การกำจัดยาปฏิชีวนะด็อกซีไซคลินแบบเสริมฤทธิ์กันออกจากน้ำด้วยกราฟีนออกไซด์สังเคราะห์สีเขียวลดรูปและสารประกอบเชิงซ้อนเหล็กนาโนเป็นศูนย์

ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.com เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่คุณใช้มีการรองรับ CSS อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดต (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะเรนเดอร์ไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
ในงานนี้ คอมโพสิต rGO/nZVI ได้รับการสังเคราะห์เป็นครั้งแรกโดยใช้ขั้นตอนที่เรียบง่ายและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมโดยใช้สารสกัดจากใบสีเหลืองของ Sophora เป็นตัวรีดิวซ์และสารทำให้คงตัวเพื่อให้สอดคล้องกับหลักการของเคมี "สีเขียว" เช่น การสังเคราะห์สารเคมีที่เป็นอันตรายน้อยกว่า มีการใช้เครื่องมือหลายอย่างเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการสังเคราะห์คอมโพสิตที่ประสบความสำเร็จ เช่น SEM, EDX, XPS, XRD, FTIR และศักยภาพซีต้า ซึ่งบ่งชี้ถึงความสำเร็จในการประดิษฐ์คอมโพสิต เปรียบเทียบความสามารถในการกำจัดของคอมโพสิตใหม่และ nZVI บริสุทธิ์ที่ความเข้มข้นเริ่มต้นต่างๆ ของยาปฏิชีวนะด็อกซีไซคลิน เพื่อตรวจสอบผลการทำงานร่วมกันระหว่าง rGO และ nZVI ภายใต้เงื่อนไขการกำจัดที่ 25 มก. L-1, 25°C และ 0.05 ก. อัตราการกำจัดแบบดูดซับของ nZVI บริสุทธิ์คือ 90% ในขณะที่อัตราการกำจัดแบบดูดซับของ doxycycline โดยคอมโพสิต rGO/nZVI สูงถึง 94.6% ซึ่งยืนยันว่า nZVI และ rGO . กระบวนการดูดซับสอดคล้องกับลำดับที่สองหลอกและเป็นข้อตกลงที่ดีกับแบบจำลองฟรอยด์ลิชที่มีความสามารถในการดูดซับสูงสุด 31.61 มก. g-1 ที่ 25 °C และ pH 7 มีการเสนอกลไกที่เหมาะสมในการกำจัด DC นอกจากนี้ การนำคอมโพสิต rGO/nZVI กลับมาใช้ซ้ำได้คือ 60% หลังจากรอบการสร้างใหม่ติดต่อกันหกรอบ
การขาดแคลนน้ำและมลพิษในปัจจุบันเป็นภัยคุกคามร้ายแรงต่อทุกประเทศ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มลพิษทางน้ำ โดยเฉพาะมลพิษจากยาปฏิชีวนะ เพิ่มขึ้นเนื่องจากการผลิตและการบริโภคที่เพิ่มขึ้นในช่วงการระบาดใหญ่ของโควิด-191,2,3 ดังนั้นการพัฒนาเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพในการกำจัดยาปฏิชีวนะในน้ำเสียจึงเป็นงานเร่งด่วน
ยาปฏิชีวนะกึ่งสังเคราะห์ที่ดื้อยาชนิดหนึ่งจากกลุ่มเตตราไซคลินคือ doxycycline (DC)4,5 มีรายงานว่า DC ที่ตกค้างในน้ำบาดาลและน้ำผิวดินไม่สามารถเผาผลาญได้ เพียง 20-50% เท่านั้นที่ถูกเผาผลาญ และส่วนที่เหลือถูกปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม ก่อให้เกิดปัญหาสิ่งแวดล้อมและสุขภาพร้ายแรง6
การสัมผัสกับ DC ในระดับต่ำสามารถฆ่าเชื้อจุลินทรีย์สังเคราะห์แสงในน้ำ คุกคามการแพร่กระจายของแบคทีเรียต้านจุลชีพ และเพิ่มความต้านทานต่อต้านจุลชีพ ดังนั้นจึงต้องกำจัดสิ่งปนเปื้อนนี้ออกจากน้ำเสีย การย่อยสลายตามธรรมชาติของ DC ในน้ำเป็นกระบวนการที่ช้ามาก กระบวนการฟิสิกส์และเคมี เช่น โฟโตไลซิส การย่อยสลายทางชีวภาพ และการดูดซับสามารถย่อยสลายได้ที่ความเข้มข้นต่ำและในอัตราที่ต่ำมากเท่านั้น7,8 อย่างไรก็ตาม วิธีการดูดซับที่ประหยัด เรียบง่าย เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม จัดการง่าย และมีประสิทธิภาพที่สุดคือการดูดซับ9,10
เหล็กเป็นศูนย์นาโน (nZVI) เป็นวัสดุที่ทรงพลังมากซึ่งสามารถกำจัดยาปฏิชีวนะหลายชนิดออกจากน้ำได้ รวมถึงเมโทรนิดาโซล ไดอะซีแพม ซิโปรฟลอกซาซิน คลอแรมเฟนิคอล และเตตราไซคลิน ความสามารถนี้เกิดจากคุณสมบัติที่น่าทึ่งของ nZVI เช่น ปฏิกิริยาสูง พื้นที่ผิวขนาดใหญ่ และจุดเชื่อมต่อภายนอกจำนวนมาก11 อย่างไรก็ตาม nZVI มีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันในตัวกลางที่เป็นน้ำเนื่องจากแรง van der Wells และคุณสมบัติทางแม่เหล็กสูง ซึ่งลดประสิทธิภาพในการกำจัดสิ่งปนเปื้อนเนื่องจากการก่อตัวของชั้นออกไซด์ที่ยับยั้งปฏิกิริยาของ nZVI10,12 การรวมตัวกันของอนุภาค nZVI สามารถลดลงได้โดยการปรับเปลี่ยนพื้นผิวด้วยสารลดแรงตึงผิวและโพลีเมอร์ หรือโดยการรวมพวกมันเข้ากับวัสดุนาโนอื่น ๆ ในรูปแบบของคอมโพสิต ซึ่งได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นแนวทางที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงความเสถียรในสภาพแวดล้อม
กราฟีนเป็นวัสดุนาโนคาร์บอนสองมิติที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนไฮบริด sp2 ที่จัดเรียงอยู่ในโครงตาข่ายรังผึ้ง มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ มีความแข็งแรงเชิงกลที่สำคัญ มีฤทธิ์ทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม มีการนำความร้อนสูง มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเร็ว และมีวัสดุพาหะที่เหมาะสมเพื่อรองรับอนุภาคนาโนอนินทรีย์บนพื้นผิว การรวมกันของอนุภาคนาโนของโลหะและกราฟีนสามารถให้ประโยชน์เกินกว่าประโยชน์ของวัสดุแต่ละชนิดอย่างมาก และเนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่เหนือกว่า ทำให้มีการกระจายตัวของอนุภาคนาโนที่เหมาะสมที่สุดเพื่อการบำบัดน้ำที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
สารสกัดจากพืชเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดแทนสารรีดิวซ์สารเคมีที่เป็นอันตรายซึ่งมักใช้ในการสังเคราะห์รีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ (rGO) และ nZVI เนื่องจากมีราคาไม่แพง ขั้นตอนเดียว ปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม และสามารถใช้เป็นสารรีดิวซ์ได้ เช่นฟลาโวนอยด์และสารประกอบฟีนอลิกก็ทำหน้าที่เป็นสารทำให้คงตัว ดังนั้นจึงใช้สารสกัดจากใบ Atriplex halimus L. เป็นสารซ่อมแซมและปิดสำหรับการสังเคราะห์คอมโพสิต rGO/nZVI ในการศึกษานี้ Atriplex halimus จากวงศ์ Amaranthaceae เป็นไม้พุ่มยืนต้นที่ชอบไนโตรเจนและมีขอบเขตทางภูมิศาสตร์ที่กว้าง16
ตามวรรณกรรมที่มีอยู่ Atriplex halimus (A. halimus) ถูกนำมาใช้ครั้งแรกเพื่อสร้างคอมโพสิต rGO/nZVI ซึ่งเป็นวิธีการสังเคราะห์ที่ประหยัดและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ดังนั้น จุดมุ่งหมายของงานนี้ประกอบด้วยสี่ส่วน: (1) การสังเคราะห์แสงของคอมโพสิต rGO/nZVI และคอมโพสิต nZVI ของผู้ปกครองโดยใช้สารสกัดจากใบน้ำของ A. halimus (2) การแสดงลักษณะเฉพาะของคอมโพสิตที่ถูกสังเคราะห์ด้วยแสงโดยใช้หลายวิธีเพื่อยืนยันการผลิตที่ประสบความสำเร็จ (3 ) ศึกษาผลการทำงานร่วมกันของ rGO และ nZVI ในการดูดซับและกำจัดสารปนเปื้อนอินทรีย์ของยาปฏิชีวนะด็อกซีไซคลินภายใต้พารามิเตอร์ปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน ปรับสภาวะของกระบวนการดูดซับให้เหมาะสม (3) ตรวจสอบวัสดุคอมโพสิตในการบำบัดต่อเนื่องต่างๆ หลังจากรอบการประมวลผล
Doxycycline ไฮโดรคลอไรด์ (DC, MM = 480.90, สูตรทางเคมี C22H24N2O·HCl, 98%), ไอรอน คลอไรด์ เฮกซะไฮเดรต (FeCl3.6H2O, 97%), ผงกราไฟท์ซื้อจาก Sigma-Aldrich สหรัฐอเมริกา ซื้อโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH, 97%), เอทานอล (C2H5OH, 99.9%) และกรดไฮโดรคลอริก (HCl, 37%) จากเมอร์ค สหรัฐอเมริกา NaCl, KCl, CaCl2, MnCl2 และ MgCl2 ถูกซื้อจาก Tianjin Comio Chemical Reagent Co., Ltd. รีเอเจนต์ทั้งหมดมีความบริสุทธิ์ในการวิเคราะห์สูง น้ำกลั่นสองครั้งถูกใช้เพื่อเตรียมสารละลายที่เป็นน้ำทั้งหมด
ตัวอย่างที่เป็นตัวแทนของ A. halimus ได้รับการรวบรวมจากแหล่งที่อยู่อาศัยตามธรรมชาติของพวกมันในสามเหลี่ยมปากแม่น้ำไนล์และที่ดินตามแนวชายฝั่งทะเลเมดิเตอร์เรเนียนของอียิปต์ วัสดุพืชถูกรวบรวมตามแนวทางระดับชาติและนานาชาติที่เกี่ยวข้อง17 ศาสตราจารย์ Manal Fawzi ได้ระบุตัวอย่างพืชตาม Boulos18 และภาควิชาวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมของมหาวิทยาลัยอเล็กซานเดรียอนุญาตให้รวบรวมพันธุ์พืชที่ศึกษาเพื่อวัตถุประสงค์ทางวิทยาศาสตร์ บัตรกำนัลตัวอย่างจะจัดขึ้นที่ Tanta University Herbarium (TANE) หมายเลขบัตรกำนัล 14 122–14 127 หอพรรณไม้สาธารณะที่ให้การเข้าถึงวัสดุที่สะสมไว้ นอกจากนี้ หากต้องการกำจัดฝุ่นหรือสิ่งสกปรก ให้ตัดใบของพืชเป็นชิ้นเล็กๆ แล้วล้างออกด้วยน้ำประปาและน้ำกลั่น 3 ครั้ง จากนั้นจึงทำให้แห้งที่อุณหภูมิ 50°C บดพืช โดยแช่ผงละเอียด 5 กรัมในน้ำกลั่น 100 มล. และกวนที่อุณหภูมิ 70°C เป็นเวลา 20 นาทีเพื่อให้ได้สารสกัด สารสกัดที่ได้รับของ Bacillus nicotianae ถูกกรองผ่านกระดาษกรอง Whatman และเก็บไว้ในหลอดที่สะอาดและฆ่าเชื้อที่อุณหภูมิ 4°C เพื่อนำไปใช้ต่อไป
ดังแสดงในรูปที่ 1 GO ถูกสร้างขึ้นจากผงกราไฟท์โดยวิธี Hummers ที่ได้รับการดัดแปลง ผง GO 10 มก. ถูกกระจายในน้ำปราศจากไอออน 50 มล. เป็นเวลา 30 นาทีภายใต้โซนิกเอชั่น จากนั้น FeCl3 0.9 กรัม และ NaAc 2.9 กรัม ผสมกันเป็นเวลา 60 นาที สารสกัดใบอะไตรเพล็กซ์ 20 มิลลิลิตรถูกเติมลงในสารละลายที่กวนด้วยการกวนและทิ้งไว้ที่ 80°C เป็นเวลา 8 ชั่วโมง ระบบกันสะเทือนสีดำที่เป็นผลลัพธ์ถูกกรอง นาโนคอมโพสิตที่เตรียมไว้ถูกล้างด้วยเอธานอลและน้ำกลั่นบิดแล้วทำให้แห้งในเตาอบสุญญากาศที่อุณหภูมิ 50°C เป็นเวลา 12 ชั่วโมง
ภาพถ่ายแผนผังและดิจิทัลของการสังเคราะห์สีเขียวของคอมเพล็กซ์ rGO/nZVI และ nZVI และการกำจัดยาปฏิชีวนะ DC ออกจากน้ำที่ปนเปื้อนโดยใช้สารสกัด Atriplex halimus
โดยสรุป ดังที่แสดงในรูปที่ 1 มีการเติมสารละลายไอรอนคลอไรด์ 10 มล. ที่มีไอออน 0.05 M Fe3+ ลงไปทีละหยดลงในสารละลายสารสกัดใบขม 20 มล. เป็นเวลา 60 นาที โดยใช้การให้ความร้อนและการกวนปานกลาง จากนั้นจึงปั่นแยกสารละลายที่ 14,000 รอบต่อนาที (Hermle , 15,000 รอบต่อนาที) เป็นเวลา 15 นาทีเพื่อให้อนุภาคสีดำ ซึ่งจากนั้นถูกล้าง 3 ครั้งด้วยเอทานอลและน้ำกลั่น จากนั้นทำให้แห้งในเตาอบสุญญากาศที่อุณหภูมิ 60° C ข้ามคืน
คอมโพสิต rGO/nZVI และ nZVI ที่สังเคราะห์จากพืชมีลักษณะเฉพาะด้วยสเปกโทรโฟโตมิเตอร์ที่มองเห็นด้วยรังสี UV (เครื่องสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ UV/Vis ซีรีส์ T70/T80, PG Instruments Ltd, UK) ในช่วงการสแกน 200-800 นาโนเมตร ในการวิเคราะห์ภูมิประเทศและการกระจายขนาดของคอมโพสิต rGO / nZVI และ nZVI จะใช้ TEM spectroscopy (JOEL, JEM-2100F, ญี่ปุ่น, แรงดันไฟฟ้าเร่ง 200 kV) เพื่อประเมินกลุ่มการทำงานที่อาจเกี่ยวข้องกับสารสกัดจากพืชที่รับผิดชอบกระบวนการนำกลับคืนและการทำให้คงตัว ได้มีการดำเนินการ FT-IR สเปกโทรสโกปี (JASCO สเปกโตรมิเตอร์ในช่วง 4000-600 cm-1) นอกจากนี้ ยังใช้เครื่องวิเคราะห์ศักยภาพซีตา (Zetasizer Nano ZS Malvern) เพื่อศึกษาประจุที่พื้นผิวของวัสดุนาโนที่สังเคราะห์ขึ้น สำหรับการวัดการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของวัสดุนาโนที่เป็นผง มีการใช้เครื่องวัดการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (X'PERT PRO ประเทศเนเธอร์แลนด์) ทำงานที่กระแส (40 mA) แรงดันไฟฟ้า (45 kV) ในช่วง 2θ ตั้งแต่ 20° ถึง 80 ° และรังสี CuKa1 (\(\lambda =\ ) 1.54056 Ao) เครื่องเอ็กซ์เรย์สเปกโตรมิเตอร์แบบกระจายพลังงาน (EDX) (รุ่น JEOL JSM-IT100) มีหน้าที่ศึกษาองค์ประกอบองค์ประกอบเมื่อรวบรวมรังสีเอกซ์เอกรงค์ Al K-α ตั้งแต่ -10 ถึง 1350 eV บน XPS ขนาดจุด 400 μm K-ALPHA (Thermo Fisher Scientific, USA) พลังงานการส่งผ่านของสเปกตรัมเต็มคือ 200 eV และสเปกตรัมแคบคือ 50 eV ตัวอย่างที่เป็นผงจะถูกกดลงบนที่ยึดตัวอย่าง ซึ่งวางอยู่ในห้องสุญญากาศ สเปกตรัม C 1 ถูกใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงที่ 284.58 eV เพื่อกำหนดพลังงานยึดเหนี่ยว
