Dex@2-IM2 ni adsorbenti ya haidrojeli yenye vinyweleo ya dekstrani, iliyoandaliwa kwa kuunganisha kwa vifungo mtambuka dekstrani iliyobadilishwa kwa β-ketoester kwa kutumia imidazole-2-carbaldehyde na ammonium acetate kupitia mmenyuko wa Hantzsch, na yenye maeneo mengi ya uratibu kwa ajili ya kufunga Pb(II), hasa nitrojeni ya imidazole na oksijeni ya β-ketoester. Katika utafiti huu, usanisi na muundo wa nyenzo hii ulichunguzwa kwa ¹H NMR, FT-IR, SEM–EDS na XPS; adsorbsioni ya Pb(II) ilitathminiwa kwa majaribio ya kundi, modeli za kinetiki na isothemu, majaribio ya uteuzi katika mazingira yenye ioni nyingi, uregeneshaji, jaribio la safu lenye mzunguko uliofungwa na hesabu za nadharia ya fungsi ya msongamano (DFT). Uwezo wa juu kabisa wa adsorbsioni ya Pb(II) uliohesabiwa kwa modeli ya Langmuir katika 25 °C ulikuwa 120,63 mg·g⁻¹. Hata hivyo, majaribio yote yalifanywa katika suluhisho zilizoandaliwa kwa kiwango cha maabara; utafiti hauonyeshi utendaji wa kiwango kamili wa uwanjani katika maji taka halisi ya viwandani.

Katika ufunksionalishaji wa haidrojeli, nafasi ya isoma ya imidazole ilionekana kuwa muhimu. Dex@2-IM1 iliyotumia IM-2-CHO iliganda kuwa geli kwa takriban dakika 3, Dex@2-IM2 yenye uwiano wa juu zaidi wa vitendanishi kwa takriban dakika 1, ilhali Dex@4-IM1 iliyotumia IM-4-CHO ilihitaji takriban dakika 25. Katika hesabu za DFT, mabadiliko ya nishati huru ya Gibbs ya mmenyuko wa Hantzsch yalihesabiwa kuwa −19,18 kcal·mol⁻¹ kwa IM-2-CHO na −15,44 kcal·mol⁻¹ kwa IM-4-CHO; thamani hasi zaidi ya IM-2-CHO ililingana na kuungana kwa vifungo mtambuka kwa kasi zaidi kulikozingatiwa katika majaribio.

Katika adsorbsioni ya Pb(II), Dex@2-IM2 ilionyesha uwezo wa juu zaidi miongoni mwa haidrojeli zenye imidazole zilizolinganishwa. Adsorbsioni iliongezeka kadiri pH ilivyoongezeka na kufikia 113,04 mg·g⁻¹ katika pH 5,3. Katika majaribio ya kinetiki, usawa ulifikiwa ndani ya takriban dakika 240; thamani za R² za modeli ya pseudo-second-order zilikuwa kati ya 0,9974–0,9992. Kutopita kwa mikunjo ya difusheni ndani ya chembe kwenye asili kulionyesha kuwa difusheni ndani ya vinyweleo pekee haikuwa hatua inayodhibiti kasi; adsorbsioni kwenye uso wa nje na difusheni ya ndani zilichangia pamoja.

Katika jaribio la uteuzi, wakati kila moja ya ioni za Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ na Pb²⁺ ilikuwa na mkusanyiko wa awali wa 120 mg·L⁻¹, uwezo wa adsorbsioni wa Dex@2-IM2 kwa Pb(II) ulikuwa 67,125 mg·g⁻¹. Katika hali hizo hizo, kwa K⁺, Na⁺, Ca²⁺ na Mg²⁺ ziliripotiwa kwa mpangilio huo 0,73; 2,22; 5,04 na 3,85 mg·g⁻¹. Matokeo ya XPS na DFT yaliunga mkono kwamba N ya piridini katika pete ya imidazole na atomi za O katika vikundi vya β-ketoester ndizo maeneo makuu ya uratibu katika kufungwa kwa Pb(II), huku atomi za O katika uti wa mgongo wa dekstrani zikitoa mchango wa ziada.

Uwezo wa adsorbsioni wa nyenzo ulipungua kutoka 89,70 mg·g⁻¹ mwanzoni hadi 63,01 mg·g⁻¹ baada ya mizunguko mitatu ya adsorbsioni–desorbsioni, na takriban %70,2 ya uwezo wa awali ilihifadhiwa. Katika jaribio la tabaka lisilosogea lenye mzunguko uliofungwa, uondoaji wa Pb(II) ulikuwa %68,60 baada ya saa 5, %90,48 baada ya saa 9 na %91,44 baada ya saa 13. Jaribio hili la mienendo si jaribio la breakthrough la mstari halisi wa kuendelea wa kutibu maji taka; ni mfumo wa maabara wa mzunguko uliofungwa ambapo 50 mL ya suluhisho sintetiki ya Pb(II) huzungushwa tena kati ya hifadhi ileile na safu.

