპექტრი.
სინთეზირებული rGO/nZVI ნანოკომპოზიტების ეფექტურობის შესამოწმებლად წყალხსნარებიდან დოქსიციკლინის (DC) მოცილებაში ჩატარდა ადსორბციის ექსპერიმენტები. ადსორბციის ექსპერიმენტები ჩატარდა 25 მლ ერლენმაიერის კოლბებში, 200 ბრ/წთ შენჯღრევის სიჩქარით, ორბიტალურ შეიკერზე (Stuart, Orbital Shaker/SSL1) 298 K ტემპერატურაზე. DC საწყის ხსნარს (1000 ppm) ორჯერ გამოხდილ წყალში აზავებდნენ. rGO/nSVI დოზის ადსორბციის ეფექტურობაზე გავლენის შესაფასებლად, სხვადასხვა წონის (0.01–0.07 გ) ნანოკომპოზიტები დაემატა 20 მლ DC ხსნარს. კინეტიკისა და ადსორბციის იზოთერმების შესასწავლად, ადსორბენტის 0.05 გ ჩაეშვა CD-ს წყალხსნარში საწყისი კონცენტრაციით (25–100 მგ ლ–1). pH-ის გავლენა DC-ის მოცილებაზე შესწავლილი იქნა pH-ის (3–11) და 50 მგ L-1 საწყისი კონცენტრაციის დროს 25°C ტემპერატურაზე. სისტემის pH-ის რეგულირებისთვის გამოიყენეთ HCl ან NaOH ხსნარის მცირე რაოდენობა (Crison pH მრიცხველი, pH მრიცხველი, pH 25). გარდა ამისა, გამოკვლეული იქნა რეაქციის ტემპერატურის გავლენა ადსორბციის ექსპერიმენტებზე 25-55°C დიაპაზონში. იონური სიძლიერის გავლენა ადსორბციის პროცესზე შესწავლილი იქნა NaCl-ის სხვადასხვა კონცენტრაციის (0.01–4 მოლ L–1) დამატებით DC-ის 50 მგ L–1 საწყისი კონცენტრაციით, pH 3 და 7, 25°C ტემპერატურაზე და 0.05 გ ადსორბენტის დოზით. არაადორბირებული DC-ის ადსორბცია გაიზომა ორმაგი სხივური UV-Vis სპექტროფოტომეტრის (T70/T80 სერია, PG Instruments Ltd, დიდი ბრიტანეთი) გამოყენებით, რომელიც აღჭურვილი იყო 1.0 სმ სიგრძის კვარცის კიუვეტებით 270 და 350 ნმ მაქსიმალური ტალღის სიგრძით (λmax). DC ანტიბიოტიკების მოცილების პროცენტული მაჩვენებელი (R%; განტოლება 1) და DC-ის ადსორბციის რაოდენობა, qt, განტოლება 2 (მგ/გ) გაიზომა შემდეგი განტოლების გამოყენებით.
სადაც %R არის DC-ის მოცილების უნარი (%), Co არის DC-ის საწყისი კონცენტრაცია 0 დროს, ხოლო C არის DC-ის კონცენტრაცია t დროს, შესაბამისად (მგ L-1).
სადაც qe არის ადსორბენტის მასის ერთეულზე ადსორბირებული DC-ის რაოდენობა (მგ გ-1), Co და Ce არის კონცენტრაციები ნულოვანი დროისა და წონასწორობის მდგომარეობაში, შესაბამისად (მგ ლ-1), V არის ხსნარის მოცულობა (ლ) და m არის ადსორბციული მასის რეაგენტი (გ).
SEM გამოსახულებები (სურ. 2A–C) აჩვენებს rGO/nZVI კომპოზიტის ლამელურ მორფოლოგიას სფერული რკინის ნანონაწილაკებით, რომლებიც თანაბრად არის გაფანტული მის ზედაპირზე, რაც მიუთითებს nZVI ნანონაწილაკების rGO ზედაპირზე წარმატებულ მიმაგრებაზე. გარდა ამისა, rGO ფოთოლში არის გარკვეული ნაოჭები, რაც ადასტურებს ჟანგბადის შემცველი ჯგუფების მოცილებას A. halimus GO-ს აღდგენასთან ერთად. ეს დიდი ნაოჭები რკინის ნანონაწილაკების აქტიური დატვირთვის ადგილებს წარმოადგენს. nZVI გამოსახულებები (სურ. 2D-F) აჩვენებს, რომ სფერული რკინის ნანონაწილაკები ძალიან გაფანტული იყო და არ აგრეგირებული იყო, რაც მცენარეული ექსტრაქტის ბოტანიკური კომპონენტების საფარის ბუნებით არის განპირობებული. ნაწილაკების ზომა მერყეობდა 15–26 ნმ-ის ფარგლებში. თუმცა, ზოგიერთ რეგიონს აქვს მეზოფოროვანი მორფოლოგია ამობურცულობებისა და ღრუების სტრუქტურით, რაც უზრუნველყოფს nZVI-ის მაღალ ეფექტურ ადსორბციულ უნარს, რადგან მათ შეუძლიათ გაზარდონ DC მოლეკულების nZVI-ის ზედაპირზე დაჭერის შესაძლებლობა. როდესაც nZVI-ის სინთეზისთვის გამოყენებული იქნა როზა დამასკოს ექსტრაქტი, მიღებული ნანონაწილაკები იყო არაერთგვაროვანი, სიცარიელეებითა და სხვადასხვა ფორმებით, რაც ამცირებდა მათ ეფექტურობას Cr(VI)-ის ადსორბციაში და ზრდიდა რეაქციის დროს.23 შედეგები შეესაბამება მუხისა და თუთის ფოთლებიდან სინთეზირებულ nZVI-ს, რომლებიც ძირითადად სფერული ნანონაწილაკებია სხვადასხვა ნანომეტრის ზომის, აშკარა აგლომერაციის გარეშე.
rGO/nZVI (AC), nZVI (D, E) კომპოზიტების SEM გამოსახულებები და nZVI/rGO (G) და nZVI (H) კომპოზიტების EDX ნიმუშები.
