Zn-H₃btc, katika utafiti huu ni kiunzi cha metali-organiki cha zinki-trimesati (metal–organic framework, MOF) kilichotayarishwa kwa kuingiza chumvi ya zinki katika mmenyuko na ligandi ya asidi ya trimesiki katika mazingira ya DMF. Katika utafiti, tabia ya Zn-H₃btc ya kuadsorbu ioni za Pb(II) katika mimumunyo ya maji ya kisintetiki ilichunguzwa kwa kubadilisha mkusanyiko wa awali, muda wa kugusana, pH, dozi ya adsorbenti na joto, na data za majaribio zikatathminiwa kwa kutumia isothermu za usawa, modeli za kinetiki na milinganyo ya thermodinamiki.

Zn-H₃btc ilibainishwa kwa spectroscopy ya infrared ya Fourier transform (FTIR), microscopy ya elektroni ya kuchanganua (SEM), spectroscopy ya miale ya X ya kutawanya nishati (EDS), diffraction ya miale ya X ya poda (PXRD), uchanganuzi wa thermogravimetric (TGA), na uchanganuzi wa derivative thermogravimetric (DTG). Chanzo kinaripoti kuwa ubainishaji huu unaunga mkono kwamba bidhaa iliyosanishwa ni tofauti na asidi ya trimesiki na kwamba muundo mpya wa kiunzi chenye zinki umeundwa.

Mkusanyiko wa awali wa Pb(II) ulichunguzwa katika kiwango cha 20–60 mg/L. Katika chanzo, asilimia ya adsorpsheni kwa mikusanyiko ya awali ya 20, 30, 40, 50 na 60 mg/L imetolewa mtawalia kama %80,818; %53,786; %50,649; %51,417 na %64,257. Uwezo wa adsorpsheni uliokokotolewa katika masharti yale yale ni 16,164; 16,136; 20,260; 25,709 na 38,554 mg/g. Namba hizi zinaonyesha kwamba asilimia ya uondoaji kwa ujumla hubaki chini katika mikusanyiko ya awali iliyo juu zaidi; kinyume chake, kiasi cha Pb kinachoshikiliwa kwa kila kitengo cha massa ya adsorbenti huongezeka katika mikusanyiko ya juu. Hata hivyo, mwenendo si wa monotoni kabisa: asilimia ya uondoaji huongezeka tena baada ya 40 mg/L, huku Qe ikionyesha kupungua kidogo sana kutoka 20 mg/L hadi 30 mg/L.

Katika athari ya pH, uondoaji wa Pb(II) uliongezeka kutoka pH 3 hadi pH 6 na kufikia thamani ya kilele ya %96,448 katika pH 6. Chanzo kinaeleza kiwango bora cha uondoaji kuwa pH 5–7. Katika jaribio la muda wa kugusana, chanzo kinaripoti kuwa dakika 10 zinatosha kwa adsorpsheni kukamilika chini ya masharti ya 40 mg/L Pb(II), takriban pH 6,9 na 298 K.

Katika modeli za usawa, isothermu ya Langmuir ilitoa ulinganifu wa juu zaidi kwa \(R^2=0{,}9934\), na uwezo wa juu wa adsorpsheni wa tabaka moja \(Q_m=54{,}05\) mg/g ulikokotolewa. Kwa Freundlich \(R^2=0{,}9256\), na kwa Temkin \(R^2=0{,}9524\) ziliripotiwa. Kwa hiyo, chanzo kinaeleza kuwa tabia ya Langmuir ndiyo inayotawala, lakini pia kwamba ulinganifu wa Freundlich hauwezi kupuuzwa kabisa.

Katika ulinganisho wa kinetiki, iliripotiwa kuwa grafu za zero-order, first-order, second-order na pseudo-first-order hazikutoa ulinganifu wa mstari, ilhali grafu ya pseudo-second-order ilikuwa ya mstari. Chanzo kilitafsiri hili kuwa linaunga mkono chemisorption. Hata hivyo, ulinganifu wa modeli si uchunguzi wa moja kwa moja wa kifungo cha kikemia; katika utafiti huu tafsiri ya chemisorption pia inaungwa mkono na joto la juu la isosteric la adsorpsheni.

Katika hesabu za thermodinamiki, thamani za \(\Delta G\) kwa 290, 301 na 311 K ziliripotiwa mtawalia kuwa −20,34; −20,40 na −20,45 kJ/mol, na chanzo kilitafsiri adsorpsheni kuwa ya hiari. Joto la isosteric la adsorpsheni \(\Delta H_x=133{,}39\) kJ/mol, nishati ya uamilishaji \(E_a=14{,}42\) kJ/mol na sticking probability \(S^*=0{,}014\) zilitolewa.