Tatizo la utafiti: kushikilia Pb(II) kwa uteuzi dhidi ya ioni nyingine

Risasi ni metali nzito yenye sumu ambayo haivunjiki kibiolojia na inaweza kujikusanya katika mazingira ya maji na kuingia katika mnyororo wa chakula. Adsorbsioni huchunguzwa sana kwa uondoaji wa Pb(II) kutokana na urahisi mdogo wa uendeshaji na uwezekano wa kutumia adsorbenti tena. Hata hivyo, katika matrisia halisi au changamano za maji taka, ioni kama Na⁺, K⁺, Ca²⁺ na Mg²⁺ zinaweza kushindania maeneo ya adsorbsioni. Kwa hiyo, si uwezo mkubwa wa jumla pekee unaohitajika, bali pia uteuzi wa kikemia kwa Pb(II) ni muhimu.

Wazo la usanifu wa utafiti ni kuweka vituo vya uratibu vinavyokamilishana ndani ya mtandao mmoja wa haidrojeli badala ya kutumia aina moja tu ya eneo la kufungia. Kikundi cha imidazole huchangia katika uratibu wa Pb(II) kupitia atomi ya N ya aina ya piridini, huku vikundi vilivyobaki vya β-ketoester na atomi za oksijeni katika uti wa mgongo wa dekstrani vikitoa maeneo ya ziada ya kufungia. Hivyo, adsorbsioni imeundwa kutegemea si mvutano wa kielektrostatiki pekee, bali uratibu wa metali–ligandi wenye maeneo mengi.

Kwa nini dekstrani ilitumika kama polima mbebaji?

Dekstrani ni polisakaridi inayoweza kurejeshwa, na vikundi vyake vingi vya hidroksili huruhusu urekebishaji wa kikemia. Katika utafiti, dekstrani iliitikia kwanza na tert-butyl acetoacetate na kubadilishwa kuwa mtangulizi wa Dex-BAA wenye vikundi vya β-ketoester. Baadaye, vikundi vya β-ketoester vilitumika kama maeneo ya kuunganisha kwa vifungo mtambuka katika mmenyuko wa Hantzsch wenye vipengele vingi.

Mbinu hii huruhusu ndani ya hatua moja ya mmenyuko uundaji wa mtandao wa haidrojeli wa pande tatu pamoja na kuingizwa kwa vikundi vya imidazole katika muundo.

Urekebishaji wa Dex-BAA ulithibitishwaje?

Katika spektra ya ¹H NMR, protoni za methili za kikundi cha β-ketoester zilionekana karibu 2,25 ppm na kiwango cha uingizwaji kilihesabiwa kuwa DS = 1,41 kutokana na ujumuishaji. Thamani hii inaonyesha kwamba kwa wastani takriban vikundi 1,41 vya β-ketoester vimeunganishwa kwa kila kitengo cha glukosi.

Katika uchanganuzi wa FT-IR, bendi karibu 1712 na 1749 cm⁻¹ ambazo hazikuwepo katika dekstrani ya awali zilionekana; chanzo kilizihusisha kwa mpangilio huo na mivutano ya kabonili ya ketoni na esta.

Kwa nini nafasi ya isoma ya imidazole ilikuwa muhimu?

Ingawa IM-2-CHO na IM-4-CHO zina pete sawa ya imidazole, nafasi ya kikundi cha aldehyde ilibadilisha ureaktivu katika mmenyuko wa Hantzsch. Dex@2-IM1 iliganda kuwa geli kwa takriban dakika 3, huku Dex@4-IM1 yenye uwiano uleule wa msingi wa moli ikiganda kwa takriban dakika 25. Dex@2-IM2 yenye uwiano wa juu zaidi wa IM-2-CHO/NH₄OAc iliunda haidrojeli imara kwa takriban dakika 1.

Hesabu za DFT zilionyesha kuwa njia zote mbili za mmenyuko zinafaa kitermodinamiki. Mabadiliko ya nishati huru ya Gibbs yaliyohesabiwa yalikuwa −19,18 kcal·mol⁻¹ kwa IM-2-CHO na −15,44 kcal·mol⁻¹ kwa IM-4-CHO. Thamani hasi zaidi ya IM-2-CHO inaelekea sambamba na kuganda kwa kasi zaidi katika jaribio.

Muundo wenye vinyweleo na maudhui ya imidazole yalithibitishwaje?

Picha za SEM za sampuli za Dex@2-IM2 na Dex@4-IM1 zilizokaushwa kwa kugandisha zilionyesha vinyweleo vya pande tatu vilivyounganishwa na vinavyofanana na sponji. Ramani za EDS zilionyesha usambazaji wa nitrojeni katika mtandao mzima. Kwa Dex@2-IM2, maudhui ya nitrojeni kwa EDS yaliripotiwa kuwa %14,03 atomiki, na kwa Dex@4-IM1 %6,20 atomiki. Tofauti hii inalingana na ufanisi mkubwa zaidi wa mmenyuko katika njia ya IM-2-CHO.