მცენარეული სინთეზირებული rGO/nZVI და nZVI კომპოზიტების ელემენტარული შემადგენლობა შესწავლილი იქნა EDX-ის გამოყენებით (სურ. 2G, H). კვლევები აჩვენებს, რომ nZVI შედგება ნახშირბადისგან (მასის 38.29%), ჟანგბადისგან (მასის 47.41%) და რკინისგან (მასის 11.84%), თუმცა ასევე წარმოდგენილია სხვა ელემენტები, როგორიცაა ფოსფორი24, რომელთა მიღება შესაძლებელია მცენარეული ექსტრაქტებიდან. გარდა ამისა, ნახშირბადის და ჟანგბადის მაღალი პროცენტული მაჩვენებელი განპირობებულია მცენარეული ექსტრაქტებიდან ფიტოქიმიკატების არსებობით nZVI-ის მიწისქვეშა ნიმუშებში. ეს ელემენტები თანაბრად არის განაწილებული rGO-ზე, მაგრამ სხვადასხვა თანაფარდობით: C (39.16 წონითი %), O (46.98 წონითი %) და Fe (10.99 წონითი %), EDX. rGO/nZVI ასევე აჩვენებს სხვა ელემენტების, როგორიცაა S, არსებობას, რომლებიც შეიძლება ასოცირებული იყოს მცენარეულ ექსტრაქტებთან. A. halimus-ის გამოყენებით rGO/nZVI კომპოზიტში C:O თანაფარდობა და რკინის შემცველობა გაცილებით უკეთესია, ვიდრე ევკალიპტის ფოთლის ექსტრაქტის გამოყენებით, რადგან ის ახასიათებს C-ის (23.44 წონ.%), O-ს (68.29 წონ.% ) და Fe-ს (8.27 წონ.% ) შემადგენლობას 25. ნატაშა და სხვ., 2022, აღწერენ nZVI-ის მსგავს ელემენტარულ შემადგენლობას, რომელიც სინთეზირებულია მუხისა და თუთის ფოთლებიდან და დაადასტურეს, რომ ფოთლის ექსტრაქტში შემავალი პოლიფენოლური ჯგუფები და სხვა მოლეკულები პასუხისმგებელნი არიან აღდგენის პროცესზე.
მცენარეებში სინთეზირებული nZVI-ის მორფოლოგია (სურ. S2A,B) იყო სფერული და ნაწილობრივ არარეგულარული, საშუალო ნაწილაკების ზომით 23.09 ± 3.54 ნმ, თუმცა, ვან დერ ვაალის ძალებისა და ფერომაგნეტიზმის გამო დაფიქსირდა ჯაჭვური აგრეგატები. ნაწილაკების ეს უპირატესად მარცვლოვანი და სფერული ფორმა კარგად შეესაბამება SEM შედეგებს. მსგავსი დაკვირვება აღმოაჩინეს აბდელფატაჰმა და სხვებმა 2021 წელს, როდესაც nZVI11-ის სინთეზში გამოიყენეს აბუსალათინის ფოთლის ექსტრაქტი. nZVI-ში აღმდგენი აგენტის სახით გამოყენებულ Ruelas tuberosa-ს ფოთლის ექსტრაქტის ნანონაწილაკებს ასევე აქვთ სფერული ფორმა 20-დან 40 ნმ-მდე დიამეტრით26.
ჰიბრიდული rGO/nZVI კომპოზიტის TEM სურათებმა (სურ. S2C-D) აჩვენა, რომ rGO არის ბაზალური სიბრტყე კიდური ნაკეცებითა და ნაოჭებით, რაც უზრუნველყოფს nZVI ნანონაწილაკების მრავალჯერად ჩატვირთვის ადგილს; ეს ლამელარული მორფოლოგია ასევე ადასტურებს rGO-ს წარმატებულ დამზადებას. გარდა ამისა, nZVI ნანონაწილაკებს აქვთ სფერული ფორმა ნაწილაკების ზომით 5.32-დან 27 ნმ-მდე და ჩანერგილია rGO ფენაში თითქმის ერთგვაროვანი დისპერსიით. ევკალიპტის ფოთლის ექსტრაქტი გამოყენებული იქნა Fe ნანონაწილაკების/rGO-ს სინთეზირებისთვის; TEM-ის შედეგებმა ასევე დაადასტურა, რომ rGO ფენაში ნაოჭები აუმჯობესებდა Fe ნანონაწილაკების დისპერსიას სუფთა Fe ნანონაწილაკებთან შედარებით და ზრდიდა კომპოზიტების რეაქტიულობას. მსგავსი შედეგები მიიღეს ბაგერიმ და სხვებმა 28, როდესაც კომპოზიტი დამზადდა ულტრაბგერითი ტექნიკის გამოყენებით, რკინის ნანონაწილაკების საშუალო ზომით დაახლოებით 17.70 ნმ.
A. halimus-ის, nZVI-ის, GO-ს, rGO-ს და rGO/nZVI კომპოზიტების FTIR სპექტრები ნაჩვენებია ნახ. 3A-ზე. A. halimus-ის ფოთლებში ზედაპირული ფუნქციური ჯგუფების არსებობა შეინიშნება 3336 სმ-1-ზე, რაც შეესაბამება პოლიფენოლებს, და 1244 სმ-1-ზე, რაც შეესაბამება ცილის მიერ წარმოქმნილ კარბონილის ჯგუფებს. ასევე დაფიქსირდა სხვა ჯგუფები, როგორიცაა ალკანები 2918 სმ-1-ზე, ალკენები 1647 სმ-1-ზე და CO-O-CO გაფართოებები 1030 სმ-1-ზე, რაც მიუთითებს მცენარეული კომპონენტების არსებობაზე, რომლებიც მოქმედებენ როგორც დალუქვის აგენტები და პასუხისმგებელნი არიან Fe2+-დან Fe0-მდე და GO-დან rGO29-მდე აღდგენაზე. ზოგადად, nZVI სპექტრები აჩვენებს იგივე შთანთქმის პიკებს, როგორც მწარე შაქრები, მაგრამ ოდნავ გადახრილი პოზიციით. ინტენსიური ზოლი ჩნდება 3244 სმ-1-ზე, რომელიც დაკავშირებულია OH გაჭიმვის ვიბრაციებთან (ფენოლები), პიკი 1615-ზე შეესაბამება C=C-ს, ხოლო ზოლები 1546 და 1011 სმ-1-ზე წარმოიქმნება C=O-ს (პოლიფენოლები და ფლავონოიდები), არომატული ამინების CN-ჯგუფების და ალიფატური ამინების გაჭიმვის გამო, შესაბამისად, 1310 სმ-1-ზე და 1190 სმ-1-ზე დაფიქსირდა13. GO-ს FTIR სპექტრი აჩვენებს მრავალი მაღალი ინტენსივობის ჟანგბადშემცველი ჯგუფის არსებობას, მათ შორის ალკოქსის (CO) გაჭიმვის ზოლს 1041 სმ-1-ზე, ეპოქსიდური (CO) გაჭიმვის