हिरव्या कृत्रिम कमी केलेल्या ग्राफीन ऑक्साईड आणि नॅनो-झिरो आयर्न कॉम्प्लेक्सद्वारे पाण्यातून डॉक्सीसायक्लिन अँटीबायोटिक्सचे सहक्रियात्मक काढून टाकणे

Nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्ही वापरत असलेल्या ब्राउझर आवृत्तीला मर्यादित CSS सपोर्ट आहे. सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही अपडेटेड ब्राउझर वापरा (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये कंपॅटिबिलिटी मोड अक्षम करा). दरम्यान, सतत सपोर्ट सुनिश्चित करण्यासाठी, आम्ही साइटला स्टाईल आणि जावास्क्रिप्टशिवाय रेंडर करू.
या कामात, सोफोरा पिवळसर पानांचा अर्क कमी हानिकारक रासायनिक संश्लेषण यासारख्या "हिरव्या" रसायनशास्त्राच्या तत्त्वांचे पालन करण्यासाठी कमी करणारे एजंट आणि स्टेबलायझर म्हणून वापरुन सोफोरा पिवळसर पानांचा अर्क वापरून प्रथमच rGO/nZVI संमिश्रांचे संश्लेषण करण्यात आले. SEM, EDX, XPS, XRD, FTIR आणि zeta संभाव्यता यासारख्या संमिश्रांचे यशस्वी संश्लेषण प्रमाणित करण्यासाठी अनेक साधने वापरली गेली आहेत, जी यशस्वी संमिश्र निर्मिती दर्शवितात. अँटीबायोटिक डॉक्सीसाइक्लिनच्या विविध सुरुवातीच्या सांद्रतेवर नवीन संमिश्र आणि शुद्ध nZVI च्या काढून टाकण्याच्या क्षमतेची तुलना rGO आणि nZVI मधील सहक्रियात्मक परिणामाची तपासणी करण्यासाठी करण्यात आली. 25mg L-1, 25°C आणि 0.05g च्या काढून टाकण्याच्या परिस्थितीत, शुद्ध nZVI चा शोषण काढून टाकण्याचा दर 90% होता, तर rGO/nZVI संमिश्राद्वारे डॉक्सीसाइक्लिनचा शोषण काढून टाकण्याचा दर 94.6% पर्यंत पोहोचला, ज्यामुळे nZVI आणि rGO ची पुष्टी झाली. ही शोषण प्रक्रिया एका छद्म-दुसऱ्या क्रमाशी जुळते आणि २५ °C आणि pH ७ वर ३१.६१ mg g-१ च्या कमाल शोषण क्षमतेसह फ्रुंडलिच मॉडेलशी चांगल्या प्रकारे सहमत आहे. DC काढून टाकण्यासाठी एक वाजवी यंत्रणा प्रस्तावित करण्यात आली आहे. याव्यतिरिक्त, सलग सहा पुनर्जन्म चक्रांनंतर rGO/nZVI संमिश्राची पुनर्वापरक्षमता ६०% होती.
पाण्याची कमतरता आणि प्रदूषण हे आता सर्व देशांसाठी एक गंभीर धोका आहे. अलिकडच्या काळात, कोविड-१९ साथीच्या काळात उत्पादन आणि वापर वाढल्यामुळे जल प्रदूषण, विशेषतः अँटीबायोटिक प्रदूषण वाढले आहे. म्हणूनच, सांडपाण्यातील अँटीबायोटिक्सचे उच्चाटन करण्यासाठी प्रभावी तंत्रज्ञान विकसित करणे हे एक तातडीचे काम आहे.
टेट्रासाइक्लिन गटातील प्रतिरोधक अर्ध-कृत्रिम प्रतिजैविकांपैकी एक म्हणजे डॉक्सीसाइक्लिन (DC)4,5. असे नोंदवले गेले आहे की भूजल आणि पृष्ठभागावरील पाण्यातील DC अवशेषांचे चयापचय होऊ शकत नाही, फक्त 20-50% चयापचय होते आणि उर्वरित वातावरणात सोडले जाते, ज्यामुळे गंभीर पर्यावरणीय आणि आरोग्य समस्या निर्माण होतात.
कमी पातळीवरील डीसीच्या संपर्कात आल्याने जलीय प्रकाशसंश्लेषक सूक्ष्मजीव नष्ट होऊ शकतात, प्रतिजैविक जीवाणूंचा प्रसार धोक्यात येऊ शकतो आणि प्रतिजैविक प्रतिकार वाढू शकतो, म्हणून हे दूषित घटक सांडपाण्यापासून काढून टाकले पाहिजेत. पाण्यात डीसीचे नैसर्गिक क्षय ही एक अतिशय मंद प्रक्रिया आहे. फोटोलिसिस, बायोडिग्रेडेशन आणि शोषण यासारख्या भौतिक-रासायनिक प्रक्रिया केवळ कमी सांद्रतेवर आणि खूप कमी दराने क्षय होऊ शकतात7,8. तथापि, सर्वात किफायतशीर, साधी, पर्यावरणास अनुकूल, हाताळण्यास सोपी आणि कार्यक्षम पद्धत म्हणजे शोषण9,10.
नॅनो झिरो व्हॅलेंट आयर्न (nZVI) हे एक अतिशय शक्तिशाली पदार्थ आहे जे मेट्रोनिडाझोल, डायझेपाम, सिप्रोफ्लोक्सासिन, क्लोराम्फेनिकॉल आणि टेट्रासाइक्लिनसह अनेक अँटीबायोटिक्स पाण्यातून काढून टाकू शकते. ही क्षमता nZVI मध्ये असलेल्या आश्चर्यकारक गुणधर्मांमुळे आहे, जसे की उच्च प्रतिक्रियाशीलता, मोठे पृष्ठभाग क्षेत्र आणि असंख्य बाह्य बंधन स्थळे11. तथापि, व्हॅन डेर वेल्स फोर्स आणि उच्च चुंबकीय गुणधर्मांमुळे nZVI जलीय माध्यमांमध्ये एकत्रीकरण होण्याची शक्यता असते, ज्यामुळे nZVI10,12 च्या प्रतिक्रियाशीलतेला प्रतिबंधित करणाऱ्या ऑक्साईड थरांच्या निर्मितीमुळे दूषित पदार्थ काढून टाकण्याची त्याची प्रभावीता कमी होते. nZVI कणांचे एकत्रीकरण त्यांच्या पृष्ठभागावर सर्फॅक्टंट्स आणि पॉलिमरसह बदल करून किंवा त्यांना कंपोझिटच्या स्वरूपात इतर नॅनोमटेरियलसह एकत्र करून कमी केले जाऊ शकते, जे वातावरणात त्यांची स्थिरता सुधारण्यासाठी एक व्यवहार्य दृष्टिकोन असल्याचे सिद्ध झाले आहे13,14.
ग्राफीन हे एक द्विमितीय कार्बन नॅनोमटेरियल आहे जे मधाच्या पोळ्याच्या जाळीत मांडलेले sp2-संकरित कार्बन अणूंनी बनलेले आहे. त्याचे पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ मोठे आहे, लक्षणीय यांत्रिक शक्ती आहे, उत्कृष्ट इलेक्ट्रोकॅटॅलिटिक क्रियाकलाप आहे, उच्च थर्मल चालकता आहे, जलद इलेक्ट्रॉन गतिशीलता आहे आणि त्याच्या पृष्ठभागावर अजैविक नॅनोपार्टिकल्सना आधार देण्यासाठी योग्य वाहक सामग्री आहे. धातूचे नॅनोपार्टिकल्स आणि ग्राफीनचे संयोजन प्रत्येक पदार्थाच्या वैयक्तिक फायद्यांपेक्षा खूप जास्त असू शकते आणि त्याच्या उत्कृष्ट भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्मांमुळे, अधिक कार्यक्षम जल उपचारांसाठी नॅनोपार्टिकल्सचे इष्टतम वितरण प्रदान करते15.
कमी केलेल्या ग्राफीन ऑक्साईड (rGO) आणि nZVI च्या संश्लेषणात सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या हानिकारक रासायनिक कमी करणाऱ्या घटकांसाठी वनस्पती अर्क हा सर्वोत्तम पर्याय आहे कारण ते उपलब्ध आहेत, स्वस्त आहेत, एक-चरण आहेत, पर्यावरणास सुरक्षित आहेत आणि कमी करणारे घटक म्हणून वापरले जाऊ शकतात. जसे की फ्लेव्होनॉइड्स आणि फेनोलिक संयुगे देखील स्थिरीकरण म्हणून कार्य करतात. म्हणून, या अभ्यासात rGO/nZVI संयुगांच्या संश्लेषणासाठी दुरुस्ती आणि बंद करणारे एजंट म्हणून अॅट्रिप्लेक्स हॅलिमस एल. पानांचा अर्क वापरण्यात आला. अमरँथेसी कुटुंबातील अॅट्रिप्लेक्स हॅलिमस हे नायट्रोजन-प्रेमळ बारमाही झुडूप आहे ज्याची विस्तृत भौगोलिक श्रेणी 16 आहे.
