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In dieser Arbeit wurden rGO/nZVI-Komposite zum ersten Mal mithilfe eines einfachen und umweltfreundlichen Verfahrens unter Verwendung von Sophora-Gelbblattextrakt als Reduktionsmittel und Stabilisator synthetisiert, um den Prinzipien der „grünen“ Chemie, wie etwa einer weniger schädlichen chemischen Synthese, zu entsprechen. Zur Validierung der erfolgreichen Synthese von Verbundwerkstoffen wurden mehrere Tools verwendet, wie z. B. SEM, EDX, XPS, XRD, FTIR und Zeta-Potenzial, die auf eine erfolgreiche Verbundwerkstoffherstellung hinweisen. Die Entfernungskapazität der neuen Verbundstoffe und des reinen nZVI bei verschiedenen Ausgangskonzentrationen des Antibiotikums Doxycyclin wurde verglichen, um den synergistischen Effekt zwischen rGO und nZVI zu untersuchen. Unter den Entfernungsbedingungen von 25 mg L-1, 25 °C und 0,05 g betrug die Adsorptionsentfernungsrate von reinem nZVI 90 %, während die Adsorptionsentfernungsrate von Doxycyclin durch das rGO/nZVI-Komposit 94,6 % erreichte, was bestätigt, dass nZVI und rGO . Der Adsorptionsprozess entspricht einer pseudo-zweiten Ordnung und stimmt gut mit dem Freundlich-Modell mit einer maximalen Adsorptionskapazität von 31,61 mg g-1 bei 25 °C und pH 7 überein. Ein vernünftiger Mechanismus zur Entfernung von DC wurde vorgeschlagen. Darüber hinaus betrug die Wiederverwendbarkeit des rGO/nZVI-Komposits nach sechs aufeinanderfolgenden Regenerationszyklen 60 %.
Wasserknappheit und Wasserverschmutzung stellen mittlerweile eine ernsthafte Bedrohung für alle Länder dar. In den letzten Jahren hat die Wasserverschmutzung, insbesondere die Antibiotikabelastung, aufgrund der erhöhten Produktion und des erhöhten Verbrauchs während der COVID-19-Pandemie zugenommen1,2,3. Daher ist die Entwicklung einer wirksamen Technologie zur Eliminierung von Antibiotika im Abwasser eine dringende Aufgabe.
Eines der resistenten halbsynthetischen Antibiotika aus der Gruppe der Tetracycline ist Doxycyclin (DC)4,5. Es wurde berichtet, dass DC-Rückstände im Grundwasser und in Oberflächengewässern nicht metabolisiert werden können, sondern nur 20–50 % metabolisiert werden und der Rest in die Umwelt freigesetzt wird, was zu schwerwiegenden Umwelt- und Gesundheitsproblemen führt6.
Die Exposition gegenüber DC in geringen Mengen kann aquatische photosynthetische Mikroorganismen abtöten, die Ausbreitung antimikrobieller Bakterien gefährden und die antimikrobielle Resistenz erhöhen. Daher muss dieser Schadstoff aus dem Abwasser entfernt werden. Der natürliche Abbau von DC im Wasser ist ein sehr langsamer Prozess. Physikalisch-chemische Prozesse wie Photolyse, biologischer Abbau und Adsorption können nur bei geringen Konzentrationen und sehr geringen Geschwindigkeiten abgebaut werden7,8. Die wirtschaftlichste, einfachste, umweltfreundlichste, einfach zu handhabende und effizienteste Methode ist jedoch die Adsorption9,10.
Nano-nullwertiges Eisen (nZVI) ist ein sehr wirksames Material, das viele Antibiotika aus Wasser entfernen kann, darunter Metronidazol, Diazepam, Ciprofloxacin, Chloramphenicol und Tetracyclin. Diese Fähigkeit ist auf die erstaunlichen Eigenschaften von nZVI zurückzuführen, wie z. B. hohe Reaktivität, große Oberfläche und zahlreiche externe Bindungsstellen11. Aufgrund der Van-der-Wells-Kräfte und der hohen magnetischen Eigenschaften neigt nZVI jedoch zur Aggregation in wässrigen Medien, was seine Wirksamkeit bei der Entfernung von Verunreinigungen aufgrund der Bildung von Oxidschichten verringert, die die Reaktivität von nZVI hemmen10,12. Die Agglomeration von nZVI-Partikeln kann durch die Modifizierung ihrer Oberflächen mit Tensiden und Polymeren oder durch die Kombination mit anderen Nanomaterialien in Form von Verbundwerkstoffen verringert werden, was sich als praktikabler Ansatz zur Verbesserung ihrer Stabilität in der Umwelt erwiesen hat13,14.
Graphen ist ein zweidimensionales Kohlenstoffnanomaterial, das aus sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen besteht, die in einem Wabengitter angeordnet sind. Es verfügt über eine große Oberfläche, erhebliche mechanische Festigkeit, hervorragende elektrokatalytische Aktivität, hohe Wärmeleitfähigkeit, schnelle Elektronenmobilität und ein geeignetes Trägermaterial zur Unterstützung anorganischer Nanopartikel auf seiner Oberfläche. Die Kombination von Metallnanopartikeln und Graphen kann die individuellen Vorteile jedes Materials bei weitem übertreffen und aufgrund seiner überlegenen physikalischen und chemischen Eigenschaften eine optimale Verteilung von Nanopartikeln für eine effizientere Wasseraufbereitung ermöglichen15.
Pflanzenextrakte sind die beste Alternative zu schädlichen chemischen Reduktionsmitteln, die üblicherweise bei der Synthese von reduziertem Graphenoxid (rGO) und nZVI verwendet werden, da sie verfügbar, kostengünstig, einstufig und umweltfreundlich sind und als Reduktionsmittel verwendet werden können. wirkt wie Flavonoide und Phenolverbindungen auch als Stabilisator. Daher wurde in dieser Studie Atriplex halimus L.-Blattextrakt als Reparatur- und Verschlussmittel für die Synthese von rGO/nZVI-Kompositen verwendet. Atriplex halimus aus der Familie der Amaranthaceae ist ein stickstoffliebender mehrjähriger Strauch mit einem weiten geografischen Verbreitungsgebiet16.
Der verfügbaren Literatur zufolge wurde Atriplex halimus (A. halimus) erstmals zur Herstellung von rGO/nZVI-Kompositen als wirtschaftliche und umweltfreundliche Synthesemethode verwendet. Das Ziel dieser Arbeit besteht daher aus vier Teilen: (1) Phytosynthese von rGO/nZVI- und parentalen nZVI-Kompositen unter Verwendung von aquatischem Blattextrakt von A. halimus, (2) Charakterisierung phytosynthetisierter Komposite unter Verwendung mehrerer Methoden, um ihre erfolgreiche Herstellung zu bestätigen, (3 ) untersuchen die synergistische Wirkung von rGO und nZVI bei der Adsorption und Entfernung organischer Verunreinigungen von Doxycyclin-Antibiotika unter verschiedenen Reaktionsparametern, optimieren die Bedingungen des Adsorptionsprozesses, (3) untersuchen Verbundmaterialien in verschiedenen kontinuierlichen Behandlungen nach dem Verarbeitungszyklus.