การทดลองการดูดซับถูกดำเนินการเพื่อทดสอบประสิทธิผลของนาโนคอมโพสิต rGO/nZVI ที่สังเคราะห์ขึ้นในการกำจัดด็อกซีไซคลิน (DC) ออกจากสารละลายที่เป็นน้ำ การทดลองการดูดซับถูกดำเนินการในขวดรูปชมพู่ขนาด 25 มล. ที่ความเร็วการเขย่า 200 รอบต่อนาทีบนเครื่องเขย่าแบบวงโคจร (Stuart, Orbital Shaker/SSL1) ที่ 298 เคลวิน โดยการเจือจางสารละลายสต๊อก DC (1,000 ppm) ด้วยน้ำกลั่นผสม เพื่อประเมินผลกระทบของปริมาณ rGO/nSVI ต่อประสิทธิภาพการดูดซับ นาโนคอมโพสิตที่มีน้ำหนักต่างกัน (0.01–0.07 กรัม) ถูกเติมลงในสารละลาย DC 20 มล. เพื่อศึกษาจลนพลศาสตร์และไอโซเทอร์มของการดูดซับ 0.05 กรัมของตัวดูดซับถูกแช่ในสารละลายที่เป็นน้ำของ CD ที่มีความเข้มข้นเริ่มต้น (25–100 มก. L–1) ศึกษาผลของ pH ต่อการกำจัด DC ที่ pH (3–11) และความเข้มข้นเริ่มต้นที่ 50 มก. L-1 ที่ 25°C ปรับ pH ของระบบโดยเติมสารละลาย HCl หรือ NaOH เล็กน้อย (เครื่องวัด pH Crison, เครื่องวัด pH, pH 25) นอกจากนี้ ยังได้ศึกษาอิทธิพลของอุณหภูมิปฏิกิริยาต่อการทดลองการดูดซับในช่วง 25-55°C ศึกษาผลของความแรงของไอออนิกต่อกระบวนการดูดซับโดยการเติม NaCl (0.01–4 โมล L–1) ที่มีความเข้มข้นต่างๆ ที่ความเข้มข้นเริ่มต้นของ DC ที่ 50 มก. L–1, pH 3 และ 7), 25°C และ ปริมาณตัวดูดซับ 0.05 กรัม การดูดซับของ DC ที่ไม่ดูดซับถูกวัดโดยใช้เครื่องสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ UV-Vis แบบลำแสงคู่ (ซีรี่ส์ T70/T80, PG Instruments Ltd, UK) ที่ติดตั้งคิวเวตควอตซ์ความยาวเส้นทาง 1.0 ซม. ที่ความยาวคลื่นสูงสุด (γmax) 270 และ 350 นาโนเมตร เปอร์เซ็นต์การกำจัดยาปฏิชีวนะ DC (R%; Eq. 1) และปริมาณการดูดซับของ DC, qt, Eq 2 (มก./กรัม) ถูกวัดโดยใช้สมการต่อไปนี้
โดยที่ %R คือความสามารถในการกำจัด DC (%), Co คือความเข้มข้น DC เริ่มต้น ณ เวลา 0 และ C คือความเข้มข้น DC ณ เวลา t ตามลำดับ (mg L-1)
โดยที่ qe คือปริมาณ DC ที่ถูกดูดซับต่อหน่วยมวลของตัวดูดซับ (mg g-1) Co และ Ce คือความเข้มข้นที่เวลาเป็นศูนย์และที่สมดุล ตามลำดับ (mg l-1) V คือปริมาตรของสารละลาย (l) และ m คือรีเอเจนต์มวลการดูดซับ (g)
ภาพ SEM (รูปที่ 2A – C) แสดงสัณฐานวิทยาแบบลาเมลลาร์ของคอมโพสิต rGO / nZVI ที่มีอนุภาคนาโนเหล็กทรงกลมกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิวของมัน ซึ่งบ่งชี้ว่าการติด nZVI NPs เข้ากับพื้นผิว rGO ได้สำเร็จ นอกจากนี้ ยังมีรอยย่นในใบ rGO ซึ่งเป็นการยืนยันการกำจัดกลุ่มที่มีออกซิเจนไปพร้อมกับการฟื้นฟู A. halimus GO รอยย่นขนาดใหญ่เหล่านี้ทำหน้าที่เป็นแหล่งสำหรับการโหลดธาตุเหล็ก NPs ภาพ nZVI (รูปที่ 2D-F) แสดงให้เห็นว่า NP ของเหล็กทรงกลมกระจัดกระจายมากและไม่ได้รวมตัว ซึ่งเป็นผลมาจากลักษณะการเคลือบของส่วนประกอบทางพฤกษศาสตร์ของสารสกัดจากพืช ขนาดอนุภาคแปรผันภายใน 15–26 นาโนเมตร อย่างไรก็ตาม บางภูมิภาคมีสัณฐานวิทยาแบบ mesoporous โดยมีโครงสร้างของส่วนนูนและโพรง ซึ่งสามารถให้ความสามารถในการดูดซับ nZVI ที่มีประสิทธิภาพสูง เนื่องจากสามารถเพิ่มความเป็นไปได้ในการกักโมเลกุล DC บนพื้นผิวของ nZVI เมื่อใช้สารสกัด Rosa Damascus สำหรับการสังเคราะห์ nZVI NP ที่ได้รับจะไม่เป็นเนื้อเดียวกัน โดยมีช่องว่างและรูปร่างที่แตกต่างกัน ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพในการดูดซับ Cr(VI) ลดลง และเพิ่มเวลาปฏิกิริยา 23 ผลลัพธ์สอดคล้องกับการสังเคราะห์ nZVI จากใบโอ๊คและใบหม่อน ซึ่งส่วนใหญ่เป็นอนุภาคนาโนทรงกลมที่มีขนาดนาโนเมตรต่างๆ โดยไม่มีการเกาะกลุ่มกันอย่างชัดเจน
ภาพ SEM ของคอมโพสิต rGO/nZVI (AC), nZVI (D, E) และรูปแบบ EDX ของคอมโพสิต nZVI/rGO (G) และ nZVI (H)
ศึกษาองค์ประกอบองค์ประกอบของคอมโพสิต rGO/nZVI และ nZVI ที่สังเคราะห์ด้วยพืชโดยใช้ EDX (รูปที่ 2G, H) การศึกษาแสดงให้เห็นว่า nZVI ประกอบด้วยคาร์บอน (38.29% โดยมวล) ออกซิเจน (47.41% โดยมวล) และเหล็ก (11.84% โดยมวล) แต่มีองค์ประกอบอื่นๆ เช่น ฟอสฟอรัส24 อยู่ด้วย ซึ่งสามารถหาได้จากสารสกัดจากพืช นอกจากนี้ เปอร์เซ็นต์คาร์บอนและออกซิเจนที่สูงเกิดจากการมีสารพฤกษเคมีจากสารสกัดจากพืชในตัวอย่าง nZVI ใต้ผิวดิน องค์ประกอบเหล่านี้มีการกระจายเท่าๆ กันบน rGO แต่ในอัตราส่วนที่แตกต่างกัน: C (39.16 wt %), O (46.98 wt %) และ Fe (10.99 wt %), EDX rGO/nZVI ยังแสดงการมีอยู่ขององค์ประกอบอื่นๆ เช่น S ซึ่ง สามารถเชื่อมโยงกับสารสกัดจากพืชได้ถูกนำมาใช้ อัตราส่วน C:O ปัจจุบันและปริมาณธาตุเหล็กในคอมโพสิต rGO/nZVI โดยใช้ A. halimus นั้นดีกว่าการใช้สารสกัดจากใบยูคาลิปตัสมาก เนื่องจากเป็นการแสดงลักษณะขององค์ประกอบของ C (23.44 wt.%), O (68.29 wt.% ) และ Fe (8.27 wt.%) wt %) 25. Nataša et al., 2022 รายงานองค์ประกอบองค์ประกอบที่คล้ายกันของ nZVI ที่สังเคราะห์จากใบโอ๊คและใบหม่อน และยืนยันว่ากลุ่มโพลีฟีนอลและโมเลกุลอื่นๆ ที่มีอยู่ในสารสกัดจากใบมีหน้าที่ในกระบวนการรีดักชัน