उपलब्ध साहित्यानुसार, अ‍ॅट्रिप्लेक्स हॅलिमस (ए. हॅलिमस) चा वापर प्रथम किफायतशीर आणि पर्यावरणास अनुकूल संश्लेषण पद्धत म्हणून rGO/nZVI कंपोझिट बनवण्यासाठी करण्यात आला. अशाप्रकारे, या कामाचे उद्दिष्ट चार भाग आहेत: (१) A. हॅलिमस जलचर पानांच्या अर्काचा वापर करून rGO/nZVI आणि पॅरेंटल nZVI कंपोझिटचे फायटोसिंथेसिस, (२) त्यांच्या यशस्वी निर्मितीची पुष्टी करण्यासाठी अनेक पद्धती वापरून फायटोसिंथेसाइज्ड कंपोझिटचे वैशिष्ट्यीकरण, (३) वेगवेगळ्या प्रतिक्रिया पॅरामीटर्स अंतर्गत डॉक्सीसाइक्लिन अँटीबायोटिक्सच्या सेंद्रिय दूषित पदार्थांचे शोषण आणि काढून टाकण्यात rGO आणि nZVI च्या सहक्रियात्मक प्रभावाचा अभ्यास करणे, शोषण प्रक्रियेच्या परिस्थिती अनुकूल करणे, (३) प्रक्रिया चक्रानंतर विविध सतत उपचारांमध्ये संमिश्र पदार्थांची तपासणी करणे.
डॉक्सीसाइक्लिन हायड्रोक्लोराइड (DC, MM = 480.90, रासायनिक सूत्र C22H24N2O·HCl, 98%), लोह क्लोराईड हेक्साहायड्रेट (FeCl3.6H2O, 97%), सिग्मा-अल्ड्रिच, यूएसए येथून खरेदी केलेले ग्रेफाइट पावडर. सोडियम हायड्रॉक्साइड (NaOH, 97%), इथेनॉल (C2H5OH, 99.9%) आणि हायड्रोक्लोरिक आम्ल (HCl, 37%) हे मर्क, यूएसए येथून खरेदी केले गेले. NaCl, KCl, CaCl2, MnCl2 आणि MgCl2 हे टियांजिन कोमिओ केमिकल रीएजंट कंपनी लिमिटेड येथून खरेदी केले गेले. सर्व अभिकर्मक उच्च विश्लेषणात्मक शुद्धतेचे आहेत. सर्व जलीय द्रावण तयार करण्यासाठी डबल-डिस्टिल्ड वॉटरचा वापर केला गेला.
नाईल डेल्टा आणि इजिप्तच्या भूमध्यसागरीय किनाऱ्यालगतच्या जमिनींमधील त्यांच्या नैसर्गिक अधिवासातून ए. हॅलिमसचे प्रतिनिधी नमुने गोळा केले गेले आहेत. लागू असलेल्या राष्ट्रीय आणि आंतरराष्ट्रीय मार्गदर्शक तत्त्वांनुसार वनस्पती सामग्री गोळा केली गेली होती17. प्रो. मनाल फौझी यांनी बोलोस18 नुसार वनस्पती नमुने ओळखले आहेत आणि अलेक्झांड्रिया विद्यापीठाचा पर्यावरण विज्ञान विभाग वैज्ञानिक हेतूंसाठी अभ्यासलेल्या वनस्पती प्रजातींच्या संग्रहास अधिकृत करतो. नमुना व्हाउचर टांटा विद्यापीठ हर्बेरियम (TANE) येथे ठेवले जातात, व्हाउचर क्रमांक 14 122–14 127, एक सार्वजनिक हर्बेरियम जे जमा केलेल्या सामग्रीमध्ये प्रवेश प्रदान करते. याव्यतिरिक्त, धूळ किंवा घाण काढून टाकण्यासाठी, वनस्पतीची पाने लहान तुकड्यांमध्ये कापून घ्या, नळ आणि डिस्टिल्ड पाण्याने 3 वेळा धुवा आणि नंतर 50°C वर वाळवा. वनस्पती ठेचली गेली, 5 ग्रॅम बारीक पावडर 100 मिली डिस्टिल्ड पाण्यात बुडवली गेली आणि अर्क मिळविण्यासाठी 70°C वर 20 मिनिटे ढवळली गेली. बॅसिलस निकोटीएनीचा मिळालेला अर्क व्हॉटमन फिल्टर पेपरमधून गाळला गेला आणि पुढील वापरासाठी स्वच्छ आणि निर्जंतुकीकरण केलेल्या नळ्यांमध्ये ४°C वर साठवला गेला.
आकृती १ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, सुधारित हमर्स पद्धतीने GO ग्रेफाइट पावडरपासून बनवण्यात आले. १० मिलीग्राम GO पावडर ५० मिली डिआयोनाइज्ड पाण्यात ३० मिनिटांसाठी सोनिकेशन अंतर्गत विरघळवण्यात आली आणि नंतर ०.९ ग्रॅम FeCl3 आणि २.९ ग्रॅम NaAc ६० मिनिटांसाठी मिसळण्यात आले. २० मिली अ‍ॅट्रिप्लेक्स पानांचा अर्क ढवळलेल्या द्रावणात मिसळून ८०°C वर ८ तासांसाठी सोडण्यात आला. परिणामी काळा सस्पेंशन फिल्टर करण्यात आला. तयार केलेले नॅनोकंपोझिट्स इथेनॉल आणि बिडिस्टिल्ड पाण्याने धुतले गेले आणि नंतर व्हॅक्यूम ओव्हनमध्ये ५०°C वर १२ तासांसाठी वाळवले गेले.
अ‍ॅट्रिप्लेक्स हॅलिमस अर्क वापरून दूषित पाण्यातून डीसी अँटीबायोटिक्स काढून टाकणे आणि rGO/nZVI आणि nZVI कॉम्प्लेक्सच्या हिरव्या संश्लेषणाचे योजनाबद्ध आणि डिजिटल छायाचित्रे.
थोडक्यात, आकृती १ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, ०.०५ M Fe3+ आयन असलेले १० मिली आयर्न क्लोराईड द्रावण २० मिली कडू पानांच्या अर्काच्या द्रावणात ६० मिनिटे मध्यम गरम करून आणि ढवळत टाकले गेले आणि नंतर ते द्रावण १४,००० आरपीएम (हर्मले, १५,००० आरपीएम) वर १५ मिनिटांसाठी सेंट्रीफ्यूज केले गेले जेणेकरून काळे कण तयार होतील, जे नंतर इथेनॉल आणि डिस्टिल्ड पाण्याने ३ वेळा धुतले गेले आणि नंतर ६०° सेल्सिअस तापमानावर व्हॅक्यूम ओव्हनमध्ये रात्रभर वाळवले गेले.
वनस्पती-संश्लेषित rGO/nZVI आणि nZVI कंपोझिट हे २००-८०० nm च्या स्कॅनिंग रेंजमध्ये UV-दृश्यमान स्पेक्ट्रोस्कोपी (T70/T80 मालिका UV/Vis स्पेक्ट्रोफोटोमीटर, PG इन्स्ट्रुमेंट्स लिमिटेड, UK) द्वारे वैशिष्ट्यीकृत होते. rGO/nZVI आणि nZVI कंपोझिटच्या स्थलाकृति आणि आकार वितरणाचे विश्लेषण करण्यासाठी, TEM स्पेक्ट्रोस्कोपी (JOEL, JEM-2100F, जपान, प्रवेगक व्होल्टेज २०० kV) वापरली गेली. पुनर्प्राप्ती आणि स्थिरीकरण प्रक्रियेसाठी जबाबदार असलेल्या वनस्पती अर्कांमध्ये सहभागी होऊ शकणाऱ्या कार्यात्मक गटांचे मूल्यांकन करण्यासाठी, FT-IR स्पेक्ट्रोस्कोपी केली गेली (JASCO स्पेक्ट्रोमीटर ४०००-६०० cm-१ च्या रेंजमध्ये). याव्यतिरिक्त, संश्लेषित नॅनोमटेरियल्सच्या पृष्ठभागाच्या चार्जचा अभ्यास करण्यासाठी झेटा संभाव्य विश्लेषक (झेटासायझर नॅनो ZS मालव्हर्न) वापरण्यात आला. पावडर नॅनोमटेरियल्सच्या एक्स-रे डिफ्रॅक्शन मापनासाठी, एक्स-रे डिफ्रॅक्टोमीटर (X'PERT PRO, नेदरलँड्स) वापरण्यात आला, जो 2θ श्रेणीत 20° ते 80° पर्यंतच्या विद्युत प्रवाह (40 mA), व्होल्टेज (45 kV) आणि CuKa1 रेडिएशन (\(\lambda =\ ) 1.54056 Ao) वर कार्यरत होता. ऊर्जा विखुरणारा एक्स-रे स्पेक्ट्रोमीटर (EDX) (मॉडेल JEOL JSM-IT100) XPS वर -10 ते 1350 eV पर्यंतचे Al K-α मोनोक्रोमॅटिक एक्स-रे गोळा करताना मूलभूत रचनांचा अभ्यास करण्यासाठी जबाबदार होता, स्पॉट आकार 400 μm K-ALPHA (थर्मो फिशर सायंटिफिक, यूएसए) पूर्ण स्पेक्ट्रमची ट्रान्समिशन ऊर्जा 200 eV आहे आणि अरुंद स्पेक्ट्रम 50 eV आहे. पावडर नमुना एका नमुना धारकावर दाबला जातो, जो व्हॅक्यूम चेंबरमध्ये ठेवला जातो. बंधनकारक ऊर्जा निश्चित करण्यासाठी 284.58 eV वर संदर्भ म्हणून C 1s स्पेक्ट्रम वापरण्यात आला.