ზოლს 1291 სმ-1-ზე, C=O გაჭიმვას. გამოჩნდა C=C გაჭიმვის ვიბრაციების ზოლი 1619 სმ-1-ზე, ზოლი 1708 სმ-1-ზე და OH ჯგუფის გაჭიმვის ვიბრაციების ფართო ზოლი 3384 სმ-1-ზე, რასაც ადასტურებს გაუმჯობესებული ჰამერსის მეთოდი, რომელიც წარმატებით ჟანგავს გრაფიტის პროცესს. rGO და rGO/nZVI კომპოზიტების GO სპექტრებთან შედარებისას, ზოგიერთი ჟანგბადის შემცველი ჯგუფის, მაგალითად OH-ის 3270 სმ-1-ზე ინტენსივობა მნიშვნელოვნად მცირდება, ხოლო სხვების, მაგალითად C=O-ს 1729 სმ-1-ზე ინტენსივობა მთლიანად ქრება, რაც მიუთითებს ჟანგბადის შემცველი ფუნქციური ჯგუფების წარმატებით მოცილებაზე GO-ში A. halimus ექსტრაქტით. rGO-ს ახალი მკვეთრი დამახასიათებელი პიკები C=C დაჭიმულობაზე შეინიშნება დაახლოებით 1560 და 1405 სმ-1-ზე, რაც ადასტურებს GO-ს აღდგენას rGO-დ. დაფიქსირდა ვარიაციები 1043-დან 1015 სმ-1-მდე და 982-დან 918 სმ-1-მდე, შესაძლოა მცენარეული მასალის ჩართვის გამო31,32. ვენგმა და სხვ., 2018 წელს, ასევე დააკვირდნენ ჟანგბადით გაჯერებული ფუნქციური ჯგუფების მნიშვნელოვან შესუსტებას GO-ში, რაც ადასტურებს rGO-ს წარმატებულ ფორმირებას ბიორედუქციით, რადგან ევკალიპტის ფოთლის ექსტრაქტები, რომლებიც გამოიყენებოდა აღდგენილი რკინის გრაფენის ოქსიდის კომპოზიტების სინთეზირებისთვის, აჩვენებდნენ მცენარის კომპონენტის ფუნქციური ჯგუფების უფრო ახლო FTIR სპექტრებს. 33
ა. გალიუმის, nZVI, rGO, GO, კომპოზიტური rGO/nZVI (A) FTIR სპექტრი. რენტგენოგრამის კომპოზიტური rGO, GO, nZVI და rGO/nZVI (B).
rGO/nZVI და nZVI კომპოზიტების წარმოქმნა დიდწილად დადასტურდა რენტგენის დიფრაქციული ნიმუშებით (სურ. 3B). მაღალი ინტენსივობის Fe0 პიკი დაფიქსირდა 2Ɵ 44.5°-ზე, რაც შეესაბამება (110) ინდექსს (JCPDS no. 06–0696)11. კიდევ ერთი პიკი (311) სიბრტყის 35.1°-ზე მიეწერება მაგნეტიტ Fe3O4-ს, 63.2° შეიძლება ასოცირდებოდეს (440) სიბრტყის მილერის ინდექსთან ϒ-FeOOH-ის არსებობის გამო (JCPDS no. 17-0536)34. GO-ს რენტგენის ნიმუში აჩვენებს მკვეთრ პიკს 2Ɵ 10.3°-ზე და კიდევ ერთ პიკს 21.1°-ზე, რაც მიუთითებს გრაფიტის სრულ აქერცვლაზე და ხაზს უსვამს ჟანგბადის შემცველი ჯგუფების არსებობას GO35-ის ზედაპირზე. rGO-სა და rGO/nZVI-ის კომპოზიტურ ნიმუშებში დაფიქსირდა GO-ს დამახასიათებელი პიკების გაქრობა და ფართო rGO პიკების ფორმირება 2Ɵ 22.17 და 24.7°-ზე, შესაბამისად, rGO-სა და rGO/nZVI კომპოზიტებისთვის, რაც ადასტურებდა GO-ს წარმატებით აღდგენას მცენარეული ექსტრაქტებით. თუმცა, კომპოზიტურ rGO/nZVI ნიმუშში, Fe0 (110)-ის და bcc Fe0 (200)-ის ბადისებრ სიბრტყესთან დაკავშირებული დამატებითი პიკები დაფიქსირდა შესაბამისად 44.9\(^\circ\) და 65.22\(^\circ\)-ზე.
ზეტა პოტენციალი არის პოტენციალი ნაწილაკის ზედაპირზე მიმაგრებულ იონურ ფენასა და წყალხსნარს შორის, რომელიც განსაზღვრავს მასალის ელექტროსტატიკურ თვისებებს და ზომავს მის სტაბილურობას37. მცენარეული სინთეზირებული nZVI, GO და rGO/nZVI კომპოზიტების ზეტა პოტენციალის ანალიზმა აჩვენა მათი სტაბილურობა მათ ზედაპირზე შესაბამისად -20.8, -22 და -27.4 mV უარყოფითი მუხტების არსებობის გამო, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ S1A-C-ზე. ასეთი შედეგები შეესაბამება რამდენიმე ანგარიშს, სადაც აღნიშნულია, რომ ხსნარები, რომლებიც შეიცავს -25 mV-ზე ნაკლები ზეტა პოტენციალის მქონე ნაწილაკებს, ზოგადად ავლენენ სტაბილურობის მაღალ ხარისხს ამ ნაწილაკებს შორის ელექტროსტატიკური მოგერიების გამო. rGO-სა და nZVI-ს კომბინაცია საშუალებას აძლევს კომპოზიტს შეიძინოს მეტი უარყოფითი მუხტი და ამით აქვს უფრო მაღალი სტაბილურობა, ვიდრე GO-ს ან nZVI-ს ცალ-ცალკე. ამიტომ, ელექტროსტატიკური მოგერიების ფენომენი გამოიწვევს სტაბილური rGO/nZVI39 კომპოზიტების წარმოქმნას. GO-ს უარყოფითი ზედაპირი საშუალებას იძლევა, რომ ის თანაბრად გაიფანტოს წყლიან გარემოში აგლომერაციის გარეშე, რაც ქმნის ხელსაყრელ პირობებს nZVI-თან ურთიერთქმედებისთვის. უარყოფითი მუხტი შეიძლება დაკავშირებული იყოს მწარე ნესვის ექსტრაქტში სხვადასხვა ფუნქციური ჯგუფების არსებობასთან, რაც ასევე ადასტურებს GO-სა და რკინის წინამორბედებსა და მცენარეულ ექსტრაქტს შორის ურთიერთქმედებას, შესაბამისად, rGO-სა და nZVI-ს, ასევე rGO/nZVI კომპლექსის წარმოქმნის მიზნით. ამ მცენარეულ ნაერთებს ასევე შეუძლიათ იმოქმედონ როგორც დამცავი აგენტები, რადგან ისინი ხელს უშლიან შედეგად მიღებული ნანონაწილაკების აგრეგაციას და ამით ზრდიან მათ სტაბილურობას40.