สัณฐานวิทยาของ nZVI สังเคราะห์ในพืช (รูปที่ S2A, B) มีลักษณะเป็นทรงกลมและไม่สม่ำเสมอบางส่วน โดยมีขนาดอนุภาคเฉลี่ย 23.09 ± 3.54 นาโนเมตร อย่างไรก็ตาม มวลรวมของโซ่ถูกตรวจพบเนื่องจากแรง van der Waals และภาวะแม่เหล็กไฟฟ้า รูปร่างอนุภาคที่เป็นเม็ดและทรงกลมส่วนใหญ่นี้สอดคล้องกับผลลัพธ์ SEM เป็นอย่างดี ข้อสังเกตที่คล้ายกันนี้ถูกพบโดย Abdelfatah และคณะ ในปี 2021 เมื่อใช้สารสกัดจากใบละหุ่งในการสังเคราะห์ nZVI11 สารสกัดจากใบ Ruelas tuberosa NPs ที่ใช้เป็นตัวรีดิวซ์ใน nZVI ยังมีรูปทรงทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 ถึง 40 nm26
รูปภาพ TEM คอมโพสิต rGO / nZVI แบบไฮบริด (รูปที่ S2C-D) แสดงให้เห็นว่า rGO เป็นระนาบฐานที่มีการพับและรอยย่นเล็กน้อยทำให้มีไซต์โหลดหลายแห่งสำหรับ nZVI NP; สัณฐานวิทยาของลาเมลลาร์นี้ยังยืนยันถึงความสำเร็จในการประดิษฐ์ rGO นอกจากนี้ nZVI NP ยังมีรูปทรงทรงกลมที่มีขนาดอนุภาคตั้งแต่ 5.32 ถึง 27 นาโนเมตร และฝังอยู่ในเลเยอร์ rGO โดยมีการกระจายตัวที่เกือบจะสม่ำเสมอ ใช้สารสกัดจากใบยูคาลิปตัสเพื่อสังเคราะห์ Fe NPs/rGO; ผลลัพธ์ของ TEM ยังยืนยันว่าริ้วรอยในชั้น rGO ช่วยปรับปรุงการกระจายตัวของ Fe NP มากกว่า Fe NP บริสุทธิ์ และเพิ่มปฏิกิริยาของคอมโพสิต Bagheri และคณะ ได้ผลลัพธ์ที่คล้ายกัน 28 เมื่อคอมโพสิตถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยใช้เทคนิคอัลตราโซนิกที่มีขนาดอนุภาคนาโนเหล็กเฉลี่ยประมาณ 17.70 นาโนเมตร
สเปกตรัม FTIR ของคอมโพสิต A. halimus, nZVI, GO, rGO และ rGO/nZVI แสดงในรูปที่ 3เอ การมีอยู่ของหมู่ฟังก์ชันพื้นผิวในใบของ A. halimus ปรากฏที่ 3,336 cm-1 ซึ่งสอดคล้องกับโพลีฟีนอล และ 1,244 cm-1 ซึ่งสอดคล้องกับหมู่คาร์บอนิลที่ผลิตโดยโปรตีน กลุ่มอื่นๆ เช่น อัลเคนที่ 2918 cm-1, อัลคีนที่ 1647 cm-1 และส่วนขยายของ CO-O-CO ที่ 1,030 cm-1 ก็ถูกสังเกตเช่นกัน ซึ่งบ่งชี้ว่ามีส่วนประกอบของพืชที่ทำหน้าที่เป็นสารปิดผนึกและมีหน้าที่ในการนำกลับคืนมา จาก Fe2+ ​​ถึง Fe0 และ GO ถึง rGO29 โดยทั่วไป สเปกตรัม nZVI แสดงจุดสูงสุดของการดูดกลืนแสงเช่นเดียวกับน้ำตาลที่มีรสขม แต่มีตำแหน่งที่เปลี่ยนไปเล็กน้อย แถบที่มีความเข้มข้นปรากฏที่ 3244 cm-1 ซึ่งสัมพันธ์กับการสั่นสะเทือนแบบยืดออกของ OH (ฟีนอล) จุดสูงสุดที่ 1615 สอดคล้องกับ C=C และแถบที่ 1546 และ 1,011 cm-1 เกิดขึ้นเนื่องจากการยืดตัวของ C=O (โพลีฟีนอลและฟลาโวนอยด์) นอกจากนี้ยังพบกลุ่ม CN ของอะโรมาติกเอมีนและอะลิฟาติกเอมีนที่ 1310 cm-1 และ 1190 cm-1 ตามลำดับ สเปกตรัม FTIR ของ GO แสดงการมีอยู่ของกลุ่มที่มีออกซิเจนความเข้มสูงจำนวนมาก รวมถึงแถบยืดอัลคอกซี (CO) ที่ 1,041 ซม.-1, แถบยืดอีพ็อกซี่ (CO) ที่ 1291 ซม.-1, การยืด C=O ปรากฏแถบการสั่นสะเทือนแบบยืดออก C=C ที่ 1,619 cm-1, แถบที่ 1,708 cm-1 และแถบกว้างของกลุ่ม OH ที่ยืดการสั่นสะเทือนที่ 3,384 cm-1 ซึ่งได้รับการยืนยันโดยวิธี Hummers ที่ปรับปรุงใหม่ ซึ่งประสบความสำเร็จในการออกซิไดซ์ กระบวนการกราไฟท์ เมื่อเปรียบเทียบคอมโพสิต rGO และ rGO/nZVI กับ GO spectra ความเข้มของกลุ่มที่มีออกซิเจนบางกลุ่ม เช่น OH ที่ 3270 cm-1 จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่กลุ่มอื่นๆ เช่น C=O ที่ 1,729 cm-1 นั้นสมบูรณ์แล้ว ลดลง หายไปซึ่งบ่งบอกถึงการกำจัดกลุ่มฟังก์ชันที่มีออกซิเจนใน GO ได้สำเร็จโดยสารสกัด A. halimus จุดสูงสุดลักษณะเฉพาะใหม่ของ rGO ที่ความตึงเครียด C=C สังเกตได้ประมาณ 1560 และ 1405 cm-1 ซึ่งยืนยันการลดลงของ GO ไปสู่ ​​rGO มีการสังเกตการเปลี่ยนแปลงตั้งแต่ 1,043 ถึง 1,015 cm-1 และจาก 982 ถึง 918 cm-1 ซึ่งอาจเกิดจากการรวมวัสดุของพืช31,32 Weng และคณะ ในปี 2018 ยังสังเกตเห็นการลดทอนอย่างมีนัยสำคัญของกลุ่มฟังก์ชันที่ได้รับออกซิเจนใน GO ซึ่งยืนยันความสำเร็จในการสร้าง rGO โดยการลดทางชีวภาพ เนื่องจากสารสกัดจากใบยูคาลิปตัสซึ่งใช้ในการสังเคราะห์คอมโพสิตกราฟีนออกไซด์ของเหล็กที่ลดลง แสดงให้เห็นสเปกตรัม FTIR ของส่วนประกอบพืชที่ใกล้เคียงยิ่งขึ้น กลุ่มการทำงาน 33 .
A. สเปกตรัม FTIR ของแกลเลียม, nZVI, rGO, GO, คอมโพสิต rGO/nZVI (A) คอมโพสิต Roentgenogrammy rGO, GO, nZVI และ rGO / nZVI (B)
การก่อตัวของคอมโพสิต rGO / nZVI และ nZVI ได้รับการยืนยันเป็นส่วนใหญ่โดยรูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (รูปที่ 3B) สังเกตจุดสูงสุดของ Fe0 ที่มีความเข้มสูงที่ 2°44.5° ซึ่งสอดคล้องกับดัชนี (110) (JCPDS หมายเลข 06–0696)11 จุดสูงสุดอีกจุดหนึ่งที่ 35.1° ของระนาบ (311) เกิดจากแม่เหล็ก Fe3O4 โดยที่ 63.2° อาจสัมพันธ์กับดัชนี Miller ของระนาบ (440) เนื่องจากมี ϒ-FeOOH (JCPDS no. 17-0536)34 รูปแบบเอ็กซ์เรย์ของ GO แสดงจุดสูงสุดที่คมชัดที่ 2°10.3° และจุดสูงสุดอีกจุดหนึ่งที่ 21.1° ซึ่งบ่งชี้ถึงการขัดผิวของกราไฟท์โดยสมบูรณ์ และเน้นย้ำถึงการมีอยู่ของกลุ่มที่มีออกซิเจนบนพื้นผิวของ GO35 รูปแบบคอมโพสิตของ rGO และ rGO/nZVI บันทึกการหายไปของพีค GO ที่มีลักษณะเฉพาะ และการก่อตัวของพีค rGO ในวงกว้างที่ 2° 22.17 และ 24.7° สำหรับคอมโพสิต rGO และ rGO/nZVI ตามลำดับ ซึ่งยืนยันความสำเร็จในการฟื้นตัวของ GO โดยสารสกัดจากพืช อย่างไรก็ตาม ในรูปแบบคอมโพสิต rGO/nZVI ยอดเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับระนาบขัดแตะของ Fe0 (110) และ bcc Fe0 (200) ถูกสังเกตที่ 44.9\(^\circ\) และ 65.22\(^\circ\) ตามลำดับ .