जलीय द्रावणातून डॉक्सीसाइक्लिन (DC) काढून टाकण्यासाठी संश्लेषित rGO/nZVI नॅनोकंपोझिट्सची प्रभावीता तपासण्यासाठी शोषण प्रयोग केले गेले. 298 K वर ऑर्बिटल शेकर (स्टुअर्ट, ऑर्बिटल शेकर/SSL1) वर 200 rpm च्या थरथरणाऱ्या वेगाने 25 मिली एर्लेनमेयर फ्लास्कमध्ये शोषण प्रयोग केले गेले. DC स्टॉक सोल्यूशन (1000 ppm) बिडिस्टिल्ड पाण्याने पातळ करून. rGO/nSVI डोसचा शोषण कार्यक्षमतेवर होणारा परिणाम मूल्यांकन करण्यासाठी, वेगवेगळ्या वजनांचे (0.01–0.07 ग्रॅम) नॅनोकंपोझिट्स 20 मिली DC सोल्यूशनमध्ये जोडले गेले. गतीशास्त्र आणि शोषण समतापांचा अभ्यास करण्यासाठी, 0.05 ग्रॅम शोषक प्रारंभिक एकाग्रता (25–100 mg L–1) असलेल्या CD च्या जलीय द्रावणात बुडवले गेले. डीसी काढून टाकण्यावर पीएचचा परिणाम पीएच (३-११) आणि २५°C वर ५० मिलीग्राम एल-१ च्या सुरुवातीच्या एकाग्रतेवर अभ्यासण्यात आला. थोड्या प्रमाणात एचसीएल किंवा NaOH द्रावण (क्रिसन पीएच मीटर, पीएच मीटर, पीएच २५) जोडून सिस्टमचा पीएच समायोजित करा. याव्यतिरिक्त, २५-५५°C च्या श्रेणीतील शोषण प्रयोगांवर प्रतिक्रिया तापमानाचा प्रभाव तपासण्यात आला. ५० मिलीग्राम एल-१, पीएच ३ आणि ७ च्या सुरुवातीच्या एकाग्रतेवर, २५°C आणि ०.०५ ग्रॅमच्या शोषक डोसवर NaCl (०.०१-४ मोल एल-१) च्या विविध सांद्रता जोडून शोषण प्रक्रियेवर आयनिक शक्तीचा परिणाम अभ्यासण्यात आला. २७० आणि ३५० एनएमच्या कमाल तरंगलांबी (λकमाल) वर १.० सेमी पथ लांबीच्या क्वार्ट्ज क्युवेट्सने सुसज्ज असलेल्या ड्युअल बीम यूव्ही-व्हिस स्पेक्ट्रोफोटोमीटर (T70/T80 मालिका, पीजी इन्स्ट्रुमेंट्स लिमिटेड, यूके) वापरून नॉन-शोषित डीसीचे शोषण मोजले गेले. खालील समीकरण वापरून डीसी अँटीबायोटिक्सचे काढून टाकण्याचे टक्केवारी (R%; समीकरण १) आणि डीसी, क्यूटी, समीकरण २ (मिग्रॅ/ग्रॅम) चे शोषण प्रमाण मोजले गेले.
जिथे %R ही DC काढण्याची क्षमता (%) आहे, Co ही वेळे 0 वर प्रारंभिक DC सांद्रता आहे आणि C ही वेळे t वर अनुक्रमे DC सांद्रता आहे (mg L-1).
जिथे qe हे शोषकाच्या प्रति युनिट वस्तुमानात शोषलेल्या DC चे प्रमाण आहे (mg g-1), Co आणि Ce हे अनुक्रमे शून्य वेळेत आणि समतोल स्थितीत सांद्रता आहेत (mg l-1), V हे द्रावणाचे आकारमान (l) आहे आणि m हे शोषण वस्तुमान अभिकर्मक (g) आहे.
SEM प्रतिमा (आकृती 2A-C) rGO/nZVI संमिश्राचे लॅमेलर आकारविज्ञान दर्शवितात ज्यामध्ये गोलाकार लोह नॅनोपार्टिकल्स त्याच्या पृष्ठभागावर एकसारखे पसरलेले असतात, जे rGO पृष्ठभागावर nZVI NPs चे यशस्वी जोड दर्शवितात. याव्यतिरिक्त, rGO पानात काही सुरकुत्या आहेत, ज्यामुळे A. हॅलिमस GO च्या पुनर्संचयनासह ऑक्सिजन-युक्त गट एकाच वेळी काढून टाकले गेले आहेत याची पुष्टी होते. या मोठ्या सुरकुत्या लोह NPs च्या सक्रिय लोडिंगसाठी साइट म्हणून काम करतात. nZVI प्रतिमा (आकृती 2D-F) दर्शवितात की गोलाकार लोह NPs खूप विखुरलेले होते आणि एकत्रित झाले नाहीत, जे वनस्पती अर्काच्या वनस्पति घटकांच्या आवरण स्वरूपामुळे आहे. कणांचा आकार 15-26 nm च्या आत बदलतो. तथापि, काही प्रदेशांमध्ये फुगवटा आणि पोकळ्यांच्या संरचनेसह मेसोपोरस आकारविज्ञान असते, जे nZVI ची उच्च प्रभावी शोषण क्षमता प्रदान करू शकते, कारण ते nZVI च्या पृष्ठभागावर DC रेणू अडकण्याची शक्यता वाढवू शकतात. जेव्हा रोझा दमास्कस अर्क nZVI च्या संश्लेषणासाठी वापरला गेला तेव्हा प्राप्त झालेले NPs एकरूप नसलेले होते, पोकळी आणि वेगवेगळ्या आकारांचे होते, ज्यामुळे Cr(VI) शोषणात त्यांची कार्यक्षमता कमी झाली आणि प्रतिक्रिया वेळ वाढला 23. परिणाम ओक आणि तुतीच्या पानांपासून संश्लेषित केलेल्या nZVI शी सुसंगत आहेत, जे प्रामुख्याने गोलाकार नॅनोपार्टिकल्स आहेत ज्यात स्पष्ट समूहीकरणाशिवाय विविध नॅनोमीटर आकार आहेत.
rGO/nZVI (AC), nZVI (D, E) संमिश्रांच्या SEM प्रतिमा आणि nZVI/rGO (G) आणि nZVI (H) संमिश्रांच्या EDX नमुन्यांची.
वनस्पती-संश्लेषित rGO/nZVI आणि nZVI संमिश्रांच्या मूलभूत रचनेचा अभ्यास EDX वापरून करण्यात आला (आकृती 2G, H). अभ्यास दर्शविते की nZVI मध्ये कार्बन (वस्तुमानाने 38.29%), ऑक्सिजन (वस्तुमानाने 47.41%) आणि लोह (वस्तुमानाने 11.84%) यांचा समावेश आहे, परंतु फॉस्फरस24 सारखे इतर घटक देखील उपस्थित आहेत, जे वनस्पतींच्या अर्कांमधून मिळू शकतात. याव्यतिरिक्त, कार्बन आणि ऑक्सिजनची उच्च टक्केवारी भूपृष्ठावरील nZVI नमुन्यांमध्ये वनस्पतींच्या अर्कांमधून मिळणाऱ्या फायटोकेमिकल्सच्या उपस्थितीमुळे आहे. हे घटक rGO वर समान रीतीने वितरीत केले जातात परंतु वेगवेगळ्या गुणोत्तरांमध्ये: C (39.16 wt %), O (46.98 wt %) आणि Fe (10.99 wt %), EDX rGO/nZVI मध्ये S सारख्या इतर घटकांची उपस्थिती देखील दर्शविली जाते, जे वनस्पतींच्या अर्कांशी संबंधित असू शकतात, वापरले जातात. A. हॅलिमस वापरून वापरल्या जाणाऱ्या rGO/nZVI कंपोझिटमध्ये सध्याचे C:O गुणोत्तर आणि लोहाचे प्रमाण हे निलगिरीच्या पानांच्या अर्कापेक्षा खूपच चांगले आहे, कारण ते C (23.44 wt.%), O (68.29 wt.%) आणि Fe (8.27 wt.%) ची रचना दर्शवते. नताशा आणि इतर, 2022 यांनी ओक आणि तुतीच्या पानांपासून संश्लेषित केलेल्या nZVI ची समान मूलभूत रचना नोंदवली आणि पुष्टी केली की पानांच्या अर्कामध्ये असलेले पॉलीफेनॉल गट आणि इतर रेणू घट प्रक्रियेसाठी जबाबदार आहेत.