Doxycyclinhydrochlorid (DC, MM = 480,90, chemische Formel C22H24N2O·HCl, 98 %), Eisenchloridhexahydrat (FeCl3.6H2O, 97 %), Graphitpulver, gekauft von Sigma-Aldrich, USA. Natriumhydroxid (NaOH, 97 %), Ethanol (C2H5OH, 99,9 %) und Salzsäure (HCl, 37 %) wurden von Merck, USA, bezogen. NaCl, KCl, CaCl2, MnCl2 und MgCl2 wurden von Tianjin Comio Chemical Reagent Co., Ltd. gekauft. Alle Reagenzien sind von hoher analytischer Reinheit. Zur Herstellung aller wässrigen Lösungen wurde bidestilliertes Wasser verwendet.
Repräsentative Exemplare von A. halimus wurden in ihrem natürlichen Lebensraum im Nildelta und an der Mittelmeerküste Ägyptens gesammelt. Pflanzenmaterial wurde gemäß den geltenden nationalen und internationalen Richtlinien17 gesammelt. Prof. Manal Fawzi hat Pflanzenproben gemäß Boulos identifiziert18 und die Abteilung für Umweltwissenschaften der Universität Alexandria genehmigt die Sammlung untersuchter Pflanzenarten für wissenschaftliche Zwecke. Mustergutscheine werden im Tanta University Herbarium (TANE) aufbewahrt, Gutschein-Nr. 14 122–14 127, ein öffentliches Herbarium, das Zugang zu hinterlegten Materialien bietet. Um Staub oder Schmutz zu entfernen, schneiden Sie außerdem die Blätter der Pflanze in kleine Stücke, spülen Sie sie dreimal mit Leitungswasser und destilliertem Wasser ab und trocknen Sie sie anschließend bei 50 °C. Die Pflanze wurde zerkleinert, 5 g des feinen Pulvers wurden in 100 ml destilliertes Wasser getaucht und 20 Minuten bei 70 °C gerührt, um einen Extrakt zu erhalten. Der erhaltene Extrakt aus Bacillus nicotianae wurde durch Whatman-Filterpapier filtriert und zur weiteren Verwendung in sauberen und sterilisierten Röhrchen bei 4 °C gelagert.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, wurde das GO aus Graphitpulver nach der modifizierten Hummers-Methode hergestellt. 10 mg GO-Pulver wurden 30 Minuten lang unter Ultraschall in 50 ml entionisiertem Wasser dispergiert, und dann wurden 0,9 g FeCl3 und 2,9 g NaAc 60 Minuten lang gemischt. 20 ml Atriplex-Blattextrakt wurden unter Rühren zu der gerührten Lösung gegeben und 8 Stunden lang bei 80 °C belassen. Die resultierende schwarze Suspension wurde filtriert. Die vorbereiteten Nanokomposite wurden mit Ethanol und bidestilliertem Wasser gewaschen und dann 12 Stunden lang in einem Vakuumofen bei 50 °C getrocknet.
Schematische und digitale Fotografien der grünen Synthese von rGO/nZVI- und nZVI-Komplexen und der Entfernung von DC-Antibiotika aus kontaminiertem Wasser mit Atriplex halimus-Extrakt.
Kurz gesagt, wie in Abb. 1 gezeigt, wurden 10 ml einer Eisenchloridlösung, die 0,05 M Fe3+-Ionen enthielt, 60 Minuten lang unter mäßigem Erhitzen und Rühren tropfenweise zu 20 ml einer Bitterblattextraktlösung gegeben, und dann wurde die Lösung bei 30 °C zentrifugiert 15 Minuten lang bei 14.000 U/min (Hermle, 15.000 U/min) erhitzt, um schwarze Partikel zu ergeben, die dann dreimal mit Ethanol und destilliertem Wasser gewaschen und dann über Nacht in einem Vakuumofen bei 60 °C getrocknet wurden.
Pflanzensynthetische rGO/nZVI- und nZVI-Komposite wurden durch UV-sichtbare Spektroskopie (UV/Vis-Spektrophotometer der T70/T80-Serie, PG Instruments Ltd, UK) im Scanbereich von 200–800 nm charakterisiert. Zur Analyse der Topographie und Größenverteilung der rGO/nZVI- und nZVI-Verbundwerkstoffe wurde TEM-Spektroskopie (JOEL, JEM-2100F, Japan, Beschleunigungsspannung 200 kV) verwendet. Um die funktionellen Gruppen zu bewerten, die in Pflanzenextrakten beteiligt sein können, die für den Wiederherstellungs- und Stabilisierungsprozess verantwortlich sind, wurde FT-IR-Spektroskopie durchgeführt (JASCO-Spektrometer im Bereich von 4000–600 cm-1). Darüber hinaus wurde ein Zetapotentialanalysator (Zetasizer Nano ZS Malvern) verwendet, um die Oberflächenladung der synthetisierten Nanomaterialien zu untersuchen. Für Röntgenbeugungsmessungen von pulverförmigen Nanomaterialien wurde ein Röntgendiffraktometer (X'PERT PRO, Niederlande) verwendet, das mit einem Strom (40 mA) und einer Spannung (45 kV) im 2θ-Bereich von 20° bis 80 betrieben wurde ° und CuKa1-Strahlung (\(\lambda =\ ) 1,54056 Ao). Das energiedispersive Röntgenspektrometer (EDX) (Modell JEOL JSM-IT100) war für die Untersuchung der Elementzusammensetzung beim Sammeln monochromatischer Al K-α-Röntgenstrahlen von -10 bis 1350 eV auf XPS, Punktgröße 400 μm K-ALPHA, verantwortlich (Thermo Fisher Scientific, USA) beträgt die Übertragungsenergie des Vollspektrums 200 eV und des schmalen Spektrums 50 eV. Die Pulverprobe wird auf einen Probenhalter gedrückt, der in einer Vakuumkammer platziert wird. Als Referenz diente das C 1 s-Spektrum bei 284,58 eV zur Bestimmung der Bindungsenergie.