ศักย์ซีตาคือศักย์ระหว่างชั้นไอออนิกที่ติดอยู่กับพื้นผิวของอนุภาคกับสารละลายในน้ำที่กำหนดคุณสมบัติทางไฟฟ้าสถิตของวัสดุและวัดความเสถียรของวัสดุ37 การวิเคราะห์ศักยภาพซีตาของคอมโพสิต nZVI, GO และ rGO/nZVI ที่สังเคราะห์จากพืชแสดงให้เห็นความเสถียรเนื่องจากการมีอยู่ของประจุลบที่ -20.8, -22 และ -27.4 มิลลิโวลต์ ตามลำดับ บนพื้นผิวของพวกมัน ดังแสดงไว้ในรูปที่ S1A- ค. - ผลลัพธ์ดังกล่าวสอดคล้องกับรายงานหลายฉบับที่ระบุว่าสารละลายที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีค่าศักย์ซีตาน้อยกว่า -25 mV โดยทั่วไปจะแสดงความเสถียรในระดับสูงเนื่องจากการผลักกันของไฟฟ้าสถิตระหว่างอนุภาคเหล่านี้ การรวมกันของ rGO และ nZVI ช่วยให้คอมโพสิตได้รับประจุลบมากขึ้น และมีเสถียรภาพสูงกว่า GO หรือ nZVI เพียงอย่างเดียว ดังนั้น ปรากฏการณ์ของการขับไล่ไฟฟ้าสถิตจะนำไปสู่การก่อตัวของคอมโพสิต rGO/nZVI39 ที่เสถียร พื้นผิวด้านลบของ GO ช่วยให้สามารถกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในตัวกลางที่เป็นน้ำโดยไม่มีการรวมตัวกัน ซึ่งสร้างเงื่อนไขที่เอื้ออำนวยสำหรับการโต้ตอบกับ nZVI ประจุลบอาจเกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของกลุ่มฟังก์ชันที่แตกต่างกันในสารสกัดมะระ ซึ่งยืนยันการทำงานร่วมกันระหว่าง GO และสารตั้งต้นของธาตุเหล็ก และสารสกัดจากพืชเพื่อสร้าง rGO และ nZVI ตามลำดับ และคอมเพล็กซ์ rGO/nZVI สารประกอบจากพืชเหล่านี้ยังสามารถทำหน้าที่เป็นตัวปิดฝา เนื่องจากพวกมันป้องกันการรวมตัวของอนุภาคนาโนที่เกิดขึ้น และทำให้ความเสถียรของพวกมันเพิ่มขึ้น40
องค์ประกอบองค์ประกอบและสถานะเวเลนซ์ของคอมโพสิต nZVI และ rGO/nZVI ถูกกำหนดโดย XPS (รูปที่ 4) การศึกษา XPS โดยรวมแสดงให้เห็นว่าคอมโพสิต rGO/nZVI ส่วนใหญ่ประกอบด้วยองค์ประกอบ C, O และ Fe ซึ่งสอดคล้องกับการทำแผนที่ EDS (รูปที่ 4F-H) สเปกตรัม C1s ประกอบด้วยจุดสูงสุดสามจุดที่ 284.59 eV, 286.21 eV และ 288.21 eV ซึ่งเป็นตัวแทนของ CC, CO และ C=O ตามลำดับ สเปกตรัม O1s ถูกแบ่งออกเป็นสามพีค ซึ่งรวมถึง 531.17 eV, 532.97 eV และ 535.45 eV ซึ่งถูกกำหนดให้กับกลุ่ม O=CO, CO และ NO ตามลำดับ อย่างไรก็ตาม จุดสูงสุดที่ 710.43, 714.57 และ 724.79 eV อ้างอิงถึง Fe 2p3/2, Fe+3 และ Fe p1/2 ตามลำดับ สเปกตรัม XPS ของ nZVI (รูปที่ 4C-E) แสดงจุดสูงสุดขององค์ประกอบ C, O และ Fe ค่าพีคที่ 284.77, 286.25 และ 287.62 eV ยืนยันว่ามีโลหะผสมของเหล็ก-คาร์บอน ตามที่อ้างถึง CC, C-OH และ CO ตามลำดับ สเปกตรัมของ O1s สอดคล้องกับสามพีค C–O/เหล็กคาร์บอเนต (531.19 eV), อนุมูลไฮดรอกซิล (532.4 eV) และ O–C=O (533.47 eV) จุดสูงสุดที่ 719.6 มาจาก Fe0 ในขณะที่ FeOOH แสดงจุดสูงสุดที่ 717.3 และ 723.7 eV นอกจากนี้ จุดสูงสุดที่ 725.8 eV บ่งชี้ว่ามี Fe2O342.43 อยู่ด้วย
การศึกษา XPS ของคอมโพสิต nZVI และ rGO / nZVI ตามลำดับ (A, B) สเปกตรัมเต็มของคอมโพสิต nZVI C1s (C), Fe2p (D) และ O1s (E) และ rGO/nZVI C1s (F), Fe2p (G), O1s (H)
ไอโซเทอร์มการดูดซับ/การดูดซับของ N2 (รูปที่ 5A, B) แสดงให้เห็นว่าคอมโพสิต nZVI และ rGO/nZVI อยู่ในประเภท II นอกจากนี้ พื้นที่ผิวจำเพาะ (SBET) ของ nZVI เพิ่มขึ้นจาก 47.4549 เป็น 152.52 m2/g หลังจากทำให้ไม่เห็นด้วย rGO ผลลัพธ์นี้สามารถอธิบายได้ด้วยคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ลดลงของ nZVI หลังจากการทำให้ไม่เห็น rGO ซึ่งจะช่วยลดการรวมตัวของอนุภาคและเพิ่มพื้นที่ผิวของคอมโพสิต นอกจากนี้ ดังที่แสดงในรูปที่ 5C ปริมาตรรูพรุน (8.94 นาโนเมตร) ของคอมโพสิต rGO/nZVI นั้นสูงกว่าปริมาณของ nZVI ดั้งเดิม (2.873 นาโนเมตร) ผลลัพธ์นี้สอดคล้องกับ El-Monaem และคณะ 45 .