वनस्पतींमध्ये संश्लेषित केलेल्या nZVI चे आकारविज्ञान (आकृती S2A,B) गोलाकार आणि अंशतः अनियमित होते, ज्याचा सरासरी कण आकार 23.09 ± 3.54 nm होता, तथापि व्हॅन डेर वाल्स फोर्स आणि फेरोमॅग्नेटिझममुळे साखळी एकत्रित आढळून आले. हा प्रामुख्याने दाणेदार आणि गोलाकार कण आकार SEM निकालांशी चांगला सुसंगत आहे. 2021 मध्ये nZVI11 च्या संश्लेषणात एरंडेल बीन पानांचा अर्क वापरला गेला तेव्हा अब्देलफताह आणि इतरांना असेच निरीक्षण आढळून आले. nZVI मध्ये रिड्यूसिंग एजंट म्हणून वापरल्या जाणाऱ्या रुएलास ट्यूबरोसा पानांचा अर्क NPs देखील 20 ते 40 nm26 व्यासाचा गोलाकार आकार असतो.
हायब्रिड rGO/nZVI कंपोझिट TEM प्रतिमा (आकृती S2C-D) दर्शवितात की rGO हा एक बेसल प्लेन आहे ज्यामध्ये सीमांत पट आणि सुरकुत्या nZVI NPs साठी अनेक लोडिंग साइट्स प्रदान करतात; हे लॅमेलर मॉर्फोलॉजी देखील rGO च्या यशस्वी निर्मितीची पुष्टी करते. याव्यतिरिक्त, nZVI NPs मध्ये 5.32 ते 27 nm पर्यंत कण आकाराचे गोलाकार आकार असतात आणि जवळजवळ एकसमान फैलाव असलेल्या rGO थरात एम्बेड केलेले असतात. Fe NPs/rGO संश्लेषित करण्यासाठी निलगिरीच्या पानांचा अर्क वापरला गेला; TEM निकालांनी असेही पुष्टी केली की rGO थरातील सुरकुत्यांमुळे शुद्ध Fe NPs पेक्षा Fe NPs चे फैलाव अधिक सुधारले आणि कंपोझिटची प्रतिक्रियाशीलता वाढली. बघेरी आणि इतर 28 यांनी असेच परिणाम प्राप्त केले जेव्हा कंपोझिट अंदाजे 17.70 nm च्या सरासरी लोह नॅनोपार्टिकल आकारासह अल्ट्रासोनिक तंत्रांचा वापर करून तयार केले गेले.
A. हॅलिमस, nZVI, GO, rGO, आणि rGO/nZVI संमिश्रांचे FTIR स्पेक्ट्रा आकृती 3A मध्ये दाखवले आहेत. A. हॅलिमसच्या पानांमध्ये पृष्ठभागाच्या कार्यात्मक गटांची उपस्थिती 3336 cm-1 वर दिसून येते, जी पॉलीफेनॉलशी संबंधित आहे आणि 1244 cm-1 वर, जी प्रथिनांनी तयार केलेल्या कार्बोनिल गटांशी संबंधित आहे. इतर गट जसे की अल्केन्स 2918 cm-1 वर, अल्केन्स 1647 cm-1 वर आणि CO-O-CO एक्सटेंशन 1030 cm-1 वर देखील आढळून आले आहेत, जे वनस्पती घटकांची उपस्थिती दर्शवितात जे सीलिंग एजंट म्हणून काम करतात आणि Fe2+ पासून Fe0 आणि GO पासून rGO29 पर्यंत पुनर्प्राप्तीसाठी जबाबदार असतात. सर्वसाधारणपणे, nZVI स्पेक्ट्रा कडू साखरेइतकेच शोषण शिखर दर्शवितो, परंतु किंचित बदललेल्या स्थितीत. ३२४४ सेमी-१ वर एक तीव्र बँड दिसून येतो जो OH स्ट्रेचिंग कंपनांशी (फिनॉल) संबंधित असतो, १६१५ वरील शिखर C=C शी संबंधित असते आणि १५४६ आणि १०११ सेमी-१ वर बँड C=O (पॉलिफेनॉल आणि फ्लेव्होनॉइड्स) च्या स्ट्रेचिंगमुळे उद्भवतात, अनुक्रमे १३१० सेमी-१ आणि ११९० सेमी-१ वर CN - सुगंधी अमाइन्स आणि अ‍ॅलिफॅटिक अमाइन्सचे गट देखील आढळून आले. GO चा FTIR स्पेक्ट्रम अनेक उच्च-तीव्रता ऑक्सिजन-युक्त गटांची उपस्थिती दर्शवितो, ज्यामध्ये १०४१ सेमी-१ वर अल्कोक्सी (CO) स्ट्रेचिंग बँड, १२९१ सेमी-१ वर इपॉक्सी (CO) स्ट्रेचिंग बँड, C=O स्ट्रेचिंग बँड यांचा समावेश आहे. १६१९ सेमी-१ वर C=C स्ट्रेचिंग कंपनांचा बँड, १७०८ सेमी-१ वर बँड आणि ३३८४ सेमी-१ वर OH ग्रुप स्ट्रेचिंग कंपनांचा ब्रॉड बँड दिसला, ज्याची पुष्टी सुधारित हमर्स पद्धतीद्वारे केली जाते, जी ग्रेफाइट प्रक्रियेचे यशस्वीरित्या ऑक्सिडायझेशन करते. GO स्पेक्ट्रासह rGO आणि rGO/nZVI कंपोझिट्सची तुलना करताना, काही ऑक्सिजन-युक्त गटांची तीव्रता, जसे की OH 3270 सेमी-1 वर, लक्षणीयरीत्या कमी होते, तर इतर, जसे की C=O 1729 सेमी-1 वर, पूर्णपणे कमी होते. गायब झाले, जे A. हॅलिमस अर्कद्वारे GO मधील ऑक्सिजन-युक्त कार्यात्मक गटांचे यशस्वीपणे काढून टाकणे दर्शवते. C=C ताणावर rGO चे नवीन तीक्ष्ण वैशिष्ट्यपूर्ण शिखर १५६० आणि १४०५ सेमी-१ च्या आसपास दिसून आले, जे GO ते rGO कमी झाल्याची पुष्टी करते. १०४३ ते १०१५ सेमी-१ आणि ९८२ ते ९१८ सेमी-१ पर्यंतचे फरक दिसून आले, कदाचित वनस्पती सामग्रीच्या समावेशामुळे ३१,३२. वेंग आणि इतर, २०१८ मध्ये GO मध्ये ऑक्सिजनयुक्त कार्यात्मक गटांचे लक्षणीय क्षीणन देखील दिसून आले, ज्यामुळे बायोरिडक्शनद्वारे rGO ची यशस्वी निर्मितीची पुष्टी झाली, कारण कमी झालेल्या लोह ग्राफीन ऑक्साईड संमिश्रांचे संश्लेषण करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या निलगिरीच्या पानांच्या अर्कांनी वनस्पती घटक कार्यात्मक गटांचे जवळचे FTIR स्पेक्ट्रा दर्शविले. ३३.
A. गॅलियमचे FTIR स्पेक्ट्रम, nZVI, rGO, GO, संमिश्र rGO/nZVI (A). रोएंटजेनोग्रामी संमिश्र rGO, GO, nZVI आणि rGO/nZVI (B).
rGO/nZVI आणि nZVI संमिश्रांची निर्मिती मोठ्या प्रमाणात एक्स-रे डिफ्रॅक्शन पॅटर्नद्वारे पुष्टी केली गेली (आकृती 3B). निर्देशांक (110) (JCPDS क्र. 06–0696) 11 शी संबंधित 2Ɵ 44.5° वर उच्च-तीव्रतेचा Fe0 शिखर आढळला. (311) समतलाच्या 35.1° वर आणखी एक शिखर मॅग्नेटाइट Fe3O4 ला जबाबदार आहे, ϒ-FeOOH (JCPDS क्र. 17-0536)34 च्या उपस्थितीमुळे 63.2° (440) समतलाच्या मिलर इंडेक्सशी संबंधित असू शकते. GO चा एक्स-रे पॅटर्न 2Ɵ 10.3° वर एक तीक्ष्ण शिखर आणि 21.1° वर आणखी एक शिखर दर्शवितो, जो ग्रेफाइटचे संपूर्ण एक्सफोलिएशन दर्शवितो आणि GO35 च्या पृष्ठभागावर ऑक्सिजन-युक्त गटांची उपस्थिती हायलाइट करतो. rGO आणि rGO/nZVI च्या संमिश्र नमुन्यांमध्ये अनुक्रमे 2Ɵ 22.17 आणि 24.7° वर rGO आणि rGO/nZVI संमिश्रांसाठी वैशिष्ट्यपूर्ण GO शिखरांचे गायब होणे आणि रुंद rGO शिखरांची निर्मिती नोंदवली गेली, ज्यामुळे वनस्पती अर्कांद्वारे GO ची यशस्वी पुनर्प्राप्ती झाली. तथापि, संमिश्र rGO/nZVI नमुन्यात, Fe0 (110) आणि bcc Fe0 (200) च्या जाळीच्या समतलाशी संबंधित अतिरिक्त शिखरे अनुक्रमे 44.9\(^\circ\) आणि 65.22\(^\circ\) वर आढळून आली.