Adsorptionsexperimente wurden durchgeführt, um die Wirksamkeit der synthetisierten rGO/nZVI-Nanokomposite bei der Entfernung von Doxycyclin (DC) aus wässrigen Lösungen zu testen. Adsorptionsexperimente wurden in 25-ml-Erlenmeyerkolben bei einer Schüttelgeschwindigkeit von 200 U/min auf einem Orbitalschüttler (Stuart, Orbital Shaker/SSL1) bei 298 K durchgeführt. Durch Verdünnen der DC-Stammlösung (1000 ppm) mit bidestilliertem Wasser. Um den Einfluss der rGO/nSVI-Dosierung auf die Adsorptionseffizienz zu beurteilen, wurden Nanokomposite unterschiedlichen Gewichts (0,01–0,07 g) zu 20 ml DC-Lösung gegeben. Um die Kinetik und Adsorptionsisothermen zu untersuchen, wurden 0,05 g des Adsorptionsmittels in eine wässrige CD-Lösung mit einer Anfangskonzentration (25–100 mg L–1) getaucht. Der Einfluss des pH-Werts auf die Entfernung von DC wurde bei pH (3–11) und einer Anfangskonzentration von 50 mg L-1 bei 25 °C untersucht. Passen Sie den pH-Wert des Systems an, indem Sie eine kleine Menge HCl- oder NaOH-Lösung hinzufügen (Crison pH-Meter, pH-Meter, pH 25). Darüber hinaus wurde der Einfluss der Reaktionstemperatur auf Adsorptionsexperimente im Bereich von 25-55°C untersucht. Der Einfluss der Ionenstärke auf den Adsorptionsprozess wurde durch Zugabe verschiedener Konzentrationen von NaCl (0,01–4 mol L–1) bei einer anfänglichen DC-Konzentration von 50 mg L–1, pH 3 und 7, 25 °C und untersucht eine Adsorptionsmitteldosis von 0,05 g. Die Adsorption von nicht adsorbiertem DC wurde mit einem Zweistrahl-UV-Vis-Spektrophotometer (T70/T80-Serie, PG Instruments Ltd, UK) gemessen, das mit Quarzküvetten mit 1,0 cm Weglänge bei maximalen Wellenlängen (λmax) von 270 und 350 nm ausgestattet war. Die prozentuale Entfernung von DC-Antibiotika (R%; Gl. 1) und die Adsorptionsmenge von DC, qt, Gl. 2 (mg/g) wurden mit der folgenden Gleichung gemessen.
Dabei ist %R die DC-Entfernungskapazität (%), Co die anfängliche DC-Konzentration zum Zeitpunkt 0 und C die DC-Konzentration zum Zeitpunkt t (mg L-1).
Dabei ist qe die Menge an DC, die pro Masseneinheit des Adsorbens adsorbiert wird (mg g-1), Co und Ce sind die Konzentrationen zum Nullzeitpunkt bzw. im Gleichgewicht (mg l-1), V ist das Lösungsvolumen (l) und m ist das Adsorptionsmassenreagens (g).
REM-Bilder (Abb. 2A–C) zeigen die lamellare Morphologie des rGO/nZVI-Komposits mit gleichmäßig auf seiner Oberfläche verteilten kugelförmigen Eisennanopartikeln, was auf eine erfolgreiche Anlagerung von nZVI-NPs an die rGO-Oberfläche hinweist. Darüber hinaus gibt es einige Falten im rGO-Blatt, was die Entfernung sauerstoffhaltiger Gruppen gleichzeitig mit der Wiederherstellung von A. halimus GO bestätigt. Diese großen Falten dienen als Orte für die aktive Beladung mit Eisen-NPs. nZVI-Bilder (Abb. 2D-F) zeigten, dass die kugelförmigen Eisen-NPs sehr verstreut waren und nicht aggregierten, was auf die Beschichtungsnatur der botanischen Bestandteile des Pflanzenextrakts zurückzuführen ist. Die Partikelgröße variierte zwischen 15 und 26 nm. Einige Regionen weisen jedoch eine mesoporöse Morphologie mit einer Struktur aus Ausbuchtungen und Hohlräumen auf, die eine hohe effektive Adsorptionskapazität von nZVI bieten können, da sie die Möglichkeit erhöhen können, DC-Moleküle auf der Oberfläche von nZVI einzufangen. Als der Rosa-Damaskus-Extrakt für die Synthese von nZVI verwendet wurde, waren die erhaltenen NPs inhomogen, mit Hohlräumen und unterschiedlichen Formen, was ihre Effizienz bei der Cr(VI)-Adsorption verringerte und die Reaktionszeit verlängerte 23 . Die Ergebnisse stimmen mit nZVI überein, das aus Eichen- und Maulbeerblättern synthetisiert wird, bei denen es sich hauptsächlich um kugelförmige Nanopartikel mit verschiedenen Nanometergrößen ohne offensichtliche Agglomeration handelt.
REM-Bilder von rGO/nZVI (AC), nZVI (D, E)-Kompositen und EDX-Muster von nZVI/rGO (G) und nZVI (H)-Kompositen.
Die Elementzusammensetzung von pflanzensynthetisierten rGO/nZVI- und nZVI-Kompositen wurde mit EDX untersucht (Abb. 2G, H). Studien zeigen, dass nZVI aus Kohlenstoff (38,29 Masse-%), Sauerstoff (47,41 Masse-%) und Eisen (11,84 Masse-%) besteht, aber auch andere Elemente wie Phosphor24 vorhanden sind, die aus Pflanzenextrakten gewonnen werden können. Darüber hinaus ist der hohe Anteil an Kohlenstoff und Sauerstoff auf das Vorhandensein sekundärer Pflanzenstoffe aus Pflanzenextrakten in unterirdischen nZVI-Proben zurückzuführen. Diese Elemente sind gleichmäßig auf rGO verteilt, jedoch in unterschiedlichen Verhältnissen: C (39,16 Gew.-%), O (46,98 Gew.-%) und Fe (10,99 Gew.-%). EDX rGO/nZVI zeigt auch das Vorhandensein anderer Elemente wie S, die können in Verbindung mit Pflanzenextrakten eingesetzt werden. Das aktuelle C:O-Verhältnis und der Eisengehalt im rGO/nZVI-Komposit unter Verwendung von A. halimus sind viel besser als unter Verwendung des Eukalyptusblattextrakts, da es die Zusammensetzung von C (23,44 Gew.-%), O (68,29 Gew.-%) charakterisiert. und Fe (8,27 Gew.-%). Gew.-% 25. Nataša et al., 2022 berichteten über eine ähnliche Elementzusammensetzung von nZVI, das aus Eichen- und Maulbeerblättern synthetisiert wurde, und bestätigten, dass Polyphenolgruppen und andere im Blattextrakt enthaltene Moleküle für den Reduktionsprozess verantwortlich sind.
Die Morphologie des in Pflanzen synthetisierten nZVI (Abb. S2A, B) war kugelförmig und teilweise unregelmäßig, mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 23,09 ± 3,54 nm, jedoch wurden aufgrund von Van-der-Waals-Kräften und Ferromagnetismus Kettenaggregate beobachtet. Diese überwiegend körnige und kugelförmige Partikelform stimmt gut mit den REM-Ergebnissen überein. Eine ähnliche Beobachtung wurde von Abdelfatah et al. gefunden. im Jahr 2021, als Rizinusblattextrakt bei der Synthese von nZVI11 verwendet wurde. NPs aus Ruelas tuberosa-Blattextrakt, die als Reduktionsmittel bei nZVI verwendet werden, haben ebenfalls eine Kugelform mit einem Durchmesser von 20 bis 40 nm26.