nZVI და rGO/nZVI კომპოზიტების ელემენტარული შემადგენლობა და ვალენტური მდგომარეობები განისაზღვრა XPS მეთოდით (სურ. 4). XPS-ის საერთო კვლევამ აჩვენა, რომ rGO/nZVI კომპოზიტი ძირითადად შედგება C, O და Fe ელემენტებისგან, რაც შეესაბამება EDS რუკების სურათს (სურ. 4F–H). C1s სპექტრი შედგება სამი პიკისგან 284.59 eV, 286.21 eV და 288.21 eV-ზე, რომლებიც შესაბამისად წარმოადგენენ CC, CO და C=O-ს. O1s სპექტრი დაიყო სამ პიკად, მათ შორის 531.17 eV, 532.97 eV და 535.45 eV, რომლებიც შესაბამისად მიენიჭა O=CO, CO და NO ჯგუფებს. თუმცა, 710.43, 714.57 და 724.79 eV პიკები შესაბამისად Fe 2p3/2, Fe+3 და Fe p1/2-ს ეხება. nZVI-ის XPS სპექტრებმა (ნახ. 4C-E) აჩვენა პიკები C, O და Fe ელემენტებისთვის. პიკები 284.77, 286.25 და 287.62 eV-ზე ადასტურებს რკინა-ნახშირბადის შენადნობების არსებობას, რადგან ისინი შესაბამისად CC, C-OH და CO-ს აღნიშნავენ. O1s სპექტრი შეესაბამება სამ პიკს: C–O/რკინის კარბონატი (531.19 eV), ჰიდროქსილის რადიკალი (532.4 eV) და O–C=O (533.47 eV). პიკი 719.6-ზე მიეწერება Fe0-ს, ხოლო FeOOH აჩვენებს პიკებს 717.3 და 723.7 eV-ზე, გარდა ამისა, პიკი 725.8 eV-ზე მიუთითებს Fe2O342.43-ის არსებობაზე.
nZVI და rGO/nZVI კომპოზიტების XPS კვლევები, შესაბამისად (A, B). nZVI C1s (C), Fe2p (D) და O1s (E) და rGO/nZVI C1s (F), Fe2p (G), O1s (H) კომპოზიტების სრული სპექტრები.
N2 ადსორბცია/დესორბციის იზოთერმა (სურ. 5A, B) აჩვენებს, რომ nZVI და rGO/nZVI კომპოზიტები მიეკუთვნებიან II ტიპს. გარდა ამისა, nZVI-ის სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი (SBET) გაიზარდა 47.4549-დან 152.52 მ2/გ-მდე rGO-თი დაფარვის შემდეგ. ეს შედეგი შეიძლება აიხსნას rGO-თი დაფარვის შემდეგ nZVI-ის მაგნიტური თვისებების შემცირებით, რითაც მცირდება ნაწილაკების აგრეგაცია და იზრდება კომპოზიტების ზედაპირის ფართობი. გარდა ამისა, როგორც ნაჩვენებია სურათ 5C-ზე, rGO/nZVI კომპოზიტის ფორების მოცულობა (8.94 ნმ) უფრო მაღალია, ვიდრე ორიგინალური nZVI-ის (2.873 ნმ). ეს შედეგი ემთხვევა ელ-მონაემის და სხვების 45 ნაშრომს.
rGO/nZVI კომპოზიტებსა და ორიგინალ nZVI-ს შორის DC-ის მოსაშორებლად ადსორბციული უნარის შესაფასებლად საწყისი კონცენტრაციის ზრდაზე დამოკიდებულებით, შედარება გაკეთდა თითოეული ადსორბენტის მუდმივი დოზის (0.05 გ) დამატებით DC-ში სხვადასხვა საწყისი კონცენტრაციით. გამოკვლეული ხსნარი [25]. –100 მგ ლ–1] 25°C ტემპერატურაზე. შედეგებმა აჩვენა, რომ rGO/nZVI კომპოზიტის მოცილების ეფექტურობა (94.6%) უფრო მაღალი იყო, ვიდრე ორიგინალური nZVI-ის (90%) უფრო დაბალი კონცენტრაციის დროს (25 მგ L-1). თუმცა, როდესაც საწყისი კონცენტრაცია გაიზარდა 100 მგ L-1-მდე, rGO/nZVI-ის და მშობელი nZVI-ის მოცილების ეფექტურობა დაეცა შესაბამისად 70%-მდე და 65%-მდე (სურათი 6A), რაც შეიძლება გამოწვეული იყოს ნაკლები აქტიური ცენტრებით და nZVI ნაწილაკების დეგრადაციით. პირიქით, rGO/nZVI-მ აჩვენა DC-ის მოცილების უფრო მაღალი ეფექტურობა, რაც შესაძლოა განპირობებული იყოს rGO-სა და nZVI-ს შორის სინერგიული ეფექტით, სადაც ადსორბციისთვის ხელმისაწვდომი სტაბილური აქტიური ცენტრები გაცილებით მაღალია და rGO/nZVI-ის შემთხვევაში, შესაძლებელია მეტი DC-ის ადსორბცია, ვიდრე ინტაქტური nZVI-ის. გარდა ამისა, ნახ. 6B-ზე ნაჩვენებია, რომ rGO/nZVI და nZVI კომპოზიტების ადსორბციული უნარი გაიზარდა 9.4 მგ/გ-დან 30 მგ/გ-მდე და 9 მგ/გ-მდე, შესაბამისად, საწყისი კონცენტრაციის ზრდით 25–100 მგ/ლ-დან -1.1-დან 28.73 მგ გ-1-მდე. ამრიგად, DC-ის მოცილების სიჩქარე უარყოფითად კორელირებული იყო DC-ის საწყის კონცენტრაციასთან, რაც განპირობებული იყო თითოეული ადსორბენტის მიერ ხსნარში DC-ის ადსორბციისა და მოცილების მიზნით მხარდაჭერილი რეაქციის ცენტრების შეზღუდული რაოდენობით. ამგვარად, ამ შედეგებიდან შეიძლება დავასკვნათ, რომ rGO/nZVI კომპოზიტებს ახასიათებთ ადსორბციისა და აღდგენის უფრო მაღალი ეფექტურობა, ხოლო rGO/nZVI-ის შემადგენლობაში შემავალი rGO შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ადსორბენტის, ასევე მატარებლის მასალის სახით.