झेटा पोटेंशियल म्हणजे कणाच्या पृष्ठभागावर जोडलेल्या आयनिक थर आणि पदार्थाचे इलेक्ट्रोस्टॅटिक गुणधर्म ठरवणाऱ्या आणि त्याची स्थिरता मोजणाऱ्या जलीय द्रावणातील पोटेन्शियल आहे. वनस्पती-संश्लेषित nZVI, GO आणि rGO/nZVI कंपोझिट्सच्या झेटा पोटेंशियल विश्लेषणाने त्यांच्या पृष्ठभागावर अनुक्रमे -20.8, -22 आणि -27.4 mV च्या ऋण शुल्काच्या उपस्थितीमुळे त्यांची स्थिरता दर्शविली, जसे की आकृती S1A-C मध्ये दर्शविले आहे. . असे निकाल अनेक अहवालांशी सुसंगत आहेत ज्यात नमूद केले आहे की -25 mV पेक्षा कमी झेटा पोटेंशियल मूल्ये असलेले कण असलेले द्रावण सामान्यतः या कणांमधील इलेक्ट्रोस्टॅटिक प्रतिकर्षणामुळे उच्च प्रमाणात स्थिरता दर्शवतात. rGO आणि nZVI चे संयोजन कंपोझिटला अधिक नकारात्मक शुल्क प्राप्त करण्यास अनुमती देते आणि अशा प्रकारे केवळ GO किंवा nZVI पेक्षा जास्त स्थिरता असते. म्हणून, इलेक्ट्रोस्टॅटिक प्रतिकर्षणाच्या घटनेमुळे स्थिर rGO/nZVI39 संयुगे तयार होतील. GO च्या नकारात्मक पृष्ठभागामुळे ते जलीय माध्यमात एकत्रित न होता समान रीतीने विखुरले जाऊ शकते, ज्यामुळे nZVI शी परस्परसंवादासाठी अनुकूल परिस्थिती निर्माण होते. ऋण शुल्क हे कडू खरबूज अर्कामध्ये वेगवेगळ्या कार्यात्मक गटांच्या उपस्थितीशी संबंधित असू शकते, जे GO आणि लोह पूर्वसूचकांमधील परस्परसंवाद आणि अनुक्रमे rGO आणि nZVI तयार करण्यासाठी वनस्पती अर्क आणि rGO/nZVI कॉम्प्लेक्स यांच्यातील परस्परसंवादाची पुष्टी करते. हे वनस्पती संयुगे कॅपिंग एजंट म्हणून देखील काम करू शकतात, कारण ते परिणामी नॅनोपार्टिकल्सचे एकत्रीकरण रोखतात आणि अशा प्रकारे त्यांची स्थिरता वाढवतात40.
nZVI आणि rGO/nZVI संमिश्रांची मूलद्रव्य रचना आणि संयुजा अवस्था XPS द्वारे निश्चित केली गेली (आकृती 4). एकूण XPS अभ्यासातून असे दिसून आले की rGO/nZVI संमिश्र प्रामुख्याने C, O आणि Fe या घटकांपासून बनलेला आहे, जो EDS मॅपिंगशी सुसंगत आहे (आकृती 4F–H). C1s स्पेक्ट्रममध्ये अनुक्रमे CC, CO आणि C=O दर्शविणारे 284.59 eV, 286.21 eV आणि 288.21 eV वर तीन शिखरे आहेत. O1s स्पेक्ट्रम तीन शिखरांमध्ये विभागले गेले होते, ज्यामध्ये 531.17 eV, 532.97 eV आणि 535.45 eV समाविष्ट होते, जे अनुक्रमे O=CO, CO आणि NO गटांना नियुक्त केले गेले होते. तथापि, ७१०.४३, ७१४.५७ आणि ७२४.७९ eV वरील शिखर अनुक्रमे Fe २p३/२, Fe+३ आणि Fe p१/२ दर्शवितात. nZVI च्या XPS स्पेक्ट्राने (आकृती ४C-E) C, O आणि Fe या घटकांसाठी शिखर दर्शविले. २८४.७७, २८६.२५ आणि २८७.६२ eV वरील शिखर लोह-कार्बन मिश्रधातूंच्या उपस्थितीची पुष्टी करतात, कारण ते अनुक्रमे CC, C-OH आणि CO दर्शवितात. O1s स्पेक्ट्रम तीन शिखर C–O/लोह कार्बोनेट (५३१.१९ eV), हायड्रॉक्सिल रॅडिकल (५३२.४ eV) आणि O–C=O (५३३.४७ eV) शी संबंधित होते. ७१९.६ वरील शिखर Fe0 मुळे आहे, तर FeOOH ७१७.३ आणि ७२३.७ eV वरील शिखर दर्शविते, याव्यतिरिक्त, ७२५.८ eV वरील शिखर Fe2O342.43 ची उपस्थिती दर्शविते.
अनुक्रमे nZVI आणि rGO/nZVI संमिश्रांचे XPS अभ्यास (A, B). nZVI C1s (C), Fe2p (D), आणि O1s (E) आणि rGO/nZVI C1s (F), Fe2p (G), O1s (H) संमिश्रांचे पूर्ण स्पेक्ट्रा.
N2 शोषण/विसर्जन समताप (आकृती 5A, B) दर्शविते की nZVI आणि rGO/nZVI संमिश्र प्रकार II चे आहेत. याव्यतिरिक्त, rGO सह आंधळे झाल्यानंतर nZVI चे विशिष्ट पृष्ठभाग क्षेत्र (SBET) 47.4549 वरून 152.52 m2/g पर्यंत वाढले. rGO आंधळे झाल्यानंतर nZVI च्या चुंबकीय गुणधर्मांमध्ये घट झाल्यामुळे हा परिणाम स्पष्ट केला जाऊ शकतो, ज्यामुळे कण एकत्रीकरण कमी होते आणि संमिश्रांचे पृष्ठभाग क्षेत्र वाढते. याव्यतिरिक्त, आकृती 5C मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, rGO/nZVI संमिश्राचे छिद्र आकारमान (8.94 nm) मूळ nZVI (2.873 nm) पेक्षा जास्त आहे. हा परिणाम एल-मोनेम आणि इतर 45 शी सहमत आहे.
सुरुवातीच्या एकाग्रतेतील वाढीवर अवलंबून rGO/nZVI संमिश्र आणि मूळ nZVI मधील DC काढून टाकण्यासाठी शोषण क्षमतेचे मूल्यांकन करण्यासाठी, विविध सुरुवातीच्या एकाग्रतेवर DC मध्ये प्रत्येक शोषक (0.05 ग्रॅम) चा स्थिर डोस जोडून तुलना केली गेली. द्रावणाची तपासणी केली [25]. –100 mg l–1] 25°C वर. निकालांवरून असे दिसून आले की rGO/nZVI संमिश्राची काढण्याची कार्यक्षमता (94.6%) कमी एकाग्रतेवर (25 mg L-1) मूळ nZVI (90%) पेक्षा जास्त होती. तथापि, जेव्हा सुरुवातीची एकाग्रता 100 mg L-1 पर्यंत वाढवली गेली, तेव्हा rGO/nZVI आणि पॅरेंटल nZVI ची काढण्याची कार्यक्षमता अनुक्रमे 70% आणि 65% पर्यंत घसरली (आकृती 6A), जी कमी सक्रिय साइट्स आणि nZVI कणांच्या ऱ्हासामुळे असू शकते. याउलट, rGO/nZVI ने DC काढून टाकण्याची कार्यक्षमता जास्त दर्शविली, जी कदाचित rGO आणि nZVI मधील सहक्रियात्मक परिणामामुळे असू शकते, ज्यामध्ये शोषणासाठी उपलब्ध स्थिर सक्रिय साइट्स खूप जास्त असतात आणि rGO/nZVI च्या बाबतीत, अखंड nZVI पेक्षा जास्त DC शोषले जाऊ शकते. याव्यतिरिक्त, आकृती 6B मध्ये असे दिसून आले आहे की rGO/nZVI आणि nZVI संमिश्रांची शोषण क्षमता अनुक्रमे 9.4 mg/g वरून 30 mg/g आणि 9 mg/g पर्यंत वाढली आहे, सुरुवातीच्या एकाग्रतेत 25-100 mg/L वरून वाढ झाली आहे. -1.1 ते 28.73 mg g-1. म्हणून, DC काढून टाकण्याचा दर सुरुवातीच्या DC एकाग्रतेशी नकारात्मकरित्या संबंधित होता, जो द्रावणात DC शोषण आणि काढून टाकण्यासाठी प्रत्येक शोषक द्वारे समर्थित मर्यादित संख्येच्या प्रतिक्रिया केंद्रांमुळे होता. अशाप्रकारे, या निकालांवरून असा निष्कर्ष काढता येतो की rGO/nZVI संमिश्रांमध्ये शोषण आणि घट करण्याची कार्यक्षमता जास्त असते आणि rGO/nZVI च्या रचनेतील rGO चा वापर शोषक आणि वाहक पदार्थ म्हणून दोन्ही प्रकारे केला जाऊ शकतो.