Katika uchanganuzi wa XPS survey wa Dex@2-IM2, C, O na N ziligunduliwa; maudhui ya N yalikuwa %11,19 atomiki. Kipengele cha C=N–C cha aina ya piridini karibu 398,65 eV kilitoa ushahidi wa ziada wa kuwepo kwa maeneo ya imidazole ndani ya muundo.

Haidrojeli ya Dex@2-IM2 Inashikiliaje Pb(II)?

Dex@2-IM2 hushikilia Pb(II) si kwa mwingiliano mmoja wa uso, bali hasa kupitia mtandao wa uratibu wenye maeneo mengi unaoundwa kwa pamoja na N ya piridini katika pete ya imidazole, atomi za O za kabonili/esta za β-ketoester na atomi saidizi za O katika uti wa mgongo wa dekstrani; matokeo ya XPS, FT-IR na DFT yanaunga mkono kwa pamoja modeli hii ya kufungamana.

Baada ya kupakia Pb(II), ishara za Pb 4f_7/2 na Pb 4f_5/2 zilionekana katika spektra ya XPS karibu 138,85 na 143,68 eV. Nishati ya kufungamana ya kipengele cha C=N–C cha imidazole ilisogea kutoka 398,65 eV hadi 398,78 eV; chanzo kilitafsiri hili kuwa dalili kwamba msongamano wa elektroni karibu na N ya piridini umebadilika kutokana na uratibu wa Pb(II).

Baada ya adsorbsioni, kudhoofika kwa bendi za 1749 na 1712 cm⁻¹ zinazohusiana na kabonili za β-ketoester katika FT-IR pia kuliunga mkono tafsiri kwamba oksijeni za kabonili zinashiriki katika kufungamana kwa Pb(II).

Katika kompleksi ya s-H2-Pb iliyoboreshwa kwa DFT, umbali kati ya imidazole N na Pb ulikuwa takriban 2,38 Å. Umbali wa β-ketoester O–Pb ulikuwa takriban 2,47–2,50 Å, na umbali kati ya atomi za O za hidroksili za dekstrani na Pb ulikuwa takriban 2,38 Å. Chanzo kiliona umbali huu kuwa unaolingana na modeli ambayo heteroatomi kadhaa hushiriki katika uratibu.

Uwezo wa adsorbsioni ulihesabiwaje?

Uwezo wa adsorbsioni ya Pb(II) katika muda \(t\) ulihesabiwa katika chanzo kwa mlinganyo ufuatao:

\[ q_t=\frac{(C_0-C_t)V}{m} \]

Hapa \(q_t\) ni kiasi cha Pb(II) kilichoadsorbiwa kwa kila kitengo cha uzito wa adsorbenti, katika kitengo cha mg·g⁻¹. \(C_0\) ni mkusanyiko wa awali wa Pb(II), \(C_t\) ni mkusanyiko katika muda \(t\), na hutumiwa katika mg·L⁻¹. \(V\) huwakilisha ujazo wa suluhisho kwa lita, na \(m\) uzito wa adsorbenti kwa gramu.

Ufanisi wa uondoaji:

\[ RE=\frac{C_0-C_t}{C_0}\times100\% \]

ulihesabiwa kwa njia hii. Vipimo hivi viwili havipimi jambo lilelile: \(q_t\) huonyesha upakiaji kwa kila kitengo cha uzito wa adsorbenti, huku \(RE\) huonyesha asilimia ya Pb(II) iliyoondolewa kutoka kwenye suluhisho. Kwa hiyo, dozi ya adsorbenti inapoongezeka, ufanisi wa jumla wa uondoaji unaweza kuongezeka huku uwezo kwa kila kitengo cha uzito ukipungua.

pH iliathirije adsorbsioni?

Kwa Dex@2-IM2, eneo la pH 3,0–5,3 lilichunguzwa na uwezo wa adsorbsioni uliongezeka kadiri pH ilivyoongezeka. Katika pH 5,3 uwezo ulifikia 113,04 mg·g⁻¹.

Chanzo kinaeleza tabia hii kwa ushindani wa ioni za H⁺ na maeneo ya uratibu katika pH ya chini na kwa protonesheni ya nitrojeni ya imidazole. pH inapoongezeka, uwezo wa vikundi vya kikazi kutoa elektroni huongezeka na uratibu wa Pb(II) hurahisishwa. Zaidi ya pH 5,3 hakukuchunguzwa kwa sababu ya uwezekano wa kutokea kwa masimbi ya Pb(OH)₂.

Kwa nini dozi ya adsorbenti ilibadilisha uwezo na ufanisi wa uondoaji katika mwelekeo tofauti?