เพื่อประเมินความสามารถในการดูดซับเพื่อกำจัด DC ระหว่างคอมโพสิต rGO/nZVI และ nZVI ดั้งเดิม โดยขึ้นอยู่กับการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นเริ่มต้น ให้ทำการเปรียบเทียบโดยการเพิ่มปริมาณคงที่ของตัวดูดซับแต่ละตัว (0.05 ก.) เข้ากับ DC ที่ความเข้มข้นเริ่มต้นต่างๆ วิธีแก้ปัญหาที่ตรวจสอบแล้ว [25] –100 มก. l–1] ที่ 25°C ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพการกำจัด (94.6%) ของคอมโพสิต rGO/nZVI สูงกว่า nZVI ดั้งเดิม (90%) ที่ความเข้มข้นต่ำกว่า (25 มก. L-1) อย่างไรก็ตาม เมื่อความเข้มข้นเริ่มต้นเพิ่มขึ้นเป็น 100 มก. L-1 ประสิทธิภาพการกำจัดของ rGO/nZVI และ nZVI ของผู้ปกครองลดลงเหลือ 70% และ 65% ตามลำดับ (รูปที่ 6A) ซึ่งอาจเนื่องมาจากไซต์ที่ทำงานน้อยลงและการย่อยสลายของ อนุภาค nZVI ในทางตรงกันข้าม rGO/nZVI แสดงให้เห็นประสิทธิภาพที่สูงขึ้นของการกำจัด DC ซึ่งอาจเนื่องมาจากผลเสริมฤทธิ์กันระหว่าง rGO และ nZVI ซึ่งในบริเวณที่มีแอคทีฟที่เสถียรสำหรับการดูดซับนั้นสูงกว่ามาก และในกรณีของ rGO/nZVI นั้นมากกว่า DC สามารถดูดซับได้มากกว่า nZVI ที่สมบูรณ์ นอกจากนี้ในรูป 6B แสดงให้เห็นว่าความสามารถในการดูดซับของคอมโพสิต rGO/nZVI และ nZVI เพิ่มขึ้นจาก 9.4 มก./กรัม เป็น 30 มก./กรัม และ 9 มก./กรัม ตามลำดับ โดยเพิ่มความเข้มข้นเริ่มต้นจาก 25–100 มก./ลิตร -1.1 ถึง 28.73 มก. g-1 ดังนั้นอัตราการกำจัด DC จึงมีความสัมพันธ์เชิงลบกับความเข้มข้น DC เริ่มต้น ซึ่งเป็นผลมาจากจำนวนศูนย์ปฏิกิริยาที่จำกัดซึ่งรองรับโดยตัวดูดซับแต่ละตัวสำหรับการดูดซับและการกำจัด DC ในสารละลาย ดังนั้น จากผลลัพธ์เหล่านี้จึงสามารถสรุปได้ว่าคอมโพสิต rGO/nZVI มีประสิทธิภาพในการดูดซับและลดที่สูงกว่า และ rGO ในองค์ประกอบของ rGO/nZVI สามารถใช้ทั้งเป็นตัวดูดซับและเป็นวัสดุพาหะ
ประสิทธิภาพการกำจัดและความสามารถในการดูดซับ DC สำหรับคอมโพสิต rGO / nZVI และ nZVI คือ (A, B) [Co = 25 mg l-1–100 mg l-1, T = 25 °C, ปริมาณ = 0.05 g], pH เกี่ยวกับความสามารถในการดูดซับและประสิทธิภาพการกำจัด DC บนคอมโพสิต rGO / nZVI (C) [Co = 50 mg L–1, pH = 3–11, T = 25°C, ปริมาณ = 0.05 g]
pH ของสารละลายเป็นปัจจัยสำคัญในการศึกษากระบวนการดูดซับ เนื่องจากจะส่งผลต่อระดับของการแตกตัวเป็นไอออน การระบุลักษณะ และการแตกตัวเป็นไอออนของตัวดูดซับ การทดลองดำเนินการที่อุณหภูมิ 25°C โดยใช้ปริมาณตัวดูดซับคงที่ (0.05 กรัม) และความเข้มข้นเริ่มต้นที่ 50 มก. L-1 ในช่วง pH (3–11) จากการทบทวนวรรณกรรม DC เป็นโมเลกุลแอมฟิฟิลิกที่มีหมู่ฟังก์ชันที่แตกตัวเป็นไอออนได้หลายกลุ่ม (ฟีนอล หมู่อะมิโน แอลกอฮอล์) ที่ระดับ pH ต่างๆ เป็นผลให้ฟังก์ชันต่างๆ ของ DC และโครงสร้างที่เกี่ยวข้องบนพื้นผิวของคอมโพสิต rGO/nZVI อาจโต้ตอบกันทางไฟฟ้าสถิตและอาจมีอยู่ในรูปของแคตไอออน สวิตเตอร์ไอออน และแอนไอออน โมเลกุล DC จึงมีอยู่ในรูปของประจุบวก (DCH3+) ที่ pH < 3.3 zwitterionic (DCH20) 3.3 < pH < 7.7 และประจุลบ (DCH− หรือ DC2−) ที่ PH 7.7 เป็นผลให้ฟังก์ชันต่างๆ ของ DC และโครงสร้างที่เกี่ยวข้องบนพื้นผิวของคอมโพสิต rGO/nZVI อาจโต้ตอบกันทางไฟฟ้าสถิตและอาจมีอยู่ในรูปของแคตไอออน สวิตเตอร์ไอออน และแอนไอออน โมเลกุล DC จึงมีอยู่ในรูปของประจุบวก (DCH3+) ที่ pH < 3.3 สวิตเตอร์ไอออนิก (DCH20) 3.3 < pH < 7.7 และประจุลบ (DCH- หรือ DC2-) ที่ PH 7.7 В результате различные функции ДК и связанных с ними структур на поверхности композита rGO/nZVI могут взаимодействовать эле ктростатически и могут существовать в виде катионов, цвиттер-ионов и анионов, молекула ДК существует в виде катиона (DCH3+) при рН < 3,3, цвиттер- ионный (DCH20) 3,3 < pH < 7,7 и анионный (DCH- или DC2-) при pH 7,7. เป็นผลให้ฟังก์ชันต่างๆ ของ DC และโครงสร้างที่เกี่ยวข้องบนพื้นผิวของคอมโพสิต rGO/nZVI สามารถโต้ตอบกับไฟฟ้าสถิตและสามารถดำรงอยู่ได้ในรูปแบบของแคตไอออน สวิตเตอร์ไอออน และแอนไอออน โมเลกุล DC มีอยู่ในรูปไอออนบวก (DCH3+) ที่ pH < 3.3; ไอออนิก (DCH20) 3.3 < pH < 7.7 และประจุลบ (DCH- หรือ DC2-) ที่ pH 7.7因此，DC 的各种功能和rGO/nZVI 复合材料表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-) ในPH 7.7。因此 ， dc 的 种 功能 和 和 和 和 复合 材料 表เลดี้ 的 相关 结构 可能 会 发生 静电 相互 ， 并 可能以 阳离子 两 性 和 阴离子 形式 ， , dc 分子 ใน 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-) ในPH 7.7。 седователно, разичныенкцииet ескиевзаимодействи ตรง.. рн <3,3 ดังนั้น ฟังก์ชันต่างๆ ของ DC และโครงสร้างที่เกี่ยวข้องบนพื้นผิวของคอมโพสิต rGO/nZVI สามารถเข้าสู่ปฏิกิริยาระหว่างไฟฟ้าสถิตและมีอยู่ในรูปของแคตไอออน สวิตเตอร์ไอออน และแอนไอออน ในขณะที่โมเลกุล DC นั้นมีประจุบวก (DCH3+) ที่ pH < 3.3 Он существует виде цвиттер-иона (DCH20) при 3,3 < pH < 7,7 и аниона (DCH- или DC2-) при pH 7,7. มันมีอยู่ในรูปสวิตเตอร์ไอออน (DCH20) ที่ 3.3 < pH < 7.7 และไอออน (DCH- หรือ DC2-) ที่ pH 7.7ด้วยค่า pH ที่เพิ่มขึ้นจาก 3 เป็น 7 ความสามารถในการดูดซับและประสิทธิภาพของการกำจัด DC เพิ่มขึ้นจาก 11.2 มก./ก. (56%) เป็น 17 มก./ก. (85%) (รูปที่ 6C) อย่างไรก็ตาม เมื่อค่า pH เพิ่มขึ้นเป็น 9 และ 11 ความสามารถในการดูดซับและประสิทธิภาพในการกำจัดลดลงบ้างจาก 10.6 มก./ก. (53%) เป็น 6 มก./ก. (30%) ตามลำดับ ด้วยการเพิ่ม pH จาก 3 เป็น 7 DC ส่วนใหญ่มีอยู่ในรูปของ zwitterions ซึ่งทำให้พวกมันเกือบจะไม่ดึงดูดหรือผลักไสด้วยไฟฟ้าสถิตด้วยคอมโพสิต rGO / nZVI โดยส่วนใหญ่เกิดจากการโต้ตอบของไฟฟ้าสถิต เมื่อค่า pH เพิ่มขึ้นสูงกว่า 8.2 พื้นผิวของตัวดูดซับจึงมีประจุลบ ดังนั้นความสามารถในการดูดซับจึงลดลงและลดลงเนื่องจากการผลักกันของไฟฟ้าสถิตระหว่างด็อกซีไซคลินที่มีประจุลบกับพื้นผิวของตัวดูดซับ แนวโน้มนี้แสดงให้เห็นว่าการดูดซับ DC บนคอมโพสิต rGO/nZVI นั้นขึ้นอยู่กับค่า pH ที่สูง และผลลัพธ์ยังบ่งชี้ว่าคอมโพสิต rGO/nZVI มีความเหมาะสมในฐานะตัวดูดซับภายใต้สภาวะที่เป็นกรดและเป็นกลาง
ผลกระทบของอุณหภูมิต่อการดูดซับของสารละลายในน้ำของ DC ถูกดำเนินการที่ (25–55°C) รูปที่ 7A แสดงผลของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นต่อประสิทธิภาพการกำจัดยาปฏิชีวนะ DC บน rGO/nZVI เป็นที่ชัดเจนว่าความสามารถในการกำจัดและความสามารถในการดูดซับเพิ่มขึ้นจาก 83.44% และ 13.9 มก./กรัม เป็น 47% และ 7.83 มก./กรัม ตามลำดับ การลดลงอย่างมีนัยสำคัญนี้อาจเนื่องมาจากการเพิ่มขึ้นของพลังงานความร้อนของไอออน DC ซึ่งนำไปสู่การคายการดูดซึม