rGO/nZVI და nZVI კომპოზიტის მოცილების ეფექტურობა და DC ადსორბციული უნარი იყო (A, B) [Co = 25 მგ ლ-1–100 მგ ლ-1, T = 25 °C, დოზა = 0.05 გ], pH კი rGO/nZVI კომპოზიტებზე ადსორბციული უნარისა და DC მოცილების ეფექტურობაზე (C) [Co = 50 მგ ლ-1, pH = 3–11, T = 25°C, დოზა = 0.05 გ].
ხსნარის pH კრიტიკული ფაქტორია ადსორბციის პროცესების შესწავლაში, რადგან ის გავლენას ახდენს ადსორბენტის იონიზაციის, სახეობების წარმოქმნისა და იონიზაციის ხარისხზე. ექსპერიმენტი ჩატარდა 25°C ტემპერატურაზე, ადსორბენტის მუდმივი დოზით (0.05 გ) და 50 მგ L-1 საწყისი კონცენტრაციით pH დიაპაზონში (3–11). ლიტერატურული მიმოხილვის თანახმად46, DC არის ამფიფილური მოლეკულა რამდენიმე იონიზებადი ფუნქციური ჯგუფით (ფენოლები, ამინოჯგუფები, სპირტები) სხვადასხვა pH დონეზე. შედეგად, DC-ის სხვადასხვა ფუნქციები და rGO/nZVI კომპოზიტის ზედაპირზე არსებული მასთან დაკავშირებული სტრუქტურები შეიძლება ელექტროსტატიკურად ურთიერთქმედებდნენ და არსებობდნენ კათიონების, ცვიტერიონების და ანიონების სახით, DC მოლეკულა არსებობს როგორც კათიონური (DCH3+) pH < 3.3-ზე, ცვიტერიონული (DCH20) 3.3 < pH < 7.7-ზე და ანიონური (DCH− ან DC2−) pH 7.7-ზე. შედეგად, DC-ის სხვადასხვა ფუნქციები და rGO/nZVI კომპოზიტის ზედაპირზე არსებული მასთან დაკავშირებული სტრუქტურები შეიძლება ელექტროსტატიკურად ურთიერთქმედებდნენ და არსებობდნენ კათიონების, ცვიტერიონების და ანიონების სახით, DC მოლეკულა არსებობს როგორც კათიონური (DCH3+) pH < 3.3-ზე, ცვიტერიონული (DCH20) 3.3 < pH < 7.7-ზე და ანიონური (DCH- ან DC2-) pH 7.7-ზე. შედეგად განიხილება ფუნქციები ДК и связанных со ними структур на поверхности композита rGO/nZVI შეიძლება ვзаимодействовать электростатически и може существовать в видео катионов, цвиттер-ионов, катионов и ани. (DCH3+) при рН <3,3, цвитер-ионный (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 და ანიონნი (DCH- ან DC2-) და pH 7,7. შედეგად, rGO/nZVI კომპოზიტის ზედაპირზე DC-ის სხვადასხვა ფუნქცია და მასთან დაკავშირებული სტრუქტურები შეიძლება ელექტროსტატიკურად ურთიერთქმედებდეს და არსებობდეს კათიონების, ცვიტერიონების და ანიონების სახით; DC მოლეკულა არსებობს კათიონად (DCH3+) pH < 3.3-ზე; იონურად (DCH20) 3.3 < pH < 7.7-ზე და ანიონურად (DCH- ან DC2-) pH 7.7-ზე.因此，DC 的各种功能和rGO/nZVI复合材料表面的相关结构可能会发生静电相互作用，并可能以阳离子、两性离子和阴离子的形式存在，DC分子在pH < 3.3 时以阳离子(DCH3+) 的形式存在，两性离子(DCH20) 3.3 < pH < 7,7 和阴离子 (DCH- 或DC2-) 在PH 7,7.因此 ， dc 的 种 功能 和 和 和 和 和 复合 材料 表面 的 相关 结构 可能 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 离在 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 შეიძლება შეასრულოს ელექტროსტატიческие взаимодействия и существовать в катионов, цвиттер-ионов, акумуля акулани. катионными (ДЦГ3+) при рН < 3,3. ამგვარად, rGO/nZVI კომპოზიტის ზედაპირზე DC-ის და მასთან დაკავშირებული სტრუქტურების სხვადასხვა ფუნქციას შეუძლია ელექტროსტატიკურ ურთიერთქმედებაში შესვლა და კათიონების, ცვიტერიონების და ანიონების სახით არსებობა, მაშინ როდესაც DC მოლეკულები კათიონურია (DCH3+) pH < 3.3-ზე. On suщestvuet in cvitter-iona (DCH20) при 3,3 < pH < 7,7 და ანიონა (DCH- ან DC2-) და pH 7,7. ის არსებობს ცვიტერიონის (DCH20) სახით 3.3 < pH < 7.7-ზე და ანიონად (DCH- ან DC2-) pH 7.7-ზე.pH-ის 3-დან 7-მდე მატებასთან ერთად, ადსორბციული უნარი და DC-ის მოცილების ეფექტურობა გაიზარდა 11.2 მგ/გ-დან (56%) 17 მგ/გ-მდე (85%) (სურ. 6C). თუმცა, pH-ის 9-მდე და 11-მდე მატებასთან ერთად, ადსორბციული უნარი და მოცილების ეფექტურობა გარკვეულწილად შემცირდა, შესაბამისად, 10.6 მგ/გ-დან (53%) 6 მგ/გ-მდე (30%). pH-ის 3-დან 7-მდე მატებასთან ერთად, DC-ები ძირითადად ცვიტერიონების სახით არსებობდა, რაც მათ თითქმის არაელექტროსტატიკურად მიზიდულს ან განზიდვას ხდიდა rGO/nZVI კომპოზიტებით, უპირატესად ელექტროსტატიკური ურთიერთქმედებით. როდესაც pH 8.2-ზე მეტად იზრდებოდა, ადსორბენტის ზედაპირი უარყოფითად დამუხტული იყო, შესაბამისად, ადსორბციული უნარი მცირდებოდა და მცირდებოდა უარყოფითად დამუხტულ დოქსიციკლინსა და ადსორბენტის ზედაპირს შორის ელექტროსტატიკური განზიდვის გამო. ეს ტენდენცია მიუთითებს, რომ rGO/nZVI კომპოზიტებზე DC ადსორბცია მნიშვნელოვნად არის დამოკიდებული pH-ზე და შედეგები ასევე მიუთითებს, რომ rGO/nZVI კომპოზიტები შესაფერისია ადსორბენტების სახით მჟავე და ნეიტრალურ პირობებში.