Dozi ya adsorbenti ilipoongezwa kutoka 0,1 hadi 1,0 g·L⁻¹, uwezo wa adsorbsioni kwa kila kitengo cha uzito ulipungua kutoka 151,30 hadi 55,98 mg·g⁻¹, huku ufanisi wa uondoaji ukiongezeka. Katika dozi kubwa ya adsorbenti, kuna maeneo mengi zaidi ya kufungia katika suluhisho, hivyo uondoaji wa jumla wa Pb(II) huongezeka; lakini kwa kuwa kiasi kilekile cha Pb(II) hugawanywa kwenye uzito mkubwa zaidi wa adsorbenti, baadhi ya maeneo hayafikii ushishe na uwezo wa mg·g⁻¹ hupungua.

Dokezo la mbinu ndani ya chanzo: Katika sehemu ya Nyenzo na Mbinu, dozi za adsorbenti zilizochunguzwa zimeorodheshwa kuwa 0,1; 0,2; 0,4; 0,6 na 1,0 g·L⁻¹. Hata hivyo, katika sehemu ya Matokeo, 0,3 g·L⁻¹ imechaguliwa kuwa dozi “bora” kwa majaribio ya baadaye ya tuli. PDF kuu iliyotolewa haielezi jinsi nukta ya 0,3 g·L⁻¹ ilivyojumuishwa katika uchunguzi wa awali wa dozi. Verianla haisahihishi tofauti hii kimya kimya.

Kinetiki ya adsorbsioni ilionyesha nini?

Katika hali zilizotajwa kuwa bora za pH 5,3 na adsorbenti 0,3 g·L⁻¹, mikusanyiko ya awali ya Pb(II) ya 30, 60, 90 na 120 mg·L⁻¹ ilichunguzwa. Katika takriban dakika 120 za kwanza, adsorbsioni iliendelea kwa kasi, kisha kasi ikapungua na katika mikusanyiko yote iliyojaribiwa usawa ulifikiwa ndani ya takriban dakika 240.

Mkusanyiko wa awali ulipoongezeka kutoka 30 hadi 120 mg·L⁻¹, uwezo wa majaribio katika usawa uliongezeka kutoka 48,52 hadi 91,48 mg·g⁻¹.

Modeli ya kinetiki ya pseudo-second-order (PSO) ilionyesha ulinganifu bora zaidi kuliko modeli ya pseudo-first-order katika mikusanyiko yote, ikiwa na \(R^2=0{,}9974-0{,}9992\). Chanzo kinatafsiri matokeo haya kuwa yanaendana na adsorbsioni ya kikemia inayotegemea uratibu. Hata hivyo, ulinganifu mzuri wa PSO pekee si ushahidi wa mwisho wa mekanizimu ya mmenyuko ya kiwango cha molekuli; tafsiri ya uratibu katika utafiti imejengwa pamoja na matokeo ya XPS, FT-IR na DFT.

Grafu za difusheni ndani ya chembe ziliunda maeneo mawili ya mstari na mistari haikupita kwenye asili. Kwa hiyo, chanzo kilihitimisha kuwa difusheni ndani ya vinyweleo pekee si hatua inayodhibiti kasi; baada ya adsorbsioni ya haraka kwenye uso wa nje, usafirishaji wa polepole zaidi ndani ya vinyweleo hutokea.

Uwezo wa Langmuir wa 120,63 mg·g⁻¹ Unamaanisha Nini?

120,63 mg·g⁻¹ ni uwezo wa juu kabisa wa kinadharia wa adsorbsioni ya tabaka moja uliopatikana kwa kutumia modeli ya Langmuir kwenye data za isothemu katika 25 °C; si uwezo uliopimwa moja kwa moja katika kila jaribio wala uwezo wa uendeshaji uliohakikishwa katika maji taka halisi.

Isothemu za adsorbsioni zilichunguzwa katika 25, 35 na 45 °C na mikusanyiko ya awali ya Pb(II) ya 30–120 mg·L⁻¹. Katika kila joto, uwezo wa usawa uliongezeka kadiri mkusanyiko wa awali ulivyoongezeka, lakini mabadiliko yanayotegemea joto katika 25–45 °C yalibaki kuwa madogo kiasi.

Modeli ya Langmuir ilitoa ulinganifu wa juu zaidi katika joto zote ikiwa na \(R^2>0{,}997\). Modeli ya Freundlich pia ilionyesha ulinganifu katika kiwango cha \(R^2>0{,}95\), na thamani za \(1/n\) zilikuwa kati ya 0 na 0,5. Chanzo kilitathmini matokeo haya kuwa yanaendana na adsorbsioni ya Pb(II) ya tabaka moja kwenye maeneo yenye nishati iliyo sawa kwa kiasi kikubwa kwenye Dex@2-IM2.

Dex@2-IM2 Ilitenganisha Pb(II) kwa Uteuzi Kiasi Gani dhidi ya Ioni Nyingine?