Hybride rGO/nZVI-Komposit-TEM-Bilder (Abb. S2C-D) zeigten, dass rGO eine Basisebene mit Randfalten und Fältchen ist, die mehrere Ladestellen für nZVI-NPs bieten; Diese lamellare Morphologie bestätigt auch die erfolgreiche Herstellung von rGO. Darüber hinaus haben nZVI-NPs eine Kugelform mit Partikelgrößen von 5,32 bis 27 nm und sind mit einer nahezu gleichmäßigen Dispersion in die rGO-Schicht eingebettet. Eukalyptusblattextrakt wurde zur Synthese von Fe-NPs/rGO verwendet; Die TEM-Ergebnisse bestätigten auch, dass Falten in der rGO-Schicht die Dispersion von Fe-NPs stärker verbesserten als reine Fe-NPs und die Reaktivität der Verbundstoffe erhöhten. Ähnliche Ergebnisse wurden von Bagheri et al. 28, als der Verbundstoff mithilfe von Ultraschalltechniken mit einer durchschnittlichen Eisennanopartikelgröße von etwa 17,70 nm hergestellt wurde.
Die FTIR-Spektren von A. halimus, nZVI, GO, rGO und rGO/nZVI-Kompositen sind in den Abbildungen dargestellt. 3A. Das Vorhandensein funktioneller Oberflächengruppen in den Blättern von A. halimus liegt bei 3336 cm-1, was Polyphenolen entspricht, und bei 1244 cm-1, was den vom Protein produzierten Carbonylgruppen entspricht. Andere Gruppen wie Alkane bei 2918 cm-1, Alkene bei 1647 cm-1 und CO-O-CO-Verlängerungen bei 1030 cm-1 wurden ebenfalls beobachtet, was auf das Vorhandensein von Pflanzenbestandteilen schließen lässt, die als Versiegelungsmittel wirken und für die Erholung verantwortlich sind von Fe2+ zu Fe0 und GO zu rGO29. Im Allgemeinen zeigen die nZVI-Spektren die gleichen Absorptionspeaks wie Bitterzucker, jedoch mit einer leicht verschobenen Position. Bei 3244 cm-1 erscheint eine intensive Bande, die mit OH-Streckschwingungen (Phenolen) verbunden ist, ein Peak bei 1615 entspricht C=C und Banden bei 1546 und 1011 cm-1 entstehen aufgrund der Streckung von C=O (Polyphenole und Flavonoide). CN-Gruppen aromatischer Amine und aliphatischer Amine wurden auch bei 1310 cm-1 bzw. 1190 cm-1 beobachtet13. Das FTIR-Spektrum von GO zeigt das Vorhandensein vieler hochintensiver sauerstoffhaltiger Gruppen, einschließlich der Alkoxy (CO)-Streckbande bei 1041 cm-1, der Epoxid (CO)-Streckbande bei 1291 cm-1 und der C=O-Streckung. Es traten eine Bande von C=C-Streckschwingungen bei 1619 cm-1, eine Bande bei 1708 cm-1 und eine breite Bande von OH-Gruppen-Streckschwingungen bei 3384 cm-1 auf, was durch die verbesserte Hummers-Methode bestätigt wird, die erfolgreich oxidiert Graphitprozess. Beim Vergleich von rGO- und rGO/nZVI-Kompositen mit GO-Spektren ist die Intensität einiger sauerstoffhaltiger Gruppen, wie z. B. OH bei 3270 cm-1, deutlich reduziert, während andere, wie z. B. C=O bei 1729 cm-1, vollständig reduziert sind reduziert. verschwand, was auf die erfolgreiche Entfernung sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen in GO durch den A. halimus-Extrakt hinweist. Neue scharfe charakteristische Peaks von rGO bei C=C-Spannung werden um 1560 und 1405 cm-1 beobachtet, was die Reduktion von GO zu rGO bestätigt. Es wurden Schwankungen von 1043 bis 1015 cm-1 und von 982 bis 918 cm-1 beobachtet, möglicherweise aufgrund der Einbeziehung von Pflanzenmaterial31,32. Weng et al., 2018, beobachteten auch eine signifikante Abschwächung sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen in GO, was die erfolgreiche Bildung von rGO durch Bioreduktion bestätigt, da Eukalyptusblattextrakte, die zur Synthese reduzierter Eisen-Graphenoxid-Verbundwerkstoffe verwendet wurden, genauere FTIR-Spektren der Pflanzenbestandteile zeigten Funktionsgruppen. 33 .
A. FTIR-Spektrum von Gallium, nZVI, rGO, GO, zusammengesetztem rGO/nZVI (A). Röntgen-Komposite rGO, GO, nZVI und rGO/nZVI (B).
Die Bildung von rGO/nZVI- und nZVI-Kompositen wurde weitgehend durch Röntgenbeugungsmuster bestätigt (Abb. 3B). Ein hochintensiver Fe0-Peak wurde bei 2Ɵ 44,5° beobachtet, entsprechend Index (110) (JCPDS-Nr. 06–0696)11. Ein weiterer Peak bei 35,1° der (311)-Ebene wird dem Magnetit Fe3O4 zugeschrieben, 63,2° kann aufgrund des Vorhandenseins von ϒ-FeOOH (JCPDS-Nr. 17-0536)34 mit dem Miller-Index der (440)-Ebene in Verbindung gebracht werden. Das Röntgenmuster von GO zeigt einen scharfen Peak bei 2Ɵ 10,3° und einen weiteren Peak bei 21,1°, was auf eine vollständige Ablösung des Graphits hinweist und das Vorhandensein sauerstoffhaltiger Gruppen auf der Oberfläche von GO35 verdeutlicht. Zusammengesetzte Muster von rGO und rGO/nZVI zeichneten das Verschwinden charakteristischer GO-Peaks und die Bildung breiter rGO-Peaks bei 2Ɵ 22,17 bzw. 24,7° für die rGO- und rGO/nZVI-Komposite auf, was die erfolgreiche Gewinnung von GO durch Pflanzenextrakte bestätigte. Im zusammengesetzten rGO/nZVI-Muster wurden jedoch zusätzliche Peaks im Zusammenhang mit der Gitterebene von Fe0 (110) und bcc Fe0 (200) bei 44,9\(^\circ\) bzw. 65,22\(^\circ\) beobachtet .