ტემპერატურის გავლენა DC-ის წყალხსნარის ადსორბციაზე ჩატარდა (25–55°C ტემპერატურაზე). სურათი 7A გვიჩვენებს ტემპერატურის მატების გავლენას DC ანტიბიოტიკების rGO/nZVI-ზე მოცილების ეფექტურობაზე, საიდანაც ნათლად ჩანს, რომ მოცილების და ადსორბციის უნარი გაიზარდა შესაბამისად 83.44%-დან და 13.9 მგ/გ-დან 47%-მდე და 7.83 მგ/გ-მდე. ეს მნიშვნელოვანი შემცირება შესაძლოა გამოწვეული იყოს DC იონების თერმული ენერგიის ზრდით, რაც იწვევს დეზორბციას47.
ტემპერატურის გავლენა CD-ს მოცილების ეფექტურობასა და ადსორბციულ უნარზე rGO/nZVI კომპოზიტებზე (A) [Co = 50 მგ L–1, pH = 7, დოზა = 0.05 გ], ადსორბენტის დოზა CD-ს მოცილების ეფექტურობასა და ადსორბციულ ეფექტურობაზე საწყისი კონცენტრაციის გავლენა DC-ს მოცილების ადსორბციულ უნარსა და ეფექტურობაზე rGO/nSVI კომპოზიტზე (B) [Co = 50 მგ L–1, pH = 7, T = 25°C] (C, D) [Co = 25–100 მგ L–1, pH = 7, T = 25 °C, დოზა = 0.05 გ].
კომპოზიტური ადსორბენტის rGO/nZVI დოზის 0.01 გ-დან 0.07 გ-მდე გაზრდის ეფექტი მოხსნის ეფექტურობასა და ადსორბციის უნარზე ნაჩვენებია ნახ. 7B-ში. ადსორბენტის დოზის გაზრდამ გამოიწვია ადსორბციის უნარის შემცირება 33.43 მგ/გ-დან 6.74 მგ/გ-მდე. თუმცა, ადსორბენტის დოზის 0.01 გ-დან 0.07 გ-მდე გაზრდით, მოხსნის ეფექტურობა იზრდება 66.8%-დან 96%-მდე, რაც, შესაბამისად, შეიძლება დაკავშირებული იყოს ნანოკომპოზიტის ზედაპირზე აქტიური ცენტრების რაოდენობის ზრდასთან.
შესწავლილი იქნა საწყისი კონცენტრაციის გავლენა ადსორბციის უნარსა და მოცილების ეფექტურობაზე [25–100 მგ L-1, 25°C, pH 7, დოზა 0.05 გ]. როდესაც საწყისი კონცენტრაცია გაიზარდა 25 მგ L-1-დან 100 მგ L-1-მდე, rGO/nZVI კომპოზიტის მოცილების პროცენტული მაჩვენებელი შემცირდა 94.6%-დან 65%-მდე (სურ. 7C), სავარაუდოდ, სასურველი აქტიური ცენტრების არარსებობის გამო. . შთანთქავს DC49-ის დიდ კონცენტრაციებს. მეორეს მხრივ, საწყისი კონცენტრაციის ზრდასთან ერთად, ადსორბციის უნარიც გაიზარდა 9.4 მგ/გ-დან 30 მგ/გ-მდე, სანამ წონასწორობა არ მიიღწევა (სურ. 7D). ეს გარდაუვალი რეაქცია განპირობებულია მამოძრავებელი ძალის ზრდით, როდესაც საწყისი DC კონცენტრაცია აღემატება DC იონის მასის გადაცემის წინააღმდეგობას rGO/nZVI კომპოზიტის ზედაპირ 50-მდე მისაღწევად.
კონტაქტის დროისა და კინეტიკური კვლევების მიზანია ადსორბციის წონასწორობის დროის გაგება. პირველ რიგში, კონტაქტის დროის პირველი 40 წუთის განმავლობაში ადსორბირებული DC-ის რაოდენობა დაახლოებით მთელი დროის (100 წუთი) განმავლობაში ადსორბირებული მთლიანი რაოდენობის ნახევარი იყო. ხსნარში არსებული DC მოლეკულები ერთმანეთს ეჯახებიან, რაც იწვევს მათ სწრაფ მიგრაციას rGO/nZVI კომპოზიტის ზედაპირზე, რაც იწვევს მნიშვნელოვან ადსორბციას. 40 წუთის შემდეგ, DC ადსორბცია თანდათან და ნელა იზრდება, სანამ 60 წუთის შემდეგ წონასწორობა არ მიიღწევა (სურ. 7D). რადგან პირველი 40 წუთის განმავლობაში ადსორბირდება გონივრული რაოდენობა, DC მოლეკულებთან შეჯახება ნაკლები იქნება და არააბსორბირებული მოლეკულებისთვის ნაკლები აქტიური ცენტრი იქნება ხელმისაწვდომი. ამიტომ, ადსორბციის სიჩქარე შეიძლება შემცირდეს51.