Katika suluhisho ya maabara yenye ioni nyingi iliyofafanuliwa, Dex@2-IM2 ilionyesha uwezo wa 67,125 mg·g⁻¹ kwa Pb(II), huku uwezo kwa K⁺, Na⁺, Ca²⁺ na Mg²⁺ ukiwa tu katika 0,73–5,04 mg·g⁻¹; matokeo haya yalionyesha upendeleo wa wazi kwa Pb(II) miongoni mwa ioni tano zilizochunguzwa.

Jaribio la uteuzi lilifanywa kwenye suluhisho mchanganyiko lenye Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ na Pb²⁺, kila moja ikiwa na mkusanyiko wa awali wa 120 mg·L⁻¹.

Mgawo wa usambazaji umefafanuliwa katika chanzo kama:

\[ K_d=\frac{q_e}{C_e}\times1000 \]

\(q_e\) huwakilisha uwezo wa adsorbsioni katika usawa kwa mg·g⁻¹; \(C_e\) huwakilisha mkusanyiko wa usawa uliobaki katika suluhisho kwa mg·L⁻¹. Kizidishi cha 1000 hubadilisha matokeo kuwa kitengo cha mL·g⁻¹. Kwa Pb(II), \(K_d\) ilikuwa kubwa kwa wazi kuliko kwa ioni nyingine.

Hesabu za DFT Zinaelezaje Uteuzi wa Pb(II)?

Hesabu za DFT zilionyesha kwamba katika modeli kubwa zaidi ya eneo la haidrojeli s-H3, Pb(II) ina nishati ya kufungamana iliyo hasi zaidi kuliko ioni zilizojaribiwa za Na⁺, K⁺, Ca²⁺ na Mg²⁺ na hufanya uratibu wa vituo vingi kwenye maeneo ya imidazole N na β-ketoester O; hata hivyo, katika modeli ndogo ya s-H2, kufungamana kulikohesabiwa kwa Mg²⁺ kulikuwa na nguvu kidogo zaidi kuliko Pb(II), hivyo utegemezi wa hesabu kwa ukubwa wa klasta unaonekana wazi.

Ufafanuzi wa nishati ya kufungamana katika chanzo ni:

\[ \Delta E=E_{\mathrm{complex}}-2E_{\mathrm{metal}}-E_{\mathrm{ligand}} \]

Katika chanzo, \(\Delta E\) iliyo hasi zaidi hutafsiriwa kuwa mwelekeo wa kufungamana kwa nguvu zaidi. PDF iliyotolewa inaelekeza maelezo ya kina ya fungsi ya DFT na seti ya msingi kwenye Supplementary Information; kwa sababu vigezo hivyo vya ziada vya hesabu havipo katika PDF kuu, havijakamilishwa na Verianla.

Waandishi wanatathmini modeli ya s-H3 kama klasta kubwa zaidi inayowakilisha vizuri zaidi mazingira ya uratibu ya eneo la haidrojeli halisi. Katika modeli hii, Pb(II) ina kufungamana kwa nguvu zaidi kulikohesabiwa na mwelekeo huo unaendana na uteuzi wa majaribio.

Katika modeli ya s-H2, kwa Mg²⁺ ilihesabiwa −62,57 kcal·mol⁻¹, na kwa Pb(II) −59,67 kcal·mol⁻¹. Chanzo kinaeleza mpangilio huu wa kinyume kwa uwezekano kwamba jiometria finyu ya uratibu ya klasta ndogo inaweza kukadiria kupita kiasi mwingiliano wa kielektrostatiki wa ioni ndogo zenye msongamano mkubwa wa chaji kama Mg²⁺. Kwa hiyo, matokeo ya DFT hayapaswi kujumlishwa kama “katika kila modeli iliyotumika Pb(II) lazima ifungamane kwa nguvu zaidi.”

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Nyenzo na usanisi wa Dex-BAA

Polima ya kuanzia ni Dextran T40 yenye uzito wa molekuli wa takriban 40.000 Da. Katika usanisi wa Dex-BAA, 4,0 g ya dekstrani iliyeyushwa katika 50 mL DMSO kwa mkusanyiko wa 80 mg·mL⁻¹ na kupashwa joto hadi 120 °C. tert-Butyl acetoacetate iliongezwa kwa uwiano wa moli t-BAA/kitengo cha sukari wa 6:1 na mmenyuko uliendelezwa kwa saa 2.

Baada ya mchanganyiko kupozwa hadi joto la kawaida, ulidondoshwa ndani ya 2,0 L ya ethanoli isiyo na maji ili kuzamisha bidhaa, mashapo yakaoshwa mara tatu kwa ethanoli na kukaushwa chini ya utupu kwa saa 24 katika 40 °C.

Maandalizi ya haidrojeli zilizofunksionalishwa kwa imidazole

Suluhisho ya maji ya Dex-BAA ya 500 mg·mL⁻¹, suluhisho ya 600 mg·mL⁻¹ NH₄OAc na suluhisho ya IM-CHO ya 100 mg·mL⁻¹ katika DMSO zilichanganywa katika joto la kawaida. Mkusanyiko wa Dex-BAA katika mchanganyiko wa mwisho uliwekwa kuwa 130 mg·mL⁻¹.