Das Zetapotential ist das Potential zwischen einer an der Oberfläche eines Partikels angebrachten Ionenschicht und einer wässrigen Lösung, das die elektrostatischen Eigenschaften eines Materials bestimmt und seine Stabilität misst37. Die Zetapotentialanalyse von pflanzensynthetisierten nZVI-, GO- und rGO/nZVI-Kompositen zeigte, dass ihre Stabilität auf das Vorhandensein negativer Ladungen von -20,8, -22 bzw. -27,4 mV auf ihrer Oberfläche zurückzuführen ist, wie in Abbildung S1A dargestellt. C. . Solche Ergebnisse stehen im Einklang mit mehreren Berichten, in denen erwähnt wird, dass Lösungen, die Partikel mit Zetapotentialwerten von weniger als -25 mV enthalten, aufgrund der elektrostatischen Abstoßung zwischen diesen Partikeln im Allgemeinen ein hohes Maß an Stabilität aufweisen. Durch die Kombination von rGO und nZVI kann der Verbundstoff mehr negative Ladungen annehmen und weist somit eine höhere Stabilität auf als GO oder nZVI allein. Daher wird das Phänomen der elektrostatischen Abstoßung zur Bildung stabiler rGO/nZVI39-Komposite führen. Die negative Oberfläche von GO ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung in einem wässrigen Medium ohne Agglomeration, was günstige Bedingungen für die Wechselwirkung mit nZVI schafft. Die negative Ladung kann mit dem Vorhandensein verschiedener funktioneller Gruppen im Bittermelonenextrakt zusammenhängen, was auch die Wechselwirkung zwischen GO und Eisenvorläufern und dem Pflanzenextrakt zur Bildung von rGO bzw. nZVI und des rGO/nZVI-Komplexes bestätigt. Diese Pflanzenstoffe können auch als Verkappungsmittel wirken, da sie die Aggregation der entstehenden Nanopartikel verhindern und so deren Stabilität erhöhen40.
Die Elementzusammensetzung und Valenzzustände der nZVI- und rGO/nZVI-Komposite wurden durch XPS bestimmt (Abb. 4). Die gesamte XPS-Studie zeigte, dass der rGO/nZVI-Verbundstoff hauptsächlich aus den Elementen C, O und Fe besteht, was mit der EDS-Kartierung übereinstimmt (Abb. 4F – H). Das C1s-Spektrum besteht aus drei Peaks bei 284,59 eV, 286,21 eV und 288,21 eV, die jeweils CC, CO und C=O darstellen. Das O1s-Spektrum wurde in drei Peaks unterteilt, darunter 531,17 eV, 532,97 eV und 535,45 eV, die den Gruppen O=CO, CO bzw. NO zugeordnet wurden. Allerdings beziehen sich die Peaks bei 710,43, 714,57 und 724,79 eV auf Fe 2p3/2, Fe+3 bzw. Fe p1/2. Die XPS-Spektren von nZVI (Abb. 4C-E) zeigten Peaks für die Elemente C, O und Fe. Peaks bei 284,77, 286,25 und 287,62 eV bestätigen das Vorhandensein von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, da sie sich auf CC, C-OH bzw. CO beziehen. Das O1s-Spektrum entsprach drei Peaks: C–O/Eisencarbonat (531,19 eV), Hydroxylradikal (532,4 eV) und O–C=O (533,47 eV). Der Peak bei 719,6 wird Fe0 zugeschrieben, während FeOOH Peaks bei 717,3 und 723,7 eV aufweist, außerdem weist der Peak bei 725,8 eV auf das Vorhandensein von Fe2O342,43 hin.
XPS-Studien zu nZVI- bzw. rGO/nZVI-Kompositen (A, B). Vollständige Spektren von nZVI C1s (C), Fe2p (D) und O1s (E) und rGO/nZVI C1s (F), Fe2p (G), O1s (H)-Komposit.
Die N2-Adsorptions-/Desorptionsisotherme (Abb. 5A, B) zeigt, dass die nZVI- und rGO/nZVI-Komposite zum Typ II gehören. Darüber hinaus stieg die spezifische Oberfläche (SBET) von nZVI nach Verblindung mit rGO von 47,4549 auf 152,52 m2/g. Dieses Ergebnis kann durch die Abnahme der magnetischen Eigenschaften von nZVI nach der rGO-Blindung erklärt werden, wodurch die Partikelaggregation verringert und die Oberfläche der Verbundwerkstoffe vergrößert wird. Darüber hinaus ist, wie in Abb. 5C gezeigt, das Porenvolumen (8,94 nm) des rGO/nZVI-Komposits höher als das des ursprünglichen nZVI (2,873 nm). Dieses Ergebnis stimmt mit El-Monaem et al. überein. 45 .
Um die Adsorptionskapazität zur Entfernung von DC zwischen den rGO/nZVI-Kompositen und dem ursprünglichen nZVI in Abhängigkeit von der Erhöhung der Anfangskonzentration zu bewerten, wurde ein Vergleich durch Zugabe einer konstanten Dosis jedes Adsorbens (0,05 g) zu DC bei verschiedenen Anfangskonzentrationen durchgeführt. Untersuchte Lösung [25]. –100 mg l–1] bei 25°C. Die Ergebnisse zeigten, dass die Entfernungseffizienz (94,6 %) des rGO/nZVI-Komposits bei einer niedrigeren Konzentration (25 mg L-1) höher war als die des ursprünglichen nZVI (90 %). Als jedoch die Ausgangskonzentration auf 100 mg L-1 erhöht wurde, sank die Entfernungseffizienz von rGO/nZVI und parentalem nZVI auf 70 % bzw. 65 % (Abbildung 6A), was möglicherweise auf weniger aktive Stellen und den Abbau von zurückzuführen ist nZVI-Partikel. Im Gegenteil zeigte rGO/nZVI eine höhere Effizienz bei der DC-Entfernung, was möglicherweise auf einen synergistischen Effekt zwischen rGO und nZVI zurückzuführen ist, bei dem die für die Adsorption verfügbaren stabilen aktiven Stellen viel höher sind, im Fall von rGO/nZVI sogar noch mehr DC kann besser adsorbiert werden als intaktes nZVI. Darüber hinaus in Abb. 6B zeigt, dass die Adsorptionskapazität der rGO/nZVI- und nZVI-Komposite von 9,4 mg/g auf 30 mg/g bzw. 9 mg/g anstieg, mit einem Anstieg der Anfangskonzentration von 25–100 mg/L. -1,1 bis 28,73 mg g-1. Daher korrelierte die DC-Entfernungsrate negativ mit der anfänglichen DC-Konzentration, was auf die begrenzte Anzahl von Reaktionszentren zurückzuführen war, die von jedem Adsorbens zur Adsorption und Entfernung von DC in Lösung unterstützt wurden. Aus diesen Ergebnissen kann daher geschlossen werden, dass die rGO/nZVI-Verbundwerkstoffe eine höhere Adsorptions- und Reduktionseffizienz aufweisen und rGO in der Zusammensetzung von rGO/nZVI sowohl als Adsorptionsmittel als auch als Trägermaterial verwendet werden kann.