rGO/nZVI आणि nZVI संमिश्रांसाठी काढण्याची कार्यक्षमता आणि DC शोषण क्षमता (A, B) [Co = 25 mg l-1–100 mg l-1, T = 25 °C, डोस = 0.05 g], pH. rGO/nZVI संमिश्रांवर शोषण क्षमतेवर आणि DC काढण्याची कार्यक्षमता (C) [Co = 50 mg L–1, pH = 3–11, T = 25°C, डोस = 0.05 g] होती.
सोल्यूशन पीएच हा सोल्यूशन प्रक्रियेच्या अभ्यासात एक महत्त्वाचा घटक आहे, कारण तो सोल्यूशनच्या आयनीकरण, विशिष्टता आणि आयनीकरणाच्या डिग्रीवर परिणाम करतो. हा प्रयोग २५°C वर स्थिर सोल्यूशन डोस (०.०५ ग्रॅम) आणि पीएच श्रेणीमध्ये ५० मिलीग्राम एल-१ च्या प्रारंभिक एकाग्रतेसह (३-११) करण्यात आला. साहित्य पुनरावलोकन ४६ नुसार, डीसी हा एक अँफिफिलिक रेणू आहे ज्यामध्ये विविध पीएच स्तरांवर अनेक आयनीकरण करण्यायोग्य कार्यात्मक गट (फिनॉल, अमीनो गट, अल्कोहोल) असतात. परिणामी, RGO/nZVI संमिश्राच्या पृष्ठभागावरील DC चे विविध कार्य आणि संबंधित संरचना इलेक्ट्रोस्टॅटिकली परस्परसंवाद करू शकतात आणि कॅशन, झ्विटेरियन आणि आयन म्हणून अस्तित्वात असू शकतात, DC रेणू pH < 3.3 वर कॅशनिक (DCH3+), झ्विटेरियन (DCH20) 3.3 < PH < 7.7 आणि PH 7.7 वर अ‍ॅनिओनिक (DCH− किंवा DC2−) म्हणून अस्तित्वात आहे. परिणामी, RGO/nZVI संमिश्राच्या पृष्ठभागावरील DC चे विविध कार्य आणि संबंधित संरचना इलेक्ट्रोस्टॅटिकली परस्परसंवाद करू शकतात आणि कॅटेशन, झ्विटेरियन आणि आयन म्हणून अस्तित्वात असू शकतात, DC रेणू pH < 3.3 वर कॅशनिक (DCH3+), झ्विटेरियन (DCH20) 3.3 < PH < 7.7 आणि PH 7.7 वर अ‍ॅनिओनिक (DCH- किंवा DC2-) म्हणून अस्तित्वात आहे. В результате различные функции ДК и связанных с ними структур на поверхности композита rGO/nZVI и могут существовать виде катионов, цвиттер-ионов и анионов, молекула ДК существует в виде катиона (DCH3+, <3+) цвиттер-ионный (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 и анионный (DCH- или DC2-) при pH 7,7. परिणामी, rGO/nZVI संमिश्राच्या पृष्ठभागावरील DC आणि संबंधित संरचनांचे विविध कार्य इलेक्ट्रोस्टॅटिकली संवाद साधू शकतात आणि ते कॅशन, झ्विटेरियन आणि आयनच्या स्वरूपात अस्तित्वात असू शकतात; DC रेणू pH < 3.3 वर कॅशन (DCH3+) म्हणून अस्तित्वात आहे; आयनिक (DCH20) 3.3 < PH < 7.7 आणि आयनिक (DCH- किंवा DC2-) pH 7.7 वर.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+) 形式存在，两性离子(DCH20) 3.3 < pH < 7.7 和阴离子(DCH- 或DC2-) PH 7.7.因此 ， dc 的 种 功能 和 和 复合 材料 表面 的 相关 结构 可 能 结构 可 能 会 丒 可 功能 会 可并 可能 以 阳离子 两 性 和 阴离子 形式 ， DC 分子 在 pH <3.3 时 阳离子 阳离子 阳离子 阳离子 阳离子 (dch3+)形式存在，两性离子(DCH20) 3.3 < pH < 7.7 和阴离子(DCH- 或DC2-) 在. PH7. Следовательно, различные функции ДК и родственных им структур на поверхности композита rGO/nZVI могут вступать это вступатьы взаимодействия и существовать в виде катионов, цвиттер-ионов и анионов, а молекулы ДК являются катионЦым+(33Дрин) म्हणून, rGO/nZVI संमिश्राच्या पृष्ठभागावरील DC आणि संबंधित संरचनांचे विविध कार्य इलेक्ट्रोस्टॅटिक परस्परसंवादात प्रवेश करू शकतात आणि कॅशन, झ्विटेरियन आणि आयनच्या स्वरूपात अस्तित्वात असू शकतात, तर DC रेणू pH < 3.3 वर कॅशनिक (DCH3+) असतात. он существует виде цвиттер-иона (DCH20) при 3,3 < pH < 7,7 и аниона (DCH- и DC2-) वर pH 7,7. ते ३.३ < pH < ७.७ वर झ्विटेरियन (DCH20) आणि ७.७ pH वर आयन (DCH- किंवा DC2-) म्हणून अस्तित्वात आहे.pH मध्ये 3 ते 7 पर्यंत वाढ झाल्याने, DC काढण्याची शोषण क्षमता आणि कार्यक्षमता 11.2 mg/g (56%) वरून 17 mg/g (85%) पर्यंत वाढली (आकृती 6C). तथापि, pH 9 आणि 11 पर्यंत वाढल्याने, शोषण क्षमता आणि काढण्याची कार्यक्षमता काही प्रमाणात कमी झाली, अनुक्रमे 10.6 mg/g (53%) वरून 6 mg/g (30%) पर्यंत. pH मध्ये 3 ते 7 पर्यंत वाढ झाल्याने, DC प्रामुख्याने zwitterions च्या स्वरूपात अस्तित्वात होते, ज्यामुळे ते जवळजवळ गैर-इलेक्ट्रोस्टॅटिकली आकर्षित झाले किंवा rGO/nZVI कंपोझिट्ससह प्रतिकूलित झाले, प्रामुख्याने इलेक्ट्रोस्टॅटिक परस्परसंवादाद्वारे. pH 8.2 च्या वर वाढल्याने, शोषक पृष्ठभाग नकारात्मक चार्ज झाला, अशा प्रकारे शोषक क्षमता कमी झाली आणि नकारात्मक चार्ज केलेल्या डॉक्सीसाइक्लिन आणि शोषक पृष्ठभागामधील इलेक्ट्रोस्टॅटिक प्रतिकर्षणामुळे कमी झाली. या ट्रेंडवरून असे दिसून येते की rGO/nZVI कंपोझिट्सवरील DC शोषण हे अत्यंत pH वर अवलंबून असते आणि परिणाम असेही सूचित करतात की rGO/nZVI कंपोझिट्स आम्लयुक्त आणि तटस्थ परिस्थितीत शोषक म्हणून योग्य आहेत.