Uwiano wa moli β-ketoester/IM-CHO/NH₄OAc ulitumiwa kama 2:1:1 na 2:4:4. Bidhaa zilizoandaliwa kwa IM-2-CHO ziliitwa Dex@2-IM, na zilizoandaliwa kwa IM-4-CHO ziliitwa Dex@4-IM. Kwa udhibiti usio na imidazole, formaldehyde ilitumika kama aldehyde na bidhaa iliitwa Dex@HCHO.

Vifaa vya tabia

Majaribio ya adsorbsioni ya kundi

Adsorbenti iliongezwa katika 50 mL ya suluhisho ya Pb(NO₃)₂ na kutikiswa katika 25 °C kwa 200 rpm. Katika nyakati zilizochaguliwa, sampuli ya 3 mL ilichukuliwa, ikapitishwa kwenye kichujio cha 0,22 μm na Pb(II) iliyobaki ikapimwa kwa ICP-OES.

Imeelezwa kwamba majaribio yote ya adsorbsioni yalifanywa kwa marudio matatu na thamani za wastani ziliripotiwa.

Majaribio ya isothemu

Katika utafiti wa isothemu, 15,0 mg ya Dex@2-IM2 iliongezwa kwenye 50 mL ya suluhisho ya Pb(II). pH 5,3; mikusanyiko ya awali 30, 60, 90 na 120 mg·L⁻¹; joto 25, 35 na 45 °C; muda wa kutikisa saa 8 na kasi 200 rpm.

Data zilichanganuliwa kwa modeli za Langmuir, Freundlich na Temkin. PDF kuu inaelekeza kwenye Supplementary Information kwa milinganyo ya kina S4–S7 ya modeli zilizotumiwa; kwa kuwa kurasa hizo za ziada za milinganyo hazipo katika faili iliyotolewa, milinganyo haikuandikwa upya kwa kutegemea maarifa nje ya chanzo.

Jaribio la uteuzi

Katika suluhisho ya ioni mchanganyiko, kila moja ya ioni za Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ na Pb²⁺ iliandaliwa kwa mkusanyiko wa awali wa 120 mg·L⁻¹. 15,0 mg ya Dex@2-IM2 iliongezwa kwenye 50 mL ya suluhisho na mfumo ukatikiswa katika 25 °C kwa 200 rpm kwa saa 8.

Jaribio hili lilihakikisha kwamba uteuzi haukujaribiwa tu katika suluhisho ya Pb(II) yenye ioni moja, bali pia mbele ya kationi nne za ushindani zenye mkusanyiko mkubwa. Hata hivyo, wigo mpana zaidi wa ioni, vitu vya kikaboni, yabisi zilizosimamishwa na mabadiliko ya pH yanayoweza kuwepo katika maji taka halisi ya viwandani hayakuwakilishwa katika jaribio hili.

Uregeneshaji na matumizi tena

Baada ya kila mzunguko wa adsorbsioni, haidrojeli ilioshwa mara tatu kwa maji yaliyoondolewa ioni, kisha ikashikiliwa katika 50 mL ya 0,1 M HNO₃ kwa saa 2. Sampuli ilioshwa tena hadi pH ya upande wowote, ikaushwa kwa kugandisha kwa saa 48 na kisha ikaushwa chini ya utupu katika 40 °C kwa saa 24 kabla ya kutumiwa tena.

Baada ya mzunguko wa tatu, takriban %70,2 ya uwezo wa awali ilihifadhiwa. Spektra ya FT-IR ya sampuli iliyoregeneshwa ya Dex@2-IM2-R4 ilionyesha kuwa vikundi vikuu vya kikazi vilihifadhiwa, huku SEM ikionyesha kuwa muundo wenye vinyweleo uliendelea kwa kiwango kikubwa. Katika uchanganuzi wa EDS, mabaki ya Pb ya %4,96 kwa uzito yaligunduliwa.

Chanzo kinatafsiri sababu kuu ya kupoteza uwezo kuwa desorbsioni isiyokamilika ya Pb(II). Pb(II) iliyobaki hukalia sehemu ya maeneo ya uratibu yanayoweza kutumiwa tena na inaweza pia kuzuia kwa sehemu usafirishaji ndani ya vinyweleo.

Je, Jaribio la Safu ya Mienendo Linathibitisha Matibabu ya Maji Taka ya Viwandani?

Hapana. Jaribio la mienendo la utafiti ni mfumo wa mzunguko uliofungwa wa kiwango cha maabara; 50 mL ya suluhisho sintetiki ya Pb(II) ilizungushwa mfululizo kati ya hifadhi ileile na safu ndogo yenye 100 mg ya haidrojeli, hivyo matokeo pekee hayathibitishi tabia ya breakthrough ya mtiririko mmoja katika maji taka halisi ya viwandani wala utendaji wa uendeshaji wa kiwango kamili.