Die Entfernungseffizienz und DC-Adsorptionskapazität für das rGO/nZVI- und nZVI-Komposit betrugen (A, B) [Co = 25 mg l-1–100 mg l-1, T = 25 °C, Dosis = 0,05 g], pH. zur Adsorptionskapazität und DC-Entfernungseffizienz auf rGO/nZVI-Kompositen (C) [Co = 50 mg L–1, pH = 3–11, T = 25 °C, Dosis = 0,05 g].
Der pH-Wert der Lösung ist ein entscheidender Faktor bei der Untersuchung von Adsorptionsprozessen, da er den Grad der Ionisierung, Speziation und Ionisierung des Adsorptionsmittels beeinflusst. Das Experiment wurde bei 25 °C mit einer konstanten Adsorbensdosis (0,05 g) und einer Anfangskonzentration von 50 mg L-1 im pH-Bereich (3–11) durchgeführt. Laut einer Literaturübersicht46 ist DC ein amphiphiles Molekül mit mehreren ionisierbaren funktionellen Gruppen (Phenole, Aminogruppen, Alkohole) bei verschiedenen pH-Werten. Infolgedessen können die verschiedenen Funktionen von DC und den zugehörigen Strukturen auf der Oberfläche des rGO/nZVI-Komposits elektrostatisch interagieren und als Kationen, Zwitterionen und Anionen vorliegen. Das DC-Molekül liegt als Kation (DCH3+) bei pH < 3,3 vor. zwitterionisch (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 und anionisch (DCH− oder DC2−) bei PH 7,7. Infolgedessen können die verschiedenen Funktionen von DC und den zugehörigen Strukturen auf der Oberfläche des rGO/nZVI-Komposits elektrostatisch interagieren und als Kationen, Zwitterionen und Anionen vorliegen. Das DC-Molekül liegt als Kation (DCH3+) bei pH < 3,3 vor. zwitterionisch (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 und anionisch (DCH- oder DC2-) bei PH 7,7. Aufgrund der verbesserten Funktionen und Funktionen der RGO/nZVI-Leistungskomponenten können elektrische Geräte und andere Geräte verwendet werden Moleküle, die sich in Lichtkategorien (DCH3+) mit einem Wert von < 3,3 befinden, Ionen (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 und Anionen (DCH- oder DC2-) bei pH 7,7. Infolgedessen können verschiedene Funktionen von DC und verwandte Strukturen auf der Oberfläche des rGO/nZVI-Komposits elektrostatisch interagieren und in Form von Kationen, Zwitterionen und Anionen vorliegen; das DC-Molekül liegt als Kation (DCH3+) bei pH < 3,3 vor; ionisch (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 und anionisch (DCH- oder DC2-) bei pH 7,7.因此, DC 的各种功能和rGO/nZVI 复合材料表面的相关结构可能会发生静电相互作用, 并可能以阳离DC hat einen pH-Wert von < 3,3 (DCH3+). pH-Wert (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 pH-Wert (DCH- oder DC2-) pH 7,7.因此 ， dc 的 种 功能 和 和 和 和 和 材料 表面 的 相关 结构 可能 发生 发生 静电 相互 ， 并 以 阳离子 两 性 和 阴 离子 形式 形式 形式 ， ， ， DC 分子 在 形式 形式 阳离子 阳离子 阳离子 阳离子 阳离子 阳离子 阳离子 阳离子 阳离子 阳离子 (DCH3+)存在, 两性离子(DCH20) 3,3 < pH < 7,7 和阴离子(DCH- 或DC2-) 在PH 7,7。 Darüber hinaus können die verschiedenen Funktionen von rGO/nZVI in der Elektro- und Elektronikindustrie verwendet werden Es handelt sich um Moleküle, die in den Kategorien „Kationen“, „Zitronen“ und „Anionen“ enthalten sind. Daher können verschiedene Funktionen von DC und verwandten Strukturen auf der Oberfläche des rGO/nZVI-Komposits elektrostatische Wechselwirkungen eingehen und in Form von Kationen, Zwitterionen und Anionen vorliegen, während DC-Moleküle bei pH < 3,3 kationisch (DCH3+) sind. Es besteht aus Chlorid (DCH20) bei 3,3 < pH < 7,7 und Anion (DCH- oder DC2-) bei pH 7,7. Es liegt als Zwitterion (DCH20) bei 3,3 < pH < 7,7 und als Anion (DCH- oder DC2-) bei pH 7,7 vor.Mit einem Anstieg des pH-Werts von 3 auf 7 stiegen die Adsorptionskapazität und Effizienz der DC-Entfernung von 11,2 mg/g (56 %) auf 17 mg/g (85 %) (Abb. 6C). Als der pH-Wert jedoch auf 9 und 11 anstieg, nahmen die Adsorptionskapazität und die Entfernungseffizienz etwas ab, und zwar von 10,6 mg/g (53 %) auf 6 mg/g (30 %). Bei einem Anstieg des pH-Werts von 3 auf 7 lagen DCs hauptsächlich in Form von Zwitterionen vor, was dazu führte, dass sie nahezu nicht elektrostatisch von rGO/nZVI-Kompositen angezogen oder abgestoßen wurden, hauptsächlich durch elektrostatische Wechselwirkung. Als der pH-Wert über 8,2 anstieg, wurde die Oberfläche des Adsorbens negativ geladen, wodurch die Adsorptionskapazität aufgrund der elektrostatischen Abstoßung zwischen dem negativ geladenen Doxycyclin und der Oberfläche des Adsorbens immer weiter abnahm. Dieser Trend legt nahe, dass die Gleichstromadsorption auf rGO/nZVI-Verbundwerkstoffen stark vom pH-Wert abhängt, und die Ergebnisse zeigen auch, dass rGO/nZVI-Verbundwerkstoffe als Adsorptionsmittel unter sauren und neutralen Bedingungen geeignet sind.
Der Einfluss der Temperatur auf die Adsorption einer wässrigen DC-Lösung wurde bei (25–55 °C) durchgeführt. Abbildung 7A zeigt die Auswirkung eines Temperaturanstiegs auf die Entfernungseffizienz von DC-Antibiotika auf rGO/nZVI. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Entfernungskapazität und Adsorptionskapazität von 83,44 % und 13,9 mg/g auf 47 % und 7,83 mg/g gestiegen sind. , jeweils. Dieser deutliche Rückgang kann auf einen Anstieg der thermischen Energie von Gleichstromionen zurückzuführen sein, der zur Desorption führt47.
Einfluss der Temperatur auf die Entfernungseffizienz und Adsorptionskapazität von CD auf rGO/nZVI-Kompositen (A) [Co = 50 mg L–1, pH = 7, Dosis = 0,05 g], Adsorbent-Dosis auf die Entfernungseffizienz und Entfernungseffizienz von CD Wirkung von Anfängliche Konzentration auf die Adsorptionskapazität und Effizienz der DC-Entfernung auf dem rGO/nSVI-Komposit (B) [Co = 50 mg L–1, pH = 7, T = 25 °C] (C, D) [Co = 25–100 mg L–1, pH = 7, T = 25 °C, Dosis = 0,05 g].