Utafiti haukutumia maji taka halisi ya viwandani. Mgawanyo wa ukubwa wa vinyweleo, eneo la uso la BET, ukubwa wa wastani wa crystallite, chaji ya uso, urejeshaji wa adsorbenti na utendaji wa matumizi ya kurudia kwa mizunguko mingi havikupimwa. Kwa hiyo, utafiti unaonyesha uwezo wa Zn-H₃btc wa kuadsorbu katika mimumunyo ya Pb(II) ya kisintetiki iliyodhibitiwa; hauuthibitishi peke yake utendaji wake wa muda mrefu katika maji taka ya viwandani.

Tatizo kuu la utafiti ni nini?

Utafiti unalenga uondoaji wa kiadsorpsheni wa ioni za Pb(II) kutoka majini kwa kutumia kiunzi cha metali-organiki. Ioni za risasi ni aina za metali zenye sumu zinazoweza kuyeyuka katika mazingira ya maji na kujikusanya katika mifumo hai. Watafiti walilenga kubainisha uwezo wa Zn-H₃btc iliyotayarishwa kwa msingi wa zinki na asidi ya trimesiki wa kushikilia ioni za Pb(II), pamoja na sifa za usawa, kasi na thermodinamiki za ushikiliaji huu.

Viunzi vya metali-organiki ni mitandao imara iliyopanuliwa inayoundwa na vituo vya metali na ligandi za kikaboni kupitia miundo ya uratibu inayojirudia. Ligandi ya kikaboni iliyotumiwa katika utafiti huu ni asidi ya trimesiki, yaani benzene-1,3,5-tricarboxylic acid. Kwa kuwa ina vikundi vitatu vya asidi ya kaboksili, ina maeneo mengi ya kuunganika yanayoweza kuunda uratibu na vituo vya zinki.

Zn-H₃btc ilisanishwaje?

Chanzo kinaripoti kuwa katika utaratibu wa usanisi zilitumiwa 2 g ya kiwanja cha nitrate ya zinki, 2 g ya asidi ya trimesiki na 40 mL ya N,N-dimethylformamide (DMF). Mchanganyiko ulikorogwa hadi vijenzi viliyeyuka, kisha ukahamishiwa kwenye chupa ya chini mviringo na kufanyiwa reflux katika 100 °C kwa saa 16 chini ya ukorogaji endelevu.

Reflux ni mbinu ya kupasha joto ambayo huruhusu kiyeyushi kuvukiza kinapochemka, kuganda katika kondensa na kurudi katika chombo cha mmenyuko. Hivyo, mchanganyiko unaweza kuwekwa katika joto la juu kwa muda mrefu bila kupoteza kiasi kikubwa cha kiyeyushi.

Baada ya mmenyuko, mchanganyiko ulipozwa hadi joto la kawaida; dutu imara nyeupe iliyoundwa ilichujwa na kuoshwa kwa DMF ili kuondoa ligandi ambayo haikuitikia. Dutu imara ilipatikana tena kwa centrifugation na kuoshwa mara kadhaa kwa methanol ili kuondoa DMF iliyobaki katika vinyweleo/ndani ya dutu imara. Poda nyeupe ilikaushwa katika 40 °C kwa saa 1 na kuhifadhiwa katika chupa isiyopitisha hewa.

Dokezo la fomula ya kikemia ndani ya chanzo: Katika orodha ya vitendanishi zinc nitrate imeandikwa kama Zn(NO₃)₂. Katika utaratibu wa usanisi, dutu hiyo hiyo ya kuanzia imetolewa kwa namna ya “ZnNO₃·6H₂O”. Chanzo hakielezi tofauti hii ya fomula. Kwa hiyo, Verianla haichagui kimya kimya fomula tofauti.

FTIR ilionyesha nini?

Kipimo cha FTIR kilifanywa kwa spectrometer ya Perkin-Elmer Spectrum 400 Model FT-IR/FT. Azimio la spektra ni 4,0 cm⁻¹, na kiwango cha kipimo ni 4000–520 cm⁻¹.

Chanzo kinatafsiri tofauti ya spektra ya Zn-H₃btc na spektra ya asidi safi ya trimesiki, pamoja na bendi mpya/zilizohama, kuwa kiashiria cha kuundwa kwa bidhaa mpya kati ya zinki na ligandi. FTIR peke yake haitatui muundo wote wa pande tatu wa MOF; hapa ni ushahidi wa ubainishaji unaounga mkono mabadiliko ya kundi tendaji na mazingira ya kifungo.

SEM na EDS zilionyesha nini?

Picha za SEM zilipatikana kwa kifaa cha Nova NanoSEM200 katika volti ya kuharakisha ya 10,0 kV. Katika Kielelezo 2 cha chanzo kuna picha mbili: moja yenye kipimo cha 20 μm na ukuzaji wa 2840×, na nyingine yenye kipimo cha 10 μm na ukuzaji wa 4830×.