ადსორბციის კინეტიკის უკეთ გასაგებად გამოყენებული იქნა ფსევდო პირველი რიგის (სურ. 8A), ფსევდო მეორე რიგის (სურ. 8B) და ელოვიჩის (სურ. 8C) კინეტიკური მოდელების ხაზოვანი დიაგრამები. კინეტიკური კვლევებიდან მიღებული პარამეტრებიდან (ცხრილი S1) ირკვევა, რომ ფსევდოწამიერი მოდელი საუკეთესო მოდელია ადსორბციის კინეტიკის აღსაწერად, სადაც R2 მნიშვნელობა უფრო მაღალია, ვიდრე სხვა ორ მოდელში. ასევე არსებობს მსგავსება გამოთვლილ ადსორბციულ ტევადობებს შორის (qe, cal). ფსევდო-მეორე რიგის და ექსპერიმენტული მნიშვნელობები (qe, exp.) კიდევ ერთი მტკიცებულებაა იმისა, რომ ფსევდო-მეორე რიგის მოდელი უკეთესია, ვიდრე სხვა მოდელები. როგორც ცხრილში 1-შია ნაჩვენები, α (საწყისი ადსორბციის სიჩქარე) და β (დესორბციის მუდმივა) მნიშვნელობები ადასტურებს, რომ ადსორბციის სიჩქარე უფრო მაღალია, ვიდრე დესორბციის სიჩქარე, რაც მიუთითებს, რომ DC-ს აქვს ტენდენცია ეფექტურად ადსორბციული იყოს rGO/nZVI52 კომპოზიტზე.
ფსევდომეორე რიგის (A), ფსევდოპირველი რიგის (B) და ელოვიჩის (C) წრფივი ადსორბციის კინეტიკური დიაგრამები [Co = 25–100 მგ ლ–1, pH = 7, T = 25 °C, დოზა = 0.05 გ].
ადსორბციის იზოთერმების კვლევები ხელს უწყობს ადსორბენტის (RGO/nRVI კომპოზიტის) ადსორბციული უნარის დადგენას სხვადასხვა ადსორბატის კონცენტრაციებსა (DC) და სისტემის ტემპერატურაზე. მაქსიმალური ადსორბციული უნარი გამოითვალა ლენგმიურის იზოთერმის გამოყენებით, რაც მიუთითებს, რომ ადსორბცია ერთგვაროვანი იყო და მოიცავდა ადსორბატის მონოშრის წარმოქმნას ადსორბენტის ზედაპირზე მათ შორის ურთიერთქმედების გარეშე53. ორი სხვა ფართოდ გამოყენებული იზოთერმული მოდელია ფროინდლიხისა და ტემკინის მოდელები. მიუხედავად იმისა, რომ ფროინდლიხის მოდელი არ გამოიყენება ადსორბციული უნარის გამოსათვლელად, ის ხელს უწყობს ჰეტეროგენული ადსორბციული პროცესის გაგებას და იმას, რომ ადსორბენტზე ვაკანსიებს განსხვავებული ენერგია აქვთ, ხოლო ტემკინის მოდელი ხელს უწყობს ადსორბციის ფიზიკური და ქიმიური თვისებების გაგებას54.
ნახაზები 9A-C ასახავს შესაბამისად ლენგმიურის, ფრაინდლიხის და ტემკინის მოდელების ხაზოვან დიაგრამებს. ფრაინდლიხის (ნახ. 9A) და ლენგმიურის (ნახ. 9B) ხაზოვანი დიაგრამებიდან გამოთვლილი R2 მნიშვნელობები, რომლებიც წარმოდგენილია ცხრილში 2, აჩვენებს, რომ rGO/nZVI კომპოზიტზე DC ადსორბცია მიჰყვება ფრაინდლიხის (0.996) და ლენგმიურის (0.988) იზოთერმულ მოდელებს და ტემკინის (0.985) მეთოდებს. ლენგმიურის იზოთერმული მოდელის გამოყენებით გამოთვლილი მაქსიმალური ადსორბციული სიმძლავრე (qmax) იყო 31.61 მგ გ-1. გარდა ამისა, უგანზომილებიანი გამოყოფის კოეფიციენტის (RL) გამოთვლილი მნიშვნელობა 0-დან 1-მდე (0.097) დიაპაზონშია, რაც მიუთითებს ხელსაყრელ ადსორბციულ პროცესზე. წინააღმდეგ შემთხვევაში, გამოთვლილი ფრაინდლიხის მუდმივა (n = 2.756) მიუთითებს ამ შთანთქმის პროცესის უპირატესობაზე. ტემკინის იზოთერმის წრფივი მოდელის (სურ. 9C) მიხედვით, rGO/nZVI კომპოზიტზე DC-ის ადსორბცია ფიზიკური ადსორბციის პროცესია, რადგან b არის ˂ 82 კჯ მოლ-1 (0.408)55. მიუხედავად იმისა, რომ ფიზიკური ადსორბცია, როგორც წესი, სუსტი ვან დერ ვაალის ძალებით ხორციელდება, rGO/nZVI კომპოზიტებზე მუდმივი დენის ადსორბცია დაბალ ადსორბციულ ენერგიებს მოითხოვს [56, 57].
ფრეუნდლიხის (A), ლენგმიურის (B) და ტემკინის (C) წრფივი ადსორბციის იზოთერმები [Co = 25–100 მგ L–1, pH = 7, T = 25 °C, დოზა = 0.05 გ]. rGO/nZVI კომპოზიტების მიერ DC ადსორბციის ვან'ტ ჰოფის განტოლების დიაგრამა (D) [Co = 25–100 მგ l-1, pH = 7, T = 25–55 °C და დოზა = 0.05 გ].
rGO/nZVI კომპოზიტებიდან DC-ის მოცილებაზე რეაქციის ტემპერატურის ცვლილების ეფექტის შესაფასებლად, განტოლებებიდან 3 და 458 გამოითვალა თერმოდინამიკური პარამეტრები, როგორიცაა ენტროპიის ცვლილება (ΔS), ენთალპიის ცვლილება (ΔH) და თავისუფალი ენერგიის ცვლილება (ΔG).
სადაც \({K}_{e}\)=\(\frac{{C}_{Ae}}{{C}_{e}}\) – თერმოდინამიკური წონასწორობის მუდმივა, Ce და CAe – rGO ხსნარში, შესაბამისად /nZVI DC კონცენტრაციები ზედაპირულ წონასწორობაში. R და RT შესაბამისად გაზის მუდმივა და ადსორბციის ტემპერატურაა. ln Ke-ს 1/T-სთან მიმართებაში გამოსახულების მიცემა იძლევა სწორ ხაზს (სურ. 9D), საიდანაც შესაძლებელია ΔS-ის და ΔH-ის განსაზღვრა.