Die Auswirkung einer Erhöhung der Dosis des zusammengesetzten Adsorptionsmittels rGO/nZVI von 0,01 g auf 0,07 g auf die Entfernungseffizienz und Adsorptionskapazität ist in Abb. dargestellt. 7B. Eine Erhöhung der Adsorptionsmitteldosis führte zu einer Verringerung der Adsorptionskapazität von 33,43 mg/g auf 6,74 mg/g. Bei einer Erhöhung der Adsorptionsmitteldosis von 0,01 g auf 0,07 g steigt jedoch die Entfernungseffizienz von 66,8 % auf 96 %, was dementsprechend mit einer Erhöhung der Anzahl aktiver Zentren auf der Nanokompositoberfläche verbunden sein kann.
Der Einfluss der anfänglichen Konzentration auf die Adsorptionskapazität und die Entfernungseffizienz [25–100 mg L-1, 25 °C, pH 7, Dosis 0,05 g] wurde untersucht. Als die anfängliche Konzentration von 25 mg L-1 auf 100 mg L-1 erhöht wurde, sank der Prozentsatz der Entfernung des rGO/nZVI-Komposits von 94,6 % auf 65 % (Abb. 7C), wahrscheinlich aufgrund des Fehlens des gewünschten Wirkstoffs Websites. . Adsorbiert große Konzentrationen von DC49. Andererseits stieg mit zunehmender Anfangskonzentration auch die Adsorptionskapazität von 9,4 mg/g auf 30 mg/g, bis ein Gleichgewicht erreicht war (Abb. 7D). Diese unvermeidliche Reaktion ist auf einen Anstieg der Antriebskraft zurückzuführen, wobei die anfängliche DC-Konzentration größer als der DC-Ionen-Massentransferwiderstand ist, um die Oberfläche 50 des rGO/nZVI-Verbundwerkstoffs zu erreichen.
Kontaktzeit- und kinetische Studien zielen darauf ab, die Gleichgewichtszeit der Adsorption zu verstehen. Erstens betrug die während der ersten 40 Minuten der Kontaktzeit adsorbierte DC-Menge etwa die Hälfte der über die gesamte Zeit (100 Minuten) adsorbierten Gesamtmenge. Während die DC-Moleküle in Lösung kollidieren, wandern sie schnell zur Oberfläche des rGO/nZVI-Komposits, was zu einer erheblichen Adsorption führt. Nach 40 Minuten nahm die DC-Adsorption allmählich und langsam zu, bis nach 60 Minuten das Gleichgewicht erreicht war (Abb. 7D). Da innerhalb der ersten 40 Minuten eine angemessene Menge adsorbiert wird, kommt es zu weniger Kollisionen mit DC-Molekülen und es stehen weniger aktive Zentren für nicht adsorbierte Moleküle zur Verfügung. Daher kann die Adsorptionsrate reduziert werden51.
Um die Adsorptionskinetik besser zu verstehen, wurden Liniendiagramme der kinetischen Modelle pseudo-erster Ordnung (Abb. 8A), pseudo-zweiter Ordnung (Abb. 8B) und Elovich (Abb. 8C) verwendet. Aus den aus den kinetischen Studien erhaltenen Parametern (Tabelle S1) wird deutlich, dass das Pseudosekundenmodell das beste Modell zur Beschreibung der Adsorptionskinetik ist, bei dem der R2-Wert höher angesetzt ist als in den beiden anderen Modellen. Es besteht auch eine Ähnlichkeit zwischen den berechneten Adsorptionskapazitäten (qe, cal). Die pseudo-zweite Ordnung und die experimentellen Werte (qe, exp.) sind ein weiterer Beweis dafür, dass die pseudo-zweite Ordnung ein besseres Modell als andere Modelle ist. Wie in Tabelle 1 gezeigt, bestätigen die Werte von α (anfängliche Adsorptionsrate) und β (Desorptionskonstante), dass die Adsorptionsrate höher als die Desorptionsrate ist, was darauf hindeutet, dass DC dazu neigt, effizient auf dem rGO/nZVI52-Komposit zu adsorbieren. .
Diagramme der linearen Adsorptionskinetik pseudo-zweiter Ordnung (A), pseudo-erster Ordnung (B) und Elovich (C) [Co = 25–100 mg l–1, pH = 7, T = 25 °C, Dosis = 0,05 g ].
Untersuchungen von Adsorptionsisothermen helfen dabei, die Adsorptionskapazität des Adsorptionsmittels (RGO/nRVI-Komposit) bei verschiedenen Adsorbatkonzentrationen (DC) und Systemtemperaturen zu bestimmen. Die maximale Adsorptionskapazität wurde anhand der Langmuir-Isotherme berechnet, die anzeigte, dass die Adsorption homogen war und die Bildung einer Adsorbat-Monoschicht auf der Oberfläche des Adsorbens ohne Wechselwirkung zwischen ihnen beinhaltete53. Zwei weitere weit verbreitete Isothermenmodelle sind das Freundlich- und das Temkin-Modell. Obwohl das Freundlich-Modell nicht zur Berechnung der Adsorptionskapazität verwendet wird, hilft es, den heterogenen Adsorptionsprozess zu verstehen und zu verstehen, dass Leerstellen auf dem Adsorptionsmittel unterschiedliche Energien haben, während das Temkin-Modell hilft, die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Adsorption zu verstehen54.
Die Abbildungen 9A-C zeigen Liniendiagramme der Modelle Langmuir, Freindlich und Temkin. Die aus den Liniendiagrammen von Freundlich (Abb. 9A) und Langmuir (Abb. 9B) berechneten und in Tabelle 2 dargestellten R2-Werte zeigen, dass die DC-Adsorption auf dem rGO/nZVI-Komposit der Freundlich- (0,996) und Langmuir- (0,988) Isotherme folgt Modelle und Temkin (0,985). Die maximale Adsorptionskapazität (qmax), berechnet anhand des Langmuir-Isothermenmodells, betrug 31,61 mg g-1. Darüber hinaus liegt der berechnete Wert des dimensionslosen Trennfaktors (RL) zwischen 0 und 1 (0,097), was auf einen günstigen Adsorptionsprozess hinweist. Ansonsten deutet die berechnete Freundlich-Konstante (n = 2,756) auf eine Präferenz für diesen Absorptionsprozess hin. Gemäß dem linearen Modell der Temkin-Isotherme (Abb. 9C) ist die Adsorption von DC auf dem rGO/nZVI-Komposit ein physikalischer Adsorptionsprozess, da b ˂ 82 kJ mol-1 (0,408)55 ist. Obwohl die physikalische Adsorption normalerweise durch schwache Van-der-Waals-Kräfte vermittelt wird, erfordert die Gleichstromadsorption auf rGO/nZVI-Verbundwerkstoffen niedrige Adsorptionsenergien [56, 57].