Maandishi ya chanzo yanaeleza morfolojia kwa kauli mbili tofauti: kwanza “fuwele ndogo, za mviringo na nyuso zilizo laini zaidi”, na baadaye miundo midogo ya “rod-like”. Katika picha halisi za SEM, unaonekana muundo unaoundwa na chembe zenye msongamano, zilizorefuka na zenye umbo la vijiti/mikanda. Kwa hiyo, Verianla haifuti kimya kimya mojawapo ya kauli hizo mbili za chanzo.

Uchanganuzi wa EDS ulionyesha kaboni, oksijeni, zinki na kiasi kidogo cha kalsiamu.

Chanzo kinatafsiri %0,6 ya kalsiamu kuwa uchafu unaotokana na mchakato wa usanisi. Kaboni, oksijeni na zinki ndio vijenzi vikuu.

PXRD ilionyesha nini?

Vipimo vya PXRD vilifanywa kwa Shimadzu XRD-7000 MAXIma X diffractometer chini ya masharti ya 45 kV na 40 mA. Chanzo kinatoa urefu wa wimbi wa Cu Kα₁ kuwa 1,540598 na wa Kα₂ kuwa 1,544426. Kasi ya uchanganuzi ni 1 s/step, step size 0,03°.

Katika difraktogramu ya Zn-H₃btc, vilele vingi vikali vilionekana kati ya 2θ = 10,8° na 39,4°. Chanzo kinaripoti vilele vipya vya tabia kwa Zn-H₃btc, vikiwemo 10,8°, 12,4°, 19,4°, 23,8° na 27,9°, na kuhusisha tofauti yake na muundo wa asidi safi ya trimesiki na kuundwa kwa bidhaa mpya.

Kwa asidi safi ya trimesiki, vilele vya 11°, 13°, 24°, 28° na 30° vilihusishwa mtawalia na ndege za crystallographic 010, 101, 020, 121 na 310.

TGA na DTG zilionyesha nini?

TGA ilifanywa kwa kifaa cha Perkin-Elmer TGA 4000 katika angahewa ya inert nitrogen, kutoka joto la mazingira hadi 900 °C kwa kasi ya ramp ya 10 °C/dk. Chanzo kinaeleza hali ya gesi kama “3,2 bars flow rate”. Bar ni kitengo cha shinikizo; chanzo hakitoi kitengo halisi cha mtiririko wa gesi kwa ujazo/massa. Kwa hiyo, thamani haijatafsiriwa upya.

Chanzo kinaripoti maeneo ya upotevu wa massa katika TGA karibu na 94, 145, 265, 306, 495 na 521 °C. Imeelezwa kuwa upotevu mkubwa zaidi wa asilimia, takriban %20, ulitokea karibu na 521 °C; na kwamba kati ya 521–900 °C massa ya nyenzo ilikuwa thabiti zaidi.

Katika tathmini ya DTG, vilele vitano viliripotiwa katika 145, 265, 306, 495 na 521 °C. Chanzo kinaita matukio haya “endothermic processes”; hata hivyo, DTG si kipimo cha moja kwa moja cha mtiririko wa joto bali ni derivative ya kasi ya upotevu wa massa kwa joto. Verianla inahifadhi jina la chanzo na haiwasilishi DTG kama kipimo tofauti cha calorimetry.

Zn-H₃btc Ilionyesha Uwezo Gani wa Adsorpsheni kwa Pb(II)?

Uwezo wa juu wa adsorpsheni wa tabaka moja uliokokotolewa kutoka modeli ya Langmuir ni 54,05 mg/g; thamani ya majaribio ya Qe katika chanzo ni 38,554 mg/g wakati mkusanyiko wa awali wa Pb(II) ni 60 mg/L, kwa hiyo 54,05 mg/g si nukta moja iliyopimwa moja kwa moja katika jaribio bali ni parameta ya modeli ya Langmuir.

Uwezo wa adsorpsheni Qe ulikokotolewaje?

Chanzo kilitumia Mlinganyo (1) kwa uwiano wa massa katika batch adsorption:

\[ Q_e=\frac{V}{M}(C_0-C_e) \]

Fomula hukokotoa nini? Hukokotoa massa ya Pb(II) inayoshikiliwa na gramu moja ya Zn-H₃btc kavu wakati usawa umefikiwa.

• \(Q_e\): uwezo wa adsorpsheni katika usawa, mg/g.
• \(C_0\): mkusanyiko wa awali wa Pb(II), mg/L.
• \(C_e\): mkusanyiko wa Pb(II) unaobaki katika mmumunyo baada ya usawa, mg/L.
• \(V\): ujazo wa mmumunyo, L.
• \(M\): massa ya Zn-H₃btc kavu iliyotumiwa, g.

\((C_0-C_e)\) ni mkusanyiko wa Pb uliotolewa kutoka katika mmumunyo. Kuuzidisha kwa \(V\) hutoa massa ya Pb iliyo adsorbishwa, na kugawanya kwa \(M\) hutoa uwezo kwa kila kitengo cha massa ya adsorbenti.