DC च्या जलीय द्रावणाच्या शोषणावर तापमानाचा परिणाम (25–55°C) वर झाला. आकृती 7A मध्ये rGO/nZVI वरील DC प्रतिजैविकांच्या काढून टाकण्याच्या कार्यक्षमतेवर तापमान वाढीचा परिणाम दिसून येतो, हे स्पष्ट आहे की काढून टाकण्याची क्षमता आणि शोषण क्षमता अनुक्रमे 83.44% आणि 13.9 mg/g वरून 47% आणि 7.83 mg/g पर्यंत वाढली आहे. ही लक्षणीय घट DC आयनांच्या थर्मल उर्जेमध्ये वाढ झाल्यामुळे असू शकते, ज्यामुळे शोषण होते47.
rGO/nZVI कंपोझिट्सवरील CD च्या काढून टाकण्याच्या कार्यक्षमतेवर आणि शोषण क्षमतेवर तापमानाचा परिणाम (A) [Co = 50 mg L–1, pH = 7, डोस = 0.05 g], काढून टाकण्यावरील शोषक डोस कार्यक्षमता आणि काढून टाकण्याची कार्यक्षमता CD ची कार्यक्षमता rGO/nSVI कंपोझिटवरील DC काढून टाकण्याच्या शोषण क्षमतेवर आणि कार्यक्षमतेवर प्रारंभिक एकाग्रतेचा परिणाम (B) [Co = 50 mg L–1, pH = 7, T = 25°C] (C, D) [Co = 25–100 mg L–1, pH = 7, T = 25 °C, डोस = 0.05 g].
संमिश्र शोषक rGO/nZVI चा डोस 0.01 ग्रॅम वरून 0.07 ग्रॅम पर्यंत वाढवण्याचा काढून टाकण्याच्या कार्यक्षमतेवर आणि शोषण क्षमतेवर होणारा परिणाम आकृती 7B मध्ये दर्शविला आहे. शोषकांच्या डोसमध्ये वाढ झाल्यामुळे शोषण क्षमता 33.43 मिलीग्राम/ग्रॅम वरून 6.74 मिलीग्राम/ग्रॅम पर्यंत कमी झाली. तथापि, शोषकांच्या डोसमध्ये 0.01 ग्रॅम वरून 0.07 ग्रॅम पर्यंत वाढ झाल्याने, काढून टाकण्याची कार्यक्षमता 66.8% वरून 96% पर्यंत वाढते, जे त्यानुसार, नॅनोकंपोझिट पृष्ठभागावरील सक्रिय केंद्रांच्या संख्येत वाढ होण्याशी संबंधित असू शकते.
सुरुवातीच्या एकाग्रतेचा शोषण क्षमता आणि काढून टाकण्याच्या कार्यक्षमतेवर परिणाम [२५-१०० मिलीग्राम एल-१, २५°C, पीएच ७, डोस ०.०५ ग्रॅम] अभ्यासण्यात आला. जेव्हा सुरुवातीची एकाग्रता २५ मिलीग्राम एल-१ वरून १०० मिलीग्राम एल-१ पर्यंत वाढवली गेली, तेव्हा rGO/nZVI संमिश्राची काढून टाकण्याची टक्केवारी ९४.६% वरून ६५% पर्यंत कमी झाली (आकृती ७C), कदाचित इच्छित सक्रिय स्थळांच्या अनुपस्थितीमुळे. . DC४९ चे मोठे सांद्रता शोषून घेते. दुसरीकडे, सुरुवातीची एकाग्रता वाढल्याने, समतोल गाठेपर्यंत शोषण क्षमता देखील ९.४ मिलीग्राम/ग्रॅम वरून ३० मिलीग्राम/ग्रॅम पर्यंत वाढली (आकृती ७D). ही अपरिहार्य प्रतिक्रिया rGO/nZVI संमिश्राच्या पृष्ठभाग ५० पर्यंत पोहोचण्यासाठी DC आयन वस्तुमान हस्तांतरण प्रतिकारापेक्षा जास्त प्रारंभिक DC एकाग्रतेसह प्रेरक शक्तीमध्ये वाढ झाल्यामुळे होते.
संपर्क वेळ आणि गतिज अभ्यास हे शोषणाच्या समतोल वेळेचे आकलन करण्यासाठी केले जातात. प्रथम, संपर्क वेळेच्या पहिल्या ४० मिनिटांत शोषलेले DC चे प्रमाण संपूर्ण वेळेत (१०० मिनिटे) शोषलेल्या एकूण प्रमाणाच्या अंदाजे अर्धे होते. द्रावणातील DC रेणू एकमेकांशी टक्कर घेतात ज्यामुळे ते rGO/nZVI संमिश्राच्या पृष्ठभागावर वेगाने स्थलांतरित होतात ज्यामुळे लक्षणीय शोषण होते. ४० मिनिटांनंतर, DC शोषण हळूहळू आणि हळूहळू वाढले जोपर्यंत ६० मिनिटांनंतर समतोल गाठला जात नाही (आकृती ७D). पहिल्या ४० मिनिटांत वाजवी प्रमाणात शोषण होत असल्याने, DC रेणूंशी कमी टक्कर होतील आणि शोषण न केलेल्या रेणूंसाठी कमी सक्रिय स्थळे उपलब्ध असतील. म्हणून, शोषण दर कमी करता येतो ५१.
शोषण गतिशास्त्र अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यासाठी, छद्म पहिला क्रम (आकृती 8A), छद्म दुसरा क्रम (आकृती 8B) आणि एलोविच (आकृती 8C) गतिज मॉडेल्सचे रेषा प्लॉट वापरले गेले. गतिज अभ्यासातून (टेबल S1) मिळालेल्या पॅरामीटर्सवरून, हे स्पष्ट होते की छद्म सेकंद मॉडेल हे शोषण गतिशास्त्राचे वर्णन करण्यासाठी सर्वोत्तम मॉडेल आहे, जिथे R2 मूल्य इतर दोन मॉडेल्सपेक्षा जास्त सेट केले जाते. गणना केलेल्या शोषण क्षमतांमध्ये (qe, cal) देखील समानता आहे. छद्म-दुसरा क्रम आणि प्रायोगिक मूल्ये (qe, exp.) हे आणखी पुरावे आहेत की छद्म-दुसरा क्रम इतर मॉडेल्सपेक्षा चांगला मॉडेल आहे. तक्ता 1 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, α (प्रारंभिक शोषण दर) आणि β (विसर्जन स्थिरांक) ची मूल्ये पुष्टी करतात की शोषण दर विसर्जन दरापेक्षा जास्त आहे, जे दर्शवते की DC rGO/nZVI52 संमिश्रावर कार्यक्षमतेने शोषण करण्यास प्रवृत्त आहे. .
छद्म-दुसरा क्रम (A), छद्म-पहिला क्रम (B) आणि एलोविच (C) चे रेषीय शोषण गतिज भूखंड [Co = 25–100 mg l–1, pH = 7, T = 25 °C, डोस = 0.05 g].
विविध शोषक सांद्रता (DC) आणि प्रणाली तापमानांवर शोषक (RGO/nRVI संमिश्र) ची शोषक क्षमता निश्चित करण्यास सोपविणाऱ्या समतापांच्या अभ्यासातून मदत होते. लँगमुइर समतापांचा वापर करून जास्तीत जास्त शोषक क्षमता मोजण्यात आली, ज्यावरून असे दिसून आले की शोषक एकसंध होते आणि त्यांच्यातील परस्परसंवादाशिवाय शोषकांच्या पृष्ठभागावर एक शोषक मोनोलेयर तयार करणे समाविष्ट होते53. फ्रुंडलिच आणि टेमकिन मॉडेल्स ही इतर दोन मोठ्या प्रमाणात वापरली जाणारी समतापांची मॉडेल्स आहेत. जरी फ्रुंडलिच मॉडेलचा वापर शोषक क्षमतेची गणना करण्यासाठी केला जात नसला तरी, ते विषम शोषक प्रक्रिया समजून घेण्यास मदत करते आणि शोषकांच्या रिक्त जागांमध्ये वेगवेगळ्या ऊर्जा असतात, तर टेमकिन मॉडेल शोषकांचे भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्म समजून घेण्यास मदत करते54.
आकृती 9A-C अनुक्रमे लँगमुइर, फ्रीइंडलिच आणि टेमकिन मॉडेल्सचे रेषा प्लॉट दर्शविते. फ्रीइंडलिच (आकृती 9A) आणि लँगमुइर (आकृती 9B) रेषा प्लॉटवरून गणना केलेली आणि तक्ता 2 मध्ये सादर केलेली R2 मूल्ये दर्शवितात की rGO/nZVI संमिश्रावरील DC शोषण फ्रीइंडलिच (0.996) आणि लँगमुइर (0.988) समताप मॉडेल्स आणि टेमकिन (0.985) चे अनुसरण करते. लँगमुइर समताप मॉडेल वापरून गणना केलेली कमाल शोषण क्षमता (qmax) 31.61 mg g-1 होती. याव्यतिरिक्त, आयामहीन पृथक्करण घटक (RL) चे गणना केलेले मूल्य 0 आणि 1 (0.097) दरम्यान आहे, जे अनुकूल शोषण प्रक्रिया दर्शवते. अन्यथा, गणना केलेले फ्रीइंडलिच स्थिरांक (n = 2.756) या शोषण प्रक्रियेसाठी प्राधान्य दर्शवते. टेमकिन आयसोथर्म (आकृती 9C) च्या रेषीय मॉडेलनुसार, rGO/nZVI संमिश्रावर DC चे शोषण ही एक भौतिक शोषण प्रक्रिया आहे, कारण b ˂ 82 kJ mol-1 (0.408)55 आहे. जरी भौतिक शोषण सहसा कमकुवत व्हॅन डेर वाल्स बलांद्वारे मध्यस्थी केले जाते, तरी rGO/nZVI संमिश्रांवर थेट प्रवाह शोषणासाठी कमी शोषण ऊर्जा आवश्यक असते [56, 57].