Freundlich (A), Langmuir (B) und Temkin (C) lineare Adsorptionsisothermen [Co = 25–100 mg L–1, pH = 7, T = 25 °C, Dosis = 0,05 g]. Darstellung der Van't-Hoff-Gleichung für die DC-Adsorption durch rGO/nZVI-Komposite (D) [Co = 25–100 mg l-1, pH = 7, T = 25–55 °C und Dosis = 0,05 g].
Um die Auswirkung der Änderung der Reaktionstemperatur auf die DC-Entfernung aus rGO/nZVI-Verbundwerkstoffen zu bewerten, wurden thermodynamische Parameter wie Entropieänderung (ΔS), Enthalpieänderung (ΔH) und Änderung der freien Energie (ΔG) aus Gleichungen berechnet. 3 und 458.
wobei \({K}_{e}\)=\(\frac{{C}_{Ae}}{{C}_{e}}\) – thermodynamische Gleichgewichtskonstante, Ce und CAe – rGO in Lösung, bzw. /nZVI DC-Konzentrationen im Oberflächengleichgewicht. R und RT sind die Gaskonstante bzw. die Adsorptionstemperatur. Die Auftragung von ln Ke gegen 1/T ergibt eine Gerade (Abb. 9D), aus der ∆S und ∆H bestimmt werden können.
Ein negativer ΔH-Wert zeigt an, dass der Prozess exotherm ist. Andererseits liegt der ΔH-Wert im Rahmen des physikalischen Adsorptionsprozesses. Negative ΔG-Werte in Tabelle 3 weisen darauf hin, dass die Adsorption möglich und spontan ist. Negative Werte von ΔS weisen auf eine hohe Ordnung der Adsorbermoleküle an der Flüssigkeitsgrenzfläche hin (Tabelle 3).
Tabelle 4 vergleicht den rGO/nZVI-Verbund mit anderen Adsorbentien, über die in früheren Studien berichtet wurde. Es ist klar, dass der VGO/nCVI-Verbundstoff eine hohe Adsorptionskapazität aufweist und ein vielversprechendes Material für die Entfernung von DC-Antibiotika aus Wasser sein könnte. Darüber hinaus ist die Adsorption von rGO/nZVI-Kompositen ein schneller Prozess mit einer Äquilibrierungszeit von 60 Minuten. Die hervorragenden Adsorptionseigenschaften der rGO/nZVI-Verbundwerkstoffe lassen sich durch den synergistischen Effekt von rGO und nZVI erklären.
Die Abbildungen 10A und B veranschaulichen den rationalen Mechanismus für die Entfernung von DC-Antibiotika durch die rGO/nZVI- und nZVI-Komplexe. Den Ergebnissen von Experimenten zum Einfluss des pH-Werts auf die Effizienz der DC-Adsorption zufolge wurde die DC-Adsorption auf dem rGO/nZVI-Komposit bei einem Anstieg des pH-Werts von 3 auf 7 nicht durch elektrostatische Wechselwirkungen kontrolliert, da es als Zwitterion fungierte; Daher hatte eine Änderung des pH-Wertes keinen Einfluss auf den Adsorptionsprozess. Anschließend kann der Adsorptionsmechanismus durch nichtelektrostatische Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen, hydrophobe Effekte und π-π-Stapelwechselwirkungen zwischen dem rGO/nZVI-Komposit und DC66 gesteuert werden. Es ist bekannt, dass der Mechanismus aromatischer Adsorbate auf den Oberflächen von geschichtetem Graphen durch π-π-Stapelwechselwirkungen als Hauptantriebskraft erklärt wurde. Bei dem Verbundwerkstoff handelt es sich um ein graphenähnliches Schichtmaterial mit einem Absorptionsmaximum bei 233 nm aufgrund des π-π*-Übergangs. Basierend auf dem Vorhandensein von vier aromatischen Ringen in der Molekülstruktur des DC-Adsorbats stellten wir die Hypothese auf, dass es einen Mechanismus der π-π-Stapelwechselwirkung zwischen dem aromatischen DC (π-Elektronenakzeptor) und der Region gibt, die reich an π-Elektronen ist die RGO-Oberfläche. /nZVI-Verbundwerkstoffe. Darüber hinaus, wie in Abb. Wie in 10B dargestellt, wurden FTIR-Studien durchgeführt, um die molekulare Wechselwirkung von rGO/nZVI-Verbundwerkstoffen mit Gleichstrom zu untersuchen. Die FTIR-Spektren von rGO/nZVI-Verbundwerkstoffen nach Gleichstromadsorption sind in Abbildung 10B dargestellt. 10b. Bei 2111 cm-1 wird ein neuer Peak beobachtet, der der Gerüstschwingung der C=C-Bindung entspricht, was auf das Vorhandensein der entsprechenden organischen funktionellen Gruppen auf der Oberfläche von 67 rGO/nZVI hinweist. Andere Peaks verschieben sich von 1561 auf 1548 cm-1 und von 1399 auf 1360 cm-1, was ebenfalls bestätigt, dass π-π-Wechselwirkungen eine wichtige Rolle bei der Adsorption von Graphen und organischen Schadstoffen spielen68,69. Nach der DC-Adsorption sank die Intensität einiger sauerstoffhaltiger Gruppen, wie z. B. OH, auf 3270 cm-1, was darauf hindeutet, dass Wasserstoffbrückenbindungen einer der Adsorptionsmechanismen sind. Basierend auf den Ergebnissen erfolgt die DC-Adsorption auf dem rGO/nZVI-Komposit daher hauptsächlich aufgrund von π-π-Stapelwechselwirkungen und H-Brücken.
Rationeller Mechanismus der Adsorption von DC-Antibiotika durch rGO/nZVI- und nZVI-Komplexe (A). FTIR-Adsorptionsspektren von DC auf rGO/nZVI und nZVI (B).
Die Intensität der Absorptionsbanden von nZVI bei 3244, 1615, 1546 und 1011 cm–1 stieg nach DC-Adsorption an nZVI (Abb. 10B) im Vergleich zu nZVI, was mit der Wechselwirkung mit möglichen funktionellen Gruppen der Carbonsäure zusammenhängen sollte O-Gruppen in DC. Dieser geringere Transmissionsprozentsatz in allen beobachteten Banden weist jedoch auf keine signifikante Änderung der Adsorptionseffizienz des phytosynthetischen Adsorbens (nZVI) im Vergleich zu nZVI vor dem Adsorptionsprozess hin. Nach einigen Untersuchungen zur DC-Entfernung mit nZVI71 werden bei der Reaktion von nZVI mit H2O Elektronen freigesetzt und dann wird H+ verwendet, um hochreduzierbaren aktiven Wasserstoff zu erzeugen. Schließlich nehmen einige kationische Verbindungen Elektronen vom aktiven Wasserstoff auf, was zu -C=N und -C=C- führt, was auf die Spaltung des Benzolrings zurückzuführen ist.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 14. November 2022