ผลของอุณหภูมิต่อประสิทธิภาพการกำจัดและความสามารถในการดูดซับของซีดีต่อคอมโพสิต rGO/nZVI (A) [Co = 50 มก. L–1, pH = 7, ปริมาณ = 0.05 กรัม], ปริมาณตัวดูดซับต่อประสิทธิภาพการกำจัดและประสิทธิภาพการกำจัดของซีดี ผลของ ความเข้มข้นเริ่มต้นเกี่ยวกับความสามารถในการดูดซับและประสิทธิภาพของการกำจัด DC บนคอมโพสิต rGO/nSVI (B) [Co = 50 มก. L–1, pH = 7, T = 25°C] (C, D) [Co = 25–100 mg L–1, pH = 7, T = 25 °C, ขนาดยา = 0.05 กรัม]
ผลของการเพิ่มปริมาณของตัวดูดซับคอมโพสิต rGO/nZVI จาก 0.01 กรัมเป็น 0.07 กรัมต่อประสิทธิภาพการกำจัดและความสามารถในการดูดซับแสดงไว้ในรูปที่ 7B. การเพิ่มขนาดยาของตัวดูดซับทำให้ความสามารถในการดูดซับลดลงจาก 33.43 มก./กรัม เป็น 6.74 มก./กรัม อย่างไรก็ตาม ด้วยการเพิ่มปริมาณตัวดูดซับจาก 0.01 กรัมเป็น 0.07 กรัม ประสิทธิภาพการกำจัดจะเพิ่มขึ้นจาก 66.8% เป็น 96% ซึ่งอาจสัมพันธ์กับการเพิ่มจำนวนศูนย์กลางที่ใช้งานอยู่บนพื้นผิวนาโนคอมโพสิต
ศึกษาผลของความเข้มข้นเริ่มต้นต่อความสามารถในการดูดซับและประสิทธิภาพในการกำจัด [25–100 มก. L-1, 25°C, pH 7, ขนาดยา 0.05 กรัม] ได้รับการศึกษา เมื่อความเข้มข้นเริ่มต้นเพิ่มขึ้นจาก 25 มก. L-1 เป็น 100 มก. L-1 เปอร์เซ็นต์การกำจัดของคอมโพสิต rGO/nZVI ลดลงจาก 94.6% เป็น 65% (รูปที่ 7C) อาจเนื่องมาจากไม่มีสารออกฤทธิ์ที่ต้องการ เว็บไซต์ - ดูดซับความเข้มข้นสูงของ DC49 ในทางกลับกัน เมื่อความเข้มข้นเริ่มต้นเพิ่มขึ้น ความสามารถในการดูดซับก็เพิ่มขึ้นจาก 9.4 มก./ก. เป็น 30 มก./ก. จนกระทั่งถึงสภาวะสมดุล (รูปที่ 7D) ปฏิกิริยาที่หลีกเลี่ยงไม่ได้นี้เกิดจากการเพิ่มแรงผลักดันโดยมีความเข้มข้น DC เริ่มต้นมากกว่าความต้านทานการถ่ายโอนมวลไอออน DC ไปถึงพื้นผิว 50 ของคอมโพสิต rGO/nZVI
การศึกษาเวลาสัมผัสและจลน์ศาสตร์มีวัตถุประสงค์เพื่อทำความเข้าใจเวลาสมดุลของการดูดซับ ประการแรก ปริมาณของ DC ที่ถูกดูดซับในระหว่าง 40 นาทีแรกของเวลาสัมผัสคือประมาณครึ่งหนึ่งของปริมาณทั้งหมดที่ถูกดูดซับตลอดเวลา (100 นาที) ในขณะที่โมเลกุล DC ในสารละลายชนกันทำให้พวกมันเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วไปยังพื้นผิวของคอมโพสิต rGO/nZVI ทำให้เกิดการดูดซับอย่างมีนัยสำคัญ หลังจากผ่านไป 40 นาที การดูดซับ DC จะเพิ่มขึ้นทีละน้อยและช้าๆ จนกระทั่งถึงสภาวะสมดุลหลังจาก 60 นาที (รูปที่ 7D) เนื่องจากปริมาณที่เหมาะสมถูกดูดซับภายใน 40 นาทีแรก จึงจะมีการชนกับโมเลกุล DC น้อยลง และตำแหน่งที่ทำงานอยู่จะน้อยลงสำหรับโมเลกุลที่ไม่ดูดซับ ดังนั้นอัตราการดูดซับจึงสามารถลดลงได้51
เพื่อให้เข้าใจจลนพลศาสตร์ของการดูดซับได้ดีขึ้น มีการใช้แผนภาพเส้นของแบบจำลองลำดับแรกหลอก (รูปที่ 8A) แบบจำลองลำดับที่สองหลอก (รูปที่ 8B) และแบบจำลองจลน์ศาสตร์ของ Elovich (รูปที่ 8C) จากพารามิเตอร์ที่ได้รับจากการศึกษาจลน์ศาสตร์ (ตารางที่ S1) เห็นได้ชัดว่าแบบจำลองวินาทีเทียมเป็นแบบจำลองที่ดีที่สุดสำหรับการอธิบายจลนศาสตร์ของการดูดซับ โดยที่ค่า R2 ถูกตั้งค่าไว้สูงกว่าในสองโมเดลที่เหลือ นอกจากนี้ยังมีความคล้ายคลึงกันระหว่างความสามารถในการดูดซับที่คำนวณได้ (qe, cal) ลำดับที่สองหลอกและค่าการทดลอง (qe, exp.) เป็นหลักฐานเพิ่มเติมว่าลำดับที่สองหลอกนั้นเป็นแบบจำลองที่ดีกว่ารุ่นอื่น ๆ ดังที่แสดงในตารางที่ 1 ค่าของ α (อัตราการดูดซับเริ่มต้น) และ β (ค่าคงที่การดูดซับ) ยืนยันว่าอัตราการดูดซับสูงกว่าอัตราการดูดซับ ซึ่งบ่งชี้ว่า DC มีแนวโน้มที่จะดูดซับอย่างมีประสิทธิภาพบนคอมโพสิต rGO/nZVI52 -
แผนจลนศาสตร์การดูดซับเชิงเส้นของลำดับที่สองหลอก (A), ลำดับแรกหลอก (B) และ Elovich (C) [Co = 25–100 mg l–1, pH = 7, T = 25 °C, ขนาด = 0.05 กรัม ]
การศึกษาไอโซเทอร์มของการดูดซับช่วยในการระบุความสามารถในการดูดซับของตัวดูดซับ (คอมโพสิต RGO/nRVI) ที่ความเข้มข้นต่างๆ ของตัวดูดซับ (DC) และอุณหภูมิของระบบ ความสามารถในการดูดซับสูงสุดคำนวณโดยใช้ไอโซเทอร์มของ Langmuir ซึ่งบ่งชี้ว่าการดูดซับนั้นเป็นเนื้อเดียวกันและรวมถึงการก่อตัวของชั้นเดียวของตัวดูดซับบนพื้นผิวของตัวดูดซับโดยไม่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างสิ่งเหล่านั้น โมเดลไอโซเทอร์มที่ใช้กันอย่างแพร่หลายอีกสองโมเดลคือโมเดลฟรอยด์ลิชและเทมคิน แม้ว่าแบบจำลองฟรอยด์ลิชไม่ได้ใช้ในการคำนวณความสามารถในการดูดซับ แต่ก็ช่วยให้เข้าใจกระบวนการดูดซับที่ต่างกันและตำแหน่งที่ว่างบนตัวดูดซับมีพลังงานที่แตกต่างกัน ในขณะที่แบบจำลอง Temkin ช่วยให้เข้าใจคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของการดูดซับ
รูปที่ 9A-C แสดงแผนภาพเส้นของแบบจำลอง Langmuir, Freindlich และ Temkin ตามลำดับ ค่า R2 ที่คำนวณจากแปลงเส้น Freundlich (รูปที่ 9A) และ Langmuir (รูปที่ 9B) และนำเสนอในตารางที่ 2 แสดงให้เห็นว่าการดูดซับ DC บนคอมโพสิต rGO/nZVI เป็นไปตามไอโซเทอร์มของ Freundlich (0.996) และ Langmuir (0.988) รุ่นและ Temkin (0.985) ความสามารถในการดูดซับสูงสุด (qmax) ซึ่งคำนวณโดยใช้แบบจำลองไอโซเทอร์มของแลงมัวร์คือ 31.61 มก. g-1 นอกจากนี้ ค่าที่คำนวณได้ของปัจจัยการแยกแบบไร้มิติ (RL) อยู่ระหว่าง 0 ถึง 1 (0.097) ซึ่งบ่งชี้ถึงกระบวนการดูดซับที่ดี มิฉะนั้น ค่าคงที่ฟรอยด์ลิชที่คำนวณได้ (n = 2.756) จะบ่งชี้ถึงความชอบสำหรับกระบวนการดูดซับนี้ ตามแบบจำลองเชิงเส้นของไอโซเทอร์มของ Temkin (รูปที่ 9C) การดูดซับ DC บนคอมโพสิต rGO/nZVI เป็นกระบวนการดูดซับทางกายภาพ เนื่องจาก b คือ ˂ 82 kJ mol-1 (0.408)55 แม้ว่าการดูดซับทางกายภาพมักจะถูกสื่อกลางโดยแรง van der Waals ที่อ่อนแอ แต่การดูดซับกระแสตรงบนคอมโพสิต rGO/nZVI ต้องใช้พลังงานการดูดซับต่ำ [56, 57]
Freundlich (A), Langmuir (B) และ Temkin (C) ไอโซเทอร์มการดูดซับเชิงเส้น [Co = 25–100 mg L–1, pH = 7, T = 25 °C, ปริมาณ = 0.05 g] พล็อตของสมการแวนต์ ฮอฟฟ์ สำหรับการดูดซับ DC โดยคอมโพสิต rGO/nZVI (D) [Co = 25–100 มก. l-1, pH = 7, T = 25–55 °C และปริมาณ = 0.05 กรัม]
เพื่อประเมินผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของปฏิกิริยาต่อการกำจัด DC จากคอมโพสิต rGO / nZVI พารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์เช่นการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี (ΔS) การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี (ΔH) และการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระ (ΔG) ถูกคำนวณจากสมการ 3 และ 458.