फ्रुंडलिच (A), लँगमुइर (B), आणि टेमकिन (C) रेषीय शोषण समताप [Co = 25–100 mg L–1, pH = 7, T = 25 °C, डोस = 0.05 g]. rGO/nZVI संमिश्र (D) द्वारे DC शोषणासाठी व्हॅन हॉफ समीकरणाचा प्लॉट [Co = 25–100 mg l-1, pH = 7, T = 25–55 °C आणि डोस = 0.05 g].
rGO/nZVI कंपोझिट्समधून DC काढून टाकण्यावर प्रतिक्रिया तापमान बदलाच्या परिणामाचे मूल्यांकन करण्यासाठी, समीकरणे 3 आणि 458 वरून एन्ट्रॉपी बदल (ΔS), एन्थॅल्पी बदल (ΔH) आणि मुक्त ऊर्जा बदल (ΔG) सारखे थर्मोडायनामिक पॅरामीटर्स मोजले गेले.
जिथे \({K}_{e}\)=\(\frac{{C}_{Ae}}{{C}_{e}}\) – थर्मोडायनामिक समतोल स्थिरांक, Ce आणि CAe – द्रावणात rGO, अनुक्रमे /nZVI DC पृष्ठभागावरील समतोल सांद्रता. R आणि RT हे अनुक्रमे वायू स्थिरांक आणि शोषण तापमान आहेत. ln Ke ला 1/T विरुद्ध प्लॉट केल्याने एक सरळ रेषा मिळते (आकृती 9D) ज्यावरून ∆S आणि ∆H निश्चित करता येतात.
नकारात्मक ΔH मूल्य दर्शवते की प्रक्रिया उष्मायण आहे. दुसरीकडे, ΔH मूल्य भौतिक शोषण प्रक्रियेत आहे. तक्ता 3 मधील नकारात्मक ΔG मूल्ये दर्शवितात की शोषण शक्य आणि उत्स्फूर्त आहे. ΔS ची नकारात्मक मूल्ये द्रव इंटरफेसवर शोषक रेणूंचा उच्च क्रम दर्शवितात (तक्ता 3).
तक्ता ४ मध्ये rGO/nZVI संमिश्राची तुलना मागील अभ्यासांमध्ये नोंदवलेल्या इतर शोषकांशी केली आहे. हे स्पष्ट आहे की VGO/nCVI संमिश्राची उच्च शोषण क्षमता आहे आणि ते पाण्यातून DC प्रतिजैविक काढून टाकण्यासाठी एक आशादायक सामग्री असू शकते. याव्यतिरिक्त, rGO/nZVI संमिश्रांचे शोषण ही एक जलद प्रक्रिया आहे ज्याचा समतोल वेळ 60 मिनिटे आहे. rGO/nZVI संमिश्रांचे उत्कृष्ट शोषण गुणधर्म rGO आणि nZVI च्या सहक्रियात्मक परिणामाद्वारे स्पष्ट केले जाऊ शकतात.
आकृती १०अ, ब मध्ये rGO/nZVI आणि nZVI कॉम्प्लेक्सद्वारे DC अँटीबायोटिक्स काढून टाकण्याची तर्कसंगत यंत्रणा दर्शविली आहे. DC शोषणाच्या कार्यक्षमतेवर pH च्या परिणामावरील प्रयोगांच्या निकालांनुसार, pH मध्ये ३ ते ७ पर्यंत वाढ झाल्याने, rGO/nZVI कंपोझिटवरील DC शोषण इलेक्ट्रोस्टॅटिक परस्परसंवादाद्वारे नियंत्रित केले गेले नाही, कारण ते झ्विटेरियन म्हणून काम करते; म्हणून, pH मूल्यातील बदलामुळे शोषण प्रक्रियेवर परिणाम झाला नाही. त्यानंतर, शोषण यंत्रणा हायड्रोजन बाँडिंग, हायड्रोफोबिक इफेक्ट्स आणि rGO/nZVI कंपोझिट आणि DC66 मधील π-π स्टॅकिंग परस्परसंवाद यासारख्या नॉन-इलेक्ट्रोस्टॅटिक परस्परसंवादांद्वारे नियंत्रित केली जाऊ शकते. हे सर्वज्ञात आहे की स्तरित ग्राफीनच्या पृष्ठभागावर सुगंधी शोषणांची यंत्रणा मुख्य प्रेरक शक्ती म्हणून π–π स्टॅकिंग परस्परसंवादाद्वारे स्पष्ट केली गेली आहे. संमिश्र हा ग्राफीनसारखाच एक स्तरित पदार्थ आहे ज्याचे शोषण जास्तीत जास्त २३३ nm आहे. π-π* संक्रमणामुळे. DC अ‍ॅडसॉर्बेटच्या आण्विक रचनेत चार सुगंधी वलयांच्या उपस्थितीवर आधारित, आम्ही असे गृहीत धरले की सुगंधी DC (π-इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ता) आणि RGO पृष्ठभागावर π-इलेक्ट्रॉन समृद्ध प्रदेश यांच्यात π-π-स्टॅकिंग परस्परसंवादाची एक यंत्रणा आहे. /nZVI संमिश्र. याव्यतिरिक्त, आकृती 10B मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, DC सह rGO/nZVI संमिश्रांच्या आण्विक परस्परसंवादाचा अभ्यास करण्यासाठी FTIR अभ्यास केले गेले आणि DC शोषणानंतर rGO/nZVI संमिश्रांचे FTIR स्पेक्ट्रा आकृती 10B मध्ये दर्शविले आहेत. 10b. 2111 cm-1 वर एक नवीन शिखर दिसून येते, जे C=C बाँडच्या फ्रेमवर्क कंपनाशी संबंधित आहे, जे 67 rGO/nZVI च्या पृष्ठभागावर संबंधित सेंद्रिय कार्यात्मक गटांची उपस्थिती दर्शवते. इतर शिखरे १५६१ वरून १५४८ सेमी-१ आणि १३९९ वरून १३६० सेमी-१ वर सरकतात, ज्यामुळे ग्राफीन आणि सेंद्रिय प्रदूषकांच्या शोषणात π-π परस्परसंवाद महत्त्वाची भूमिका बजावतात हे देखील पुष्टी होते. DC शोषणानंतर, OH सारख्या काही ऑक्सिजन-युक्त गटांची तीव्रता ३२७० सेमी-१ पर्यंत कमी झाली, जे सूचित करते की हायड्रोजन बंधन हे शोषण यंत्रणेपैकी एक आहे. अशा प्रकारे, निकालांवर आधारित, rGO/nZVI संमिश्रावर DC शोषण प्रामुख्याने π-π स्टॅकिंग परस्परसंवाद आणि H-बंधांमुळे होते.
rGO/nZVI आणि nZVI कॉम्प्लेक्सद्वारे DC अँटीबायोटिक्सच्या शोषणाची तर्कसंगत यंत्रणा (A). rGO/nZVI आणि nZVI (B) वर DC चा FTIR शोषण स्पेक्ट्रा.
nZVI च्या तुलनेत nZVI (आकृती 10B) वर DC शोषणानंतर 3244, 1615, 1546 आणि 1011 cm–1 वर nZVI च्या शोषण बँडची तीव्रता वाढली, जी DC मधील कार्बोक्झिलिक अॅसिड O गटांच्या संभाव्य कार्यात्मक गटांशी परस्परसंवादाशी संबंधित असावी. तथापि, सर्व निरीक्षण केलेल्या बँडमध्ये प्रसारणाची ही कमी टक्केवारी दर्शवते की शोषण प्रक्रियेपूर्वी nZVI च्या तुलनेत फायटोसिंथेटिक अॅडसॉर्बेंट (nZVI) च्या शोषण कार्यक्षमतेत कोणताही महत्त्वपूर्ण बदल झाला नाही. nZVI71 सोबत काही DC रिमूव्हल संशोधनानुसार, जेव्हा nZVI H2O सोबत प्रतिक्रिया देते तेव्हा इलेक्ट्रॉन सोडले जातात आणि नंतर H+ चा वापर अत्यंत कमी करण्यायोग्य सक्रिय हायड्रोजन तयार करण्यासाठी केला जातो. शेवटी, काही कॅशनिक संयुगे सक्रिय हायड्रोजनमधून इलेक्ट्रॉन स्वीकारतात, परिणामी -C=N आणि -C=C- होतात, जे बेंझिन रिंगच्या विभाजनामुळे होते.