Usanidi wa mfumo wa mienendo

100 mg ya Dex@2-IM2 iliwekwa kwenye safu ya sindano yenye kipenyo cha ndani cha 6,0 mm na urefu wa tabaka wa 2,5 cm. Ncha zote mbili za safu zilifungwa kwa friti za polietilini ili kuzuia kupotea kwa adsorbenti.

50 mL ya suluhisho yenye mkusanyiko wa awali wa Pb(II) wa 60 mg·L⁻¹ iliwekwa kwenye hifadhi na kupitishwa kupitia safu kwa pampu ya peristaltiki kwa mtiririko wa kudumu wa 2,0 mL·min⁻¹, kisha kurudishwa kwenye hifadhi.

Baada ya takriban saa 9, mkunjo wa uondoaji ulifikia hali ya tambarare na kubaki katika %91,44 baada ya saa 13. Chanzo kinatafsiri hali hii si kama kujaa kabisa kwa adsorbenti, bali kama kusawazika kwa kasi za adsorbsioni na desorbsioni katika mfumo wa mzunguko uliofungwa. Mkusanyiko wa Pb(II) katika suluhisho la mwisho la usawa uliripotiwa kuwa 5,14 mg·L⁻¹.

Nguvu za utafiti

• Usanifu wa nyenzo haukulenga uwezo pekee, bali pia uteuzi wa Pb(II) katika mazingira yenye ioni nyingi.
• Uhusiano wa usanisi–muundo–utendaji ulichunguzwa kwa mbinu zinazokamilishana za NMR, FT-IR, SEM–EDS na XPS.
• Mekanizimu ya adsorbsioni ilitathminiwa kwa kutumia pamoja tabia za majaribio na hesabu za DFT.
• Mfumo shindani wenye Na⁺, K⁺, Ca²⁺ na Mg²⁺ ulijaribiwa moja kwa moja.
• Nyenzo ilitathminiwa si katika matumizi ya mara moja tu, bali pia katika mizunguko mitatu ya adsorbsioni–desorbsioni na katika safu ya mienendo ya mzunguko uliofungwa.
• Tofauti kati ya modeli ndogo ya s-H2 na kubwa zaidi ya s-H3 za DFT zinaonyesha athari ya uchaguzi wa modeli ya klasta kwenye uteuzi uliokokotolewa.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Dex@2-IM2 ilionyesha uwezo mkubwa wa adsorbsioni kwa Pb(II) miongoni mwa haidrojeli za dekstrani zilizojaribiwa katika utafiti.
• Modeli ya Langmuir katika 25 °C ilihesabu uwezo wa juu kabisa kuwa 120,63 mg·g⁻¹.
• Katika mfumo uliobainishwa wa ioni tano, adsorbsioni ya Pb(II) ilikuwa kubwa kwa wazi kuliko ya Na⁺, K⁺, Ca²⁺ na Mg²⁺.
• Matokeo ya XPS, FT-IR na DFT yanaunga mkono jukumu kuu la atomi za imidazole N na β-ketoester O katika uratibu wa Pb(II).
• Data za adsorbsioni zilionyesha ulinganifu mkubwa na modeli za Langmuir na pseudo-second-order katika hali zilizojaribiwa.
• Baada ya mizunguko mitatu ya matumizi tena, %70,2 ya uwezo wa awali ilihifadhiwa.
• Katika mfumo wa maabara wa mzunguko uliofungwa, %91,44 ya Pb(II) iliondolewa baada ya saa 13.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono na mapungufu

• Utafiti haukufanya uthibitishaji wa uwanjani kwa kutumia sampuli halisi ya maji taka ya viwandani.
• Ioni shindani zilizochunguzwa zilikuwa tu Na⁺, K⁺, Ca²⁺ na Mg²⁺; ioni zote na vichafuzi vya kikaboni vinavyoweza kuwepo katika maji taka halisi havikujaribiwa.
• Jaribio la mienendo lilikuwa la mzunguko uliofungwa; mkunjo wa breakthrough wa safu ya mtiririko mmoja au maisha marefu ya huduma ya viwandani hayakuripotiwa.
• Matumizi tena yalitathminiwa kwa kiasi tu katika mizunguko mitatu ya adsorbsioni–desorbsioni.
• Upanuzi wa kiwango kiuchumi, gharama ya uzalishaji wa adsorbenti na tathmini ya mzunguko wa maisha havikuripotiwa katika chanzo hiki.
• DFT haitumii mtandao mzima halisi wa polima, bali modeli zilizorahisishwa za klasta za eneo zenye vitengo viwili na vitatu vya glukosi.
• Katika modeli ya s-H2, nishati ya kufungamana iliyohesabiwa kwa Mg²⁺ ni hasi zaidi kuliko ya Pb(II); hitimisho kwamba Pb(II) hufungamana kwa nguvu zaidi lilipatikana katika modeli kubwa ya s-H3.
• Baadhi ya vigezo vya DFT, milinganyo ya kinetiki na jedwali za isothemu zinazoelekezwa kwenye Supplementary Information katika chanzo hazipo katika PDF kuu iliyotolewa.
• Kuna tofauti ya mbinu isiyoelezwa kati ya uchunguzi wa dozi ya adsorbenti na tamko la dozi bora ya 0,3 g·L⁻¹ katika chanzo.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Utafiti wa awali: Imidazole and β-ketoester synergistically functionalized dextran hydrogel for efficient and selective Pb(II) adsorption.