โดยที่ \({K__{e}\)=\(\frac{{C__{Ae}}{{C__{e}}\) – ค่าคงที่สมดุลทางอุณหพลศาสตร์, Ce และ CAe – rGO ในสารละลาย ตามลำดับความเข้มข้นของ / nZVI DC ที่สมดุลพื้นผิว R และ RT คือค่าคงที่ของก๊าซและอุณหภูมิการดูดซับตามลำดับ การพล็อต ln Ke เทียบกับ 1/T จะให้เส้นตรง (รูปที่ 9D) ซึ่งสามารถหา ∆S และ ∆H ได้
ค่า ΔH ติดลบบ่งชี้ว่ากระบวนการคายความร้อน ในทางกลับกัน ค่า ΔH อยู่ภายในกระบวนการดูดซับทางกายภาพ ค่าลบ ΔG ในตารางที่ 3 บ่งชี้ว่าการดูดซับเป็นไปได้และเกิดขึ้นเอง ค่าลบของ ΔS บ่งชี้ถึงการเรียงลำดับโมเลกุลตัวดูดซับที่สูงที่ส่วนต่อประสานของเหลว (ตารางที่ 3)
ตารางที่ 4 เปรียบเทียบคอมโพสิต rGO/nZVI กับตัวดูดซับอื่นๆ ที่รายงานในการศึกษาก่อนหน้านี้ เป็นที่ชัดเจนว่าคอมโพสิต VGO/nCVI มีความสามารถในการดูดซับสูง และอาจเป็นวัสดุที่มีศักยภาพในการกำจัดยาปฏิชีวนะ DC ออกจากน้ำ นอกจากนี้ การดูดซับของคอมโพสิต rGO/nZVI ยังเป็นกระบวนการที่รวดเร็วโดยใช้เวลาในการปรับสมดุล 60 นาที คุณสมบัติการดูดซับที่ยอดเยี่ยมของคอมโพสิต rGO/nZVI สามารถอธิบายได้ด้วยผลเสริมฤทธิ์กันของ rGO และ nZVI
รูปที่ 10A, B แสดงตัวอย่างกลไกเชิงเหตุผลสำหรับการกำจัดยาปฏิชีวนะ DC โดยสารเชิงซ้อน rGO/nZVI และ nZVI จากผลการทดลองเกี่ยวกับผลกระทบของ pH ต่อประสิทธิภาพของการดูดซับ DC โดยการเพิ่มขึ้นของ pH จาก 3 เป็น 7 การดูดซับ DC บนคอมโพสิต rGO/nZVI ไม่ได้ถูกควบคุมโดยปฏิกิริยาระหว่างไฟฟ้าสถิต เนื่องจากมันทำหน้าที่เป็นสวิตเตอร์ไอออน ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงค่า pH จึงไม่ส่งผลต่อกระบวนการดูดซับ ต่อมา กลไกการดูดซับสามารถควบคุมได้โดยปฏิกิริยาที่ไม่เกิดไฟฟ้าสถิต เช่น พันธะไฮโดรเจน ผลกระทบที่ไม่ชอบน้ำ และปฏิกิริยาการซ้อน π-π ระหว่างคอมโพสิต rGO/nZVI และ DC66 เป็นที่ทราบกันดีว่ากลไกของการดูดซับอะโรมาติกบนพื้นผิวของกราฟีนแบบชั้นนั้นได้รับการอธิบายโดยการโต้ตอบแบบซ้อนπ – π เป็นแรงผลักดันหลัก คอมโพสิตเป็นวัสดุที่มีชั้นคล้ายกราฟีน โดยมีการดูดกลืนแสงสูงสุดที่ 233 นาโนเมตร เนื่องจากการเปลี่ยนแปลง π-π* จากการมีอยู่ของวงแหวนอะโรมาติกสี่วงในโครงสร้างโมเลกุลของตัวดูดซับ DC เราตั้งสมมติฐานว่ามีกลไกของการทำงานร่วมกันแบบซ้อน π-π ระหว่างอะโรมาติก DC (ตัวรับอิเล็กตรอน π) และบริเวณที่อุดมไปด้วยอิเล็กตรอน π บน พื้นผิว RGO /คอมโพสิต nZVI นอกจากนี้ ดังแสดงในรูป การศึกษา 10B, FTIR ถูกดำเนินการเพื่อศึกษาอันตรกิริยาระดับโมเลกุลของคอมโพสิต rGO/nZVI กับ DC และสเปกตรัม FTIR ของคอมโพสิต rGO/nZVI หลังจากการดูดซับ DC ถูกแสดงไว้ในรูปที่ 10B 10ข. จุดสูงสุดใหม่ถูกสังเกตที่ 2111 cm-1 ซึ่งสอดคล้องกับการสั่นของเฟรมเวิร์กของพันธะ C=C ซึ่งบ่งชี้การมีอยู่ของกลุ่มฟังก์ชันอินทรีย์ที่สอดคล้องกันบนพื้นผิวของ 67 rGO/nZVI พีคอื่น ๆ เปลี่ยนจาก 1561 เป็น 1548 cm-1 และจาก 1399 เป็น 1360 cm-1 ซึ่งยืนยันว่าปฏิสัมพันธ์ของπ-πมีบทบาทสำคัญในการดูดซับกราฟีนและสารมลพิษอินทรีย์ หลังจากการดูดซับ DC ความเข้มของกลุ่มที่มีออกซิเจนบางกลุ่ม เช่น OH ลดลงเหลือ 3270 cm-1 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าพันธะไฮโดรเจนเป็นหนึ่งในกลไกการดูดซับ ดังนั้นจากผลลัพธ์ การดูดซับ DC บนคอมโพสิต rGO / nZVI เกิดขึ้นส่วนใหญ่เนื่องจากการโต้ตอบแบบซ้อนπ-πและพันธะ H
กลไกเชิงเหตุผลของการดูดซับยาปฏิชีวนะ DC โดยคอมเพล็กซ์ rGO / nZVI และ nZVI (A) สเปกตรัมการดูดซับ FTIR ของ DC บน rGO/nZVI และ nZVI (B)
ความเข้มของแถบการดูดซับของ nZVI ที่ 3244, 1615, 1546 และ 1,011 cm – 1 เพิ่มขึ้นหลังจากการดูดซับ DC บน nZVI (รูปที่ 10B) เมื่อเปรียบเทียบกับ nZVI ซึ่งควรจะเกี่ยวข้องกับการโต้ตอบกับกลุ่มการทำงานที่เป็นไปได้ของกรดคาร์บอกซิลิก O กลุ่มใน DC อย่างไรก็ตาม เปอร์เซ็นต์การส่งผ่านที่ต่ำกว่านี้ในทุกแถบที่สังเกตได้บ่งชี้ว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่มีนัยสำคัญในประสิทธิภาพการดูดซับของตัวดูดซับสังเคราะห์แสง (nZVI) เมื่อเปรียบเทียบกับ nZVI ก่อนกระบวนการดูดซับ จากการวิจัยการกำจัด DC ด้วย nZVI71 เมื่อ nZVI ทำปฏิกิริยากับ H2O อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมา จากนั้น H+ จะถูกนำมาใช้เพื่อผลิตไฮโดรเจนที่มีฤทธิ์ลดลงอย่างมาก ในที่สุด สารประกอบประจุบวกบางชนิดจะรับอิเล็กตรอนจากไฮโดรเจนที่แอคทีฟ ส่งผลให้ได้ -C=N และ -C=C- ซึ่งเกิดจากการแยกตัวของวงแหวนเบนซีน