უარყოფითი ΔH მნიშვნელობა მიუთითებს, რომ პროცესი ეგზოთერმულია. მეორეს მხრივ, ΔH მნიშვნელობა ფიზიკური ადსორბციის პროცესის ფარგლებშია. ცხრილში 3 მოცემული უარყოფითი ΔG მნიშვნელობები მიუთითებს, რომ ადსორბცია შესაძლებელია და სპონტანურია. ΔS-ის უარყოფითი მნიშვნელობები მიუთითებს ადსორბენტის მოლეკულების მაღალ განლაგებაზე სითხის ინტერფეისზე (ცხრილი 3).
ცხრილი 4 ადარებს rGO/nZVI კომპოზიტს წინა კვლევებში აღწერილ სხვა ადსორბენტებთან. ცხადია, რომ VGO/nCVI კომპოზიტს აქვს მაღალი ადსორბციული უნარი და შეიძლება იყოს პერსპექტიული მასალა DC ანტიბიოტიკების წყლიდან მოსაშორებლად. გარდა ამისა, rGO/nZVI კომპოზიტების ადსორბცია სწრაფი პროცესია 60 წუთიანი წონასწორობის დროით. rGO/nZVI კომპოზიტების შესანიშნავი ადსორბციული თვისებები შეიძლება აიხსნას rGO-სა და nZVI-ს სინერგიული ეფექტით.
სურათებზე 10A, B ნაჩვენებია rGO/nZVI და nZVI კომპლექსებით DC ანტიბიოტიკების მოცილების რაციონალური მექანიზმი. DC ადსორბციის ეფექტურობაზე pH-ის გავლენის შესახებ ჩატარებული ექსპერიმენტების შედეგების მიხედვით, pH-ის 3-დან 7-მდე გაზრდით, rGO/nZVI კომპოზიტზე DC ადსორბცია არ კონტროლდებოდა ელექტროსტატიკური ურთიერთქმედებებით, რადგან ის მოქმედებდა როგორც ცვიტერიონი; შესაბამისად, pH-ის მნიშვნელობის ცვლილება გავლენას არ ახდენდა ადსორბციის პროცესზე. შესაბამისად, ადსორბციის მექანიზმის კონტროლი შესაძლებელია არაელექტროსტატიკური ურთიერთქმედებებით, როგორიცაა წყალბადური ბმები, ჰიდროფობიური ეფექტები და π-π დაწყობის ურთიერთქმედებები rGO/nZVI კომპოზიტსა და DC66-ს შორის. კარგად არის ცნობილი, რომ ფენოვანი გრაფენის ზედაპირებზე არომატული ადსორბატების მექანიზმი აიხსნება π–π დაწყობის ურთიერთქმედებით, როგორც მთავარი მამოძრავებელი ძალა. კომპოზიტი არის ფენოვანი მასალა, გრაფენის მსგავსი, შრეობრივი მასალა, რომელსაც აქვს შთანთქმის მაქსიმალური მაჩვენებელი 233 ნმ-ზე π-π* გადასვლის გამო. DC ადსორბატის მოლეკულურ სტრუქტურაში ოთხი არომატული რგოლის არსებობის საფუძველზე, ჩვენ გამოვთქვით ჰიპოთეზა, რომ არსებობს π-π-დაწყობის ურთიერთქმედების მექანიზმი არომატულ DC-ს (π-ელექტრონების აქცეპტორი) და RGO ზედაპირზე π-ელექტრონებით მდიდარ რეგიონს შორის. /nZVI კომპოზიტები. გარდა ამისა, როგორც ნაჩვენებია ნახ. 10B-ზე, FTIR კვლევები ჩატარდა rGO/nZVI კომპოზიტების DC-თან მოლეკულური ურთიერთქმედების შესასწავლად, ხოლო rGO/nZVI კომპოზიტების FTIR სპექტრები DC ადსორბციის შემდეგ ნაჩვენებია ნახაზი 10B-ზე. ახალი პიკი შეინიშნება 2111 სმ-1-ზე, რაც შეესაბამება C=C ბმის ჩარჩოს ვიბრაციას, რაც მიუთითებს შესაბამისი ორგანული ფუნქციური ჯგუფების არსებობაზე 67 rGO/nZVI-ის ზედაპირზე. სხვა პიკები იცვლება 1561-დან 1548 სმ-1-მდე და 1399-დან 1360 სმ-1-მდე, რაც ასევე ადასტურებს, რომ π-π ურთიერთქმედებები მნიშვნელოვან როლს თამაშობენ გრაფენის და ორგანული დამაბინძურებლების ადსორბციაში68,69. DC ადსორბციის შემდეგ, ზოგიერთი ჟანგბადის შემცველი ჯგუფის, როგორიცაა OH, ინტენსივობა შემცირდა 3270 სმ-1-მდე, რაც იმაზე მიუთითებს, რომ წყალბადური ბმები ადსორბციის ერთ-ერთი მექანიზმია. ამრიგად, შედეგების საფუძველზე, DC ადსორბცია rGO/nZVI კომპოზიტზე ძირითადად ხდება π-π დასტის ურთიერთქმედებების და H-ბმების გამო.
rGO/nZVI და nZVI კომპლექსებით DC ანტიბიოტიკების ადსორბციის რაციონალური მექანიზმი (A). DC-ის FTIR ადსორბციის სპექტრები rGO/nZVI-სა და nZVI-ზე (B).
nZVI-ის შთანთქმის ზოლების ინტენსივობა 3244, 1615, 1546 და 1011 სმ–1-ზე გაიზარდა nZVI-ზე DC ადსორბციის შემდეგ (სურ. 10B) nZVI-თან შედარებით, რაც უნდა იყოს დაკავშირებული DC-ში კარბოქსილის მჟავას O ჯგუფების შესაძლო ფუნქციურ ჯგუფებთან ურთიერთქმედებასთან. თუმცა, ყველა დაკვირვებულ ზოლში გადაცემის ეს დაბალი პროცენტი მიუთითებს ფიტოსინთეზური ადსორბენტის (nZVI) ადსორბციის ეფექტურობის მნიშვნელოვან ცვლილებაზე nZVI-თან შედარებით ადსორბციის პროცესამდე. nZVI71-ით DC-ის მოცილების ზოგიერთი კვლევის თანახმად, როდესაც nZVI რეაგირებს H2O-სთან, ელექტრონები გამოიყოფა და შემდეგ H+ გამოიყენება მაღალაღდგენითი აქტიური წყალბადის წარმოსაქმნელად. და ბოლოს, ზოგიერთი კათიონური ნაერთი იღებს ელექტრონებს აქტიური წყალბადიდან, რაც იწვევს -C=N და -C=C-, რაც ბენზოლის რგოლის გახლეჩას მიეწერება.