Athari ya mkusanyiko wa awali

Chanzo kinaeleza kuwa asilimia ya adsorpsheni ina “mwelekeo wa kupungua” kadiri mkusanyiko wa awali unavyoongezeka. Namba kamili zinapochunguzwa, kupungua ni dhahiri kati ya 20–40 mg/L; katika 50 na 60 mg/L asilimia huongezeka tena. Kwa hiyo, uhusiano si kupungua kwa monotoni.

Chanzo pia kinaeleza kwamba Qe huongezeka kadiri mkusanyiko wa awali unavyoongezeka. Katika data, kuna kupungua kidogo sana kutoka 16,164 mg/g katika 20 mg/L hadi 16,136 mg/g katika 30 mg/L; baada ya hapo kuna ongezeko dhahiri hadi 60 mg/L.

Athari ya pH

pH ilichunguzwa katika kiwango cha 3–7. Chanzo kinaeleza kuwa adsorpsheni ya Pb(II) iliongezeka kadiri pH ilivyoongezeka hadi pH 6 na kufikia %96,448 katika pH 6. Baada ya pH 6, asilimia ya adsorpsheni ilipungua.

Chanzo kinahusisha adsorpsheni ndogo katika eneo la pH ya chini na ushindani wa mkusanyiko mkubwa wa H⁺ na ioni za Pb(II) kwa maeneo tendaji ya adsorbenti.

Kwa kupungua baada ya pH 6, waandishi wanatoa tafsiri kwamba uso wa MOF huenda ulikuwa umejazwa kikamilifu na ioni za Pb. Ujazaji huu haukupimwa moja kwa moja kwa spectroscopy ya uso; ni tafsiri ya mwenendo wa majaribio uliotolewa katika chanzo.

Athari ya muda wa kugusana

Muda wa kugusana ulijaribiwa kati ya dakika 10–50. Majaribio yalitumia 20 mL ya mmumunyo, 20 mg ya adsorbenti na 40 mg/L Pb(II).

Chanzo kinaeleza kuwa adsorpsheni ya juu zaidi ilitokea katika dakika 10 na kwamba muda huu mfupi unaonyesha uchukuaji wa haraka wa Pb(II). Katika sehemu ya hitimisho, sharti hili lilihusishwa na takriban pH 6,9 na 298 K.

Athari ya dozi ya adsorbenti

Kiasi cha adsorbenti kilibadilishwa kuwa 10, 20, 30, 40 na 50 mg. Chanzo kinaeleza kuwa asilimia ya uondoaji iliongezeka kutoka 10 mg hadi 40 mg na kufikia %72,19 wakati 40 mg ya adsorbenti ilipotumiwa.

Katika sehemu ya mbinu, chanzo kinaita nyenzo iliyotumiwa kwa jaribio hili “H₃-btc” katika sehemu moja; adsorbenti kuu ya makala ni Zn-H₃btc. Verianla inahifadhi tofauti hii ya jina kama dokezo la ndani ya chanzo.

Athari ya joto

Majaribio ya joto yalifanywa katika 17, 28 na 38 °C. Katika kila joto, mikusanyiko ya awali ya Pb(II) ya 20, 30, 40, 50 na 60 mg/L ilitumika.

Chanzo kinaripoti kuwa asilimia ya adsorpsheni hupungua kadiri joto linavyoongezeka. Uchunguzi huu ulizingatiwa pamoja na tafsiri ya waandishi kwamba adsorpsheni ina tabia ya exothemiki katika tathmini za Temkin na thermodinamiki.

Isothermu ya Langmuir Kutoa Ulinganifu Bora Zaidi Kunamaanisha Nini?

Kati ya modeli tatu za usawa katika utafiti, modeli ya Langmuir ilionyesha ulinganifu wa mstari wa juu zaidi kwa \(R^2=0{,}9934\); chanzo kinatafsiri hili kuwa adsorpsheni inaweza kuelezwa kwa kiasi kikubwa kwa dhana ya tabaka moja na maeneo ya kuunganika yaliyo sawia, lakini pia kinaeleza kuwa michango yenye utofauti au ya tabaka nyingi haiwezi kuondolewa kabisa kutokana na thamani ya Freundlich ya \(R^2=0{,}9256\).

Modeli ya Langmuir — Mlinganyo (2)

\[ \frac{C_e}{Q_e}=\frac{1}{Q_mK_L}+\frac{C_e}{Q_m} \]

• \(C_e\): mkusanyiko wa Pb(II) katika usawa.
• \(Q_e\): uwezo wa adsorpsheni katika usawa.
• \(Q_m\): uwezo wa juu wa tabaka moja wa Langmuir.
• \(K_L\): konstanti ya usawa ya Langmuir.

Katika grafu ya \(C_e/Q_e\) dhidi ya \(C_e\), mteremko hubeba uhusiano wa \(1/Q_m\), na sehemu ya kukata hubeba uhusiano wa \(1/(Q_mK_L)\). Katika utafiti, \(Q_m=54{,}05\) mg/g na \(K_L=3{,}85\) L/mg zilikokotolewa.

Sababu ya kutenganisha ya Langmuir Sf — Mlinganyo (3)

\[ S_f=\frac{1}{1+K_LC_0} \]

\(S_f\) haina kipimo. Kulingana na uainishaji wa chanzo:

• \(S_f>1\): adsorpsheni isiyofaa,
• \(S_f=1\): adsorpsheni ya mstari,
• \(0<S_f<1\): adsorpsheni inayofaa,
• \(S_f=0\): adsorpsheni isiyoweza kurejea.

Kuwa kwa thamani zote kati ya 0 na 1 kunaonyesha kwamba, kwa mujibu wa kigezo cha Langmuir cha chanzo, adsorpsheni katika mikusanyiko iliyochunguzwa ni inayofaa.

Modeli ya Freundlich — Mlinganyo (4)

\[ \ln Q_e=\ln K_F+\frac{1}{n}\ln C_e \]

\(K_F\) imefafanuliwa katika chanzo kuwa uwezo wa adsorpsheni wa Freundlich, na \(n\) kuwa adsorption intensity/hopping number. Mteremko wa grafu ya \(\ln Q_e\) dhidi ya \(\ln C_e\) ni \(1/n\), na sehemu ya kukata ni \(\ln K_F\).

Katika utafiti, \(K_F=77{,}74\ \text{mg/g}\,(\text{L/mg})^{1/n}\) na, kwa mujibu wa Jedwali 2, \(1/n=0{,}26\) zimetolewa. Maandishi makuu yanaandika thamani hiyo hiyo kuwa 0,25. Kwa kuwa chanzo kina thamani mbili tofauti, Verianla haijabadilisha thamani ya Jedwali 2 na imeeleza tofauti hiyo wazi.

Modeli ya Temkin — Mlinganyo (5)

Katika chanzo, Mlinganyo (5) umechapishwa katika namna ifuatayo:

\[ Q_e=\frac{RT}{B_T}\ln C_e+\frac{RT}{i}\ln K_T \]

Onyo la mlinganyo ndani ya chanzo: alama \(i\) katika denominator ya muhula wa pili haijafafanuliwa katika maandishi. Chanzo kinafafanua tu \(K_T\), \(B_T\), \(R\) na \(T\). Kwa hiyo, \(i\) haijabadilishwa na alama nyingine hapa.

• \(R\): universal gas constant.
• \(T\): absolute temperature.
• \(K_T\): Temkin isotherm constant.
• \(B_T\): konstanti ya Temkin inayohusishwa katika chanzo na adsorption heat.

Katika Jedwali 2, \(K_T=5{,}459\) L/g, \(B_T=66{,}26\) J/mol na \(R^2=0{,}9524\) zimeripotiwa.

Joto la Temkin na uhusiano wa enthalpy — Mlinganyo (6)

\[ B_T=\Delta q=-\Delta H \]

Chanzo kinahusisha thamani chanya ya \(B_T=66{,}26\) J/mol na kupungua kwa joto la adsorpsheni na hivyo tabia ya exothemiki.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Mpangilio wa jaribio la batch adsorption

Majaribio ya adsorpsheni yalifanywa kwa kutumia Labcon 3100U orbital shaker katika 100 rpm. Mikusanyiko ya mwisho ya Pb(II) ilibainishwa kwa Buck Scientific 200A Atomic Absorption/Emission Spectrophotometer.

Kila jaribio la parameta lilifanywa kwa marudio mawili na thamani ya wastani ikatumika. Chanzo hakiripoti mkengeuko sanifu, kipindi cha kujiamini au thamani tofauti za marudio.

Fomula ya mmumunyo wa akiba na dokezo la mkusanyiko

Orodha ya vitendanishi inatoa lead(II) nitrate kama Pb(NO₃)₂. Katika sehemu ya jaribio la batch kuna kauli “500 mg/L stock solution made by dissolving 500 mg of PbNO₃ salt ... in 1 L”.

Kauli hii inaleta kutokuwa wazi kuhusu uwezo wa kurudia jaribio kwa sababu mbili: fomula ya kikemia si sawa na ile ya orodha ya vitendanishi, na kuyeyusha 500 mg ya chumvi katika 1 L hakumaanishi moja kwa moja 500 mg/L ya Pb(II) ya elementi isipokuwa ibadilishwe kando kwa kuzingatia massa ya ioni ya metali. Kwa kuwa chanzo hakitoi hesabu tofauti ya marekebisho ya molari/massa, Verianla haibuni hesabu hiyo.

Modeli za kinetiki

Chanzo kilitumia milinganyo mitano ya kinetiki.

Zero-order — Mlinganyo (7)

\[ Q_t=k_0t \]

\(Q_t\) ni uwezo wa adsorpsheni katika wakati \(t\). \(k_0\) ni zero-order rate constant. Modeli inadhania kwamba \(Q_t\) hubadilika kwa mstari kadiri muda unavyopita.

First-order — Mlinganyo (8)

\[ \ln C_t=\ln C_0-k_1t \]

\(C_t\) ni mkusanyiko wa Pb(II) unaobaki katika mmumunyo wakati \(t\); \(C_0\) ni mkusanyiko wa awali. Uhusiano wa mstari wa \(\ln C_t\)–\(t\) unaunga mkono tabia ya first-order.

Second-order — Mlinganyo (9)

\[ \frac{1}{C_t}=\frac{1}{C_0}+k_2t \]

Katika umbo hili, mabadiliko ya mstari ya \(1/C_t\) kwa muda yanaonyesha ulinganifu na modeli ya second-order.

Pseudo-first-order — Mlinganyo (10)

Katika chanzo, mlinganyo umechapishwa katika namna ifuatayo:

\[ \ln Q_e-Q_t=\ln Q_e-k_1t \]

Dokezo la mlinganyo ndani ya chanzo: chanzo hakionyeshi usemi \(Q_e-Q_t\) ndani ya mabano ya logariti. Verianla haikufanya marekebisho ya kimya kwa kutumia umbo linalotumika sana katika fasihi.

Pseudo-second-order — Mlinganyo (11)

\[ \frac{t}{Q_t}=\frac{1}{K_2Q_e^2}+\frac{t}{Q_e} \]

Hapa \(K_2\) ni pseudo-second-order rate constant, \(Q_e\) ni uwezo wa usawa na \(Q_t\) ni uwezo katika wakati maalum. Uhusiano wa mstari kati ya \(t/Q_t\) na \(t\) unaonyesha kuwa modeli hii inalingana na data za majaribio.

Kulingana na chanzo, grafu za zero-, first-, second- na pseudo-first-order hazikuwa za mstari, ilhali grafu ya pseudo-second-order ilikuwa ya mstari. Waandishi wanatafsiri matokeo haya kuwa kiashiria cha utaratibu wa chemisorption.

Mpaka wa tafsiri hii ni muhimu: ulinganifu mzuri wa modeli ya pseudo-second-order unaeleza tabia ya kasi ya adsorpsheni; hauonyeshi moja kwa moja ni kifungo gani cha kikemia kinachoundwa kwenye uso. Katika utafiti huu, tafsiri ya chemisorption pia inaungwa mkono na thamani ya juu ya \(\Delta H_x\).

Usambazaji ndani ya chembe — Mlinganyo (12)

\[ Q_t=K_i\sqrt{t}+C \]

• \(K_i\): konstanti ya kasi ya usambazaji ndani ya chembe, mg/g·min^1/2.
• \(C\): konstanti ya sehemu ya kukata inayohusishwa na boundary-layer thickness.

Kulingana na tafsiri ya Weber–Morris, ikiwa usambazaji ndani ya chembe ndio hatua pekee inayodhibiti kasi, grafu ya \(Q_t\)–\(\sqrt{t}\) inatarajiwa kuwa ya mstari na kupita kwenye asili.

Chanzo kinaeleza kuwa grafu si ya mstari na haipiti kwenye asili. Kwa hiyo, ilihitimishwa kuwa usambazaji ndani ya chembe si utaratibu pekee unaodhibiti kasi. Thamani hasi ya \(K_i\) pia imeripotiwa katika Jedwali 3 kwa namna hii hii; Verianla haibadilishi alama.

Mkabala wa Clausius–Clapeyron — Mlinganyo (13)

\[ \ln C_e=-\left[\frac{\Delta H_x}{R}\right]\frac{1}{T}+K \]

• \(\Delta H_x\): isosteric heat of adsorption.
• \(R\): konstanti ya gesi.
• \(T\): joto kamili.
• \(K\): konstanti iliyofafanuliwa katika chanzo.

Kutoka kwenye mteremko wa grafu ya \(\ln C_e\) dhidi ya \(1/T\), \(\Delta H_x\) ilitolewa. Chanzo kinaripoti \(\Delta H_x=133{,}39\) kJ/mol na \(R^2=0{,}9998\).

Mkabala wa Arrhenius/sticking probability — Mlinganyo (14)

\[ \ln(1-\theta)=\ln S^*+\left[\frac{E_a}{R}\right]\frac{1}{T} \]

\(\theta\) ni uwiano wa kufunikwa kwa uso. \(E_a\) ni activation energy, \(S^*\) ni sticking probability. Parameta hizi zilikokotolewa kutoka mteremko na sehemu ya kukata ya grafu ya \(\ln(1-\theta)\) dhidi ya \(1/T\).

Chanzo kinatoa \(E_a=14{,}42\) kJ/mol, \(S^*=0{,}014\) na \(R^2=0{,}9978\).

Kulingana na uainishaji wa chanzo chenyewe, thamani za \(E_a\) kati ya 5–40 kJ/mol zinahusishwa na physisorption; \(0<S^*<1\) pia hufafanuliwa kama physisorption-predominant favorable sticking. Kwa hiyo, viashiria hivi viwili peke yake haviungi mkono chemisorption.

Van't Hoff — Mlinganyo (15)

\[ \ln K_c=\frac{\Delta S^0}{R}-\frac{\Delta H^0}{R}\frac{1}{T} \]

Chanzo kinafafanua \(K_c\) kuwa konstanti inayotokana na uwiano wa \(Q_e/C_e\). Mteremko wa grafu ya \(\ln K_c\)–\(1/T\) umehusishwa na \(\Delta H^0\), na sehemu ya kukata imehusishwa na \(\Delta S^0\).

Nishati huru ya Gibbs — Mlinganyo (16)

\[ \Delta G=\Delta H-T\Delta S \]

Mlinganyo huu hutoa mabadiliko ya nishati huru ya Gibbs kupitia joto \(T\), mabadiliko ya enthalpy \(\Delta H\) na mabadiliko ya entropy \(\Delta S\). Kulingana na tafsiri ya chanzo, \(\Delta G\) hasi inaonyesha kuwa adsorpsheni ni ya hiari katika halijoto zilizochunguzwa.

Kutokuwiana kwa kihesabu ndani ya chanzo: Katika Jedwali 4, kitengo cha \(\Delta H\) kilichochapishwa ni kJ/kmol, ilhali \(\Delta G\) ni kJ/mol. Zaidi ya hayo, alama ya \(\Delta S=-0{,}0054\) kJ/K/mol ikiingizwa bila kubadilishwa katika Mlinganyo (16), \(\Delta G\) inatarajiwa kuwa hasi kidogo kadiri joto linavyoongezeka, lakini jedwali linatoa thamani zinazozidi kuwa hasi. Verianla haijabadilisha alama au kitengo hiki kwa kukisia.

Adsorpsheni ni ya kimwili au ya kikemia?

Viashiria tofauti vya chanzo haviko katika mwelekeo mmoja na sawa kabisa.

• Ulinganifu wa kinetiki wa Pseudo-second-order ulitafsiriwa na waandishi kuwa unaunga mkono chemisorption.
• Thamani ya \(\Delta H_x=133{,}39\) kJ/mol iko katika kiwango cha chemisorption kulingana na kigezo cha >80 kJ/mol kilichotumiwa na chanzo.
• Kinyume chake, \(E_a=14{,}42\) kJ/mol iko katika kiwango cha physisorption kulingana na uainishaji wa chanzo chenyewe wa 5–40 kJ/mol.
• \(S^*=0{,}014\), kulingana na uainishaji wa chanzo chenyewe, ni \(0<S^*<1\) na hivyo iko katika eneo la favorable sticking / physisorption-predominant.

Waandishi walitafsiri mchanganyiko huu kama “low activation chemisorption” na kueleza kuwa kufungamana kwa Pb(II) kunaweza kutokea kupitia ion exchange au surface complexation. Taratibu hizi mbili hazikutenganishwa moja kwa moja kwa spectroscopy; chanzo kinaziwasilisha kama maelezo yanayowezekana.

Je, Utafiti Huu Unathibitisha Utendaji katika Maji Taka Halisi ya Viwandani?

Hapana. Majaribio yalifanywa katika mimumunyo ya maji yenye Pb(II) iliyotayarishwa maabara; matriksi halisi ya maji taka ya viwandani, ushindani wa metali nyingi, vichafuzi vya kikaboni, athari za chumvi zilizoyeyuka, urejeshaji, matumizi ya mizunguko mingi, uendeshaji wa kolamu au uthibitishaji wa kiwango cha majaribio ya pilot havikujaribiwa katika utafiti huu.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Dutu imara ya Zn-H₃btc ilisanishwa kwa kutumia zinki na asidi ya trimesiki.
• Matokeo ya FTIR na PXRD yanaunga mkono kuundwa kwa bidhaa mpya tofauti na ligandi ya kuanzia.
• EDS ilionyesha C, O na Zn kama vijenzi vikuu; %0,6 Ca ilitafsiriwa na chanzo kuwa uchafu.
• Zn-H₃btc iliadsorbu Pb(II) kutoka katika mmumunyo wa maji wa kisintetiki.
• Katika pH 6, uondoaji wa %96,448 uliripotiwa katika chanzo.
• Chanzo kinatoa kiwango bora cha pH kuwa 5–7.
• Langmuir ilitoa thamani ya R² ya juu zaidi kati ya isothermu tatu zilizolinganishwa.
• Uwezo wa juu wa tabaka moja wa Langmuir ulikokotolewa kuwa 54,05 mg/g.
• Modeli ya Pseudo-second-order ilitoa ulinganifu bora zaidi kwa data ya kinetiki.
• Grafu ya usambazaji ndani ya chembe haikupita kwenye asili na haikuwa ya mstari; chanzo kinahusisha hili na kwamba usambazaji ndani ya chembe si hatua pekee inayodhibiti kasi.
• Thamani za ΔG zilizoripotiwa ni hasi na chanzo kilitafsiri hili kuwa adsorpsheni ya hiari.
• Joto la isosteric la adsorpsheni ni 133,39 kJ/mol.
• Asilimia ya adsorpsheni ilipungua kadiri joto lilivyoongezeka.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono

• Haijathibitishwa kuwa Zn-H₃btc itaonyesha utendaji sawa katika maji taka halisi ya viwandani.
• Adsorpsheni shindani ya ioni nyingi za metali haikujaribiwa.
• Urejeshaji wa adsorbenti au matumizi ya kurudia kwa mizunguko mingi hayakujaribiwa.
• Eneo mahususi la uso la BET halikupimwa.
• Mgawanyo wa ukubwa wa vinyweleo haukubainishwa.
• Ukubwa wa wastani wa crystallite haukukokotolewa.
• Chaji ya uso au zeta potential haikupimwa.
• Haikubainishwa moja kwa moja kama kufungamana kwa Pb ni ion exchange au surface complexation.
• Jaribio la sumu halikufanywa; kauli “low toxicity” haikuthibitishwa moja kwa moja na jaribio la sumu ya kibiolojia katika utafiti huu.
• Mfumo wa adsorpsheni wa kolamu au mtiririko endelevu haukujaribiwa.
• Upanuzi wa kiwango cha pilot au viwandani haukufanywa.
• Kwa marudio mawili, mkengeuko sanifu, kipindi cha kujiamini au jaribio la umuhimu wa kitakwimu halikuripotiwa.

Ulinganisho wa fasihi

Thamani hizi za uwezo hazipaswi kusomwa moja kwa moja kama mpangilio wa “adsorbenti ipi ni bora?”. Chanzo chenyewe kinasisitiza kuwa masharti ya majaribio hutofautiana sana kati ya adsorbenti. Kwa mfano, katika baadhi ya tafiti za ulinganisho, mkusanyiko wa awali wa Pb(II) hufikia 1000 mg/L na muda wa kugusana hadi dakika 1440. Kwa Zn-H₃btc, mkusanyiko wa juu wa awali uliotathminiwa ni 60 mg/L na muda wa kugusana katika jedwali la ulinganisho ni dakika 50.

Mapendekezo ya chanzo kwa tafiti zijazo

Waandishi wanapendekeza kuchunguza mbinu za synthesis zenye urafiki zaidi kwa mazingira, hasa mikabala ya hydrothermal au mechanochemical, ili kuthibitisha kwa nguvu zaidi uwezekano wa matumizi ya Zn-H₃btc.

Zaidi ya hayo, chanzo kinaeleza wazi kwamba vipimo vifuatavyo havikufanywa na kwamba kuvibainisha katika siku zijazo kutakuwa na manufaa:

• pore size distribution,
• average crystallite size,
• surface area,
• surface charge,
• reusability,
• uwezo wa multi-stage wastewater treatment.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Kichwa asili: Thermodynamics, Equilibrium and Kinetic Evaluation of Lead Ion Interactions on Zinc Salt of Trimesic Acid MOF in Aqueous Solution

Waandishi: Charity W. Dikio; Samuel Ukachuku; Fanyana M. Mtunzi.

Corresponding authors: Charity W. Dikio na Samuel Ukachuku.

Mchango sawa: Hakuna taarifa ya uandishi wa kwanza wa pamoja au mchango sawa katika chanzo.

Taasisi: Department of Chemistry, Vaal University of Technology, Vanderbijlpark, South Africa; Department of Pure and Industrial Chemistry, University of Africa, Toru-Orua, Bayelsa, Nigeria.

Jarida: Chemistry.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Aina ya chanzo: Article; utafiti wa majaribio wa batch adsorption na adsorption-modeling katika kiwango cha maabara.

Juzuu / toleo / namba ya makala: 8 / 9 / 120.

DOI: 10.3390/chemistry8090120.

Ilipokelewa: 25 Juni 2026.

Marekebisho: 31 Julai 2026.

Ilikubaliwa: 6 Agosti 2026.

Ilichapishwa: 31 Agosti 2026.

Academic Editors: Lucian Baia na Monica Baia.

Hali ya mapitio ya kitaalamu: Chemistry ni jarida la kimataifa la kisayansi linalopitiwa na wataalamu na kuchapishwa na MDPI.

Leseni: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

Hali ya preprint: Hakuna rekodi tofauti ya preprint iliyotajwa katika makala ya chanzo.

Ufadhili: Center for Scientific and Industrial Research, South Africa; grant CSIR/VUT/209044845. Article processing charge ilifadhiliwa na Vaal University of Technology.

Upatikanaji wa data: Chanzo kinaeleza kwamba michango asili ipo ndani ya makala na Supplementary Materials; maswali ya ziada yanaweza kuelekezwa kwa