Waandishi: Hao Wang, Chunfeng Yin, Zongzhen Wang, Shaoyun Shan na Hongying Su.

Mwandishi wa mawasiliano: Hongying Su.

Taasisi: Faculty of Chemical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, Yunnan, China.

Aina ya chanzo: Preprint ya utafiti.

Hali ya mapitio ya rika: PDF iliyotolewa inaeleza katika kila ukurasa kwamba utafiti bado haujapitia tathmini ya rika.

Jukwaa: SSRN.

Kitambulisho cha SSRN: 7629172.

DOI: Hakuna DOI inayoweza kuthibitishwa kwa utafiti huu katika PDF iliyotolewa; DOI haijakisiwa.

Jarida / mchapishaji / version of record: Preprint iliyotolewa haina taarifa iliyothibitishwa ya uchapishaji katika jarida lililopitiwa na rika.

Tarehe ya uchapishaji: Tarehe kamili ya preprint haijaonyeshwa katika sehemu ya bibliografia inayoonekana ya PDF kuu iliyotolewa; tarehe haijatungwa.

Leseni: PDF iliyotolewa haina Creative Commons inayoweza kuthibitishwa wala leseni nyingine ya wazi ya matumizi tena. Kupatikana kupitia SSRN hakukuchukuliwa kuwa leseni wazi.

Aina kuu ya jaribio: Usanisi wa haidrojeli kwa kiwango cha maabara, majaribio ya adsorbsioni ya kundi, adsorbsioni shindani ya ioni nyingi, uregeneshaji wa adsorbsioni–desorbsioni na adsorbsioni ya tabaka lisilosogea yenye mzunguko uliofungwa.

Mbinu ya kihesabu: DFT kwa kutumia Gaussian 16; ulinganisho wa nishati huru ya Gibbs ya miitikio ya Hantzsch na nishati za kufungamana za metali–ligandi katika klasta rahisi za haidrojeli s-H2/s-H3.

Tabia: ¹H NMR, FT-IR, SEM–EDS na XPS.

Upimaji wa uchanganuzi wa metali: ICP-OES.

Marudio: Imeelezwa kuwa majaribio ya adsorbsioni yalifanywa kwa marudio matatu na thamani za wastani ziliripotiwa.

Kikomo cha Supplementary Information: PDF kuu inaelekeza kwenye Supplementary Information kwa milinganyo ya kina ya modeli za PFO, PSO, difusheni ndani ya chembe, Langmuir, Freundlich na Temkin pamoja na baadhi ya vigezo vya hesabu za DFT. Kwa kuwa faili ya kurasa 39 iliyotolewa haina maudhui kamili ya nyongeza ya milinganyo S1–S7 na jedwali S1–S6, Verianla haijakamilisha thamani zinazokosekana kwa kutumia maarifa ya jumla.

Ufadhili: National Natural Science Foundation of China (No. 52463016), Yunnan Fundamental Research Projects (No. 202501AT070287) na Youth Talents Program of Yunnan Province [YNWR-QNBJ-2019-085].

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kwamba hakuna mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Hao Wang: mbinu, utafiti, rasimu ya kwanza; Chunfeng Yin: mbinu na utafiti; Zongzhen Wang: utafiti; Shaoyun Shan: mbinu; Hongying Su: ushauri, usimamizi wa mradi, mapitio na uhariri.

Upatikanaji wa data: Hakuna tamko tofauti la “Data Availability” katika PDF iliyotolewa.

Kutofautiana muhimu ndani ya chanzo: Katika sehemu ya Mbinu, uchunguzi wa dozi umeorodheshwa kama 0,1; 0,2; 0,4; 0,6 na 1,0 g·L⁻¹, huku katika sehemu ya Matokeo 0,3 g·L⁻¹ ikichaguliwa kuwa dozi bora. Jambo hili halijaelezwa katika chanzo na halijasahihishwa kimya kimya.

Kikomo cha tafsiri ya DFT: Katika modeli ya s-H3, Pb(II) ina nishati ya kufungamana iliyo hasi zaidi miongoni mwa ioni zilizojaribiwa. Katika modeli ya s-H2, thamani iliyohesabiwa kwa Mg²⁺ ni hasi kidogo zaidi kuliko ya Pb(II). Waandishi wanahusisha hali hii na uwakilishi usiokamilika wa mazingira ya uratibu na klasta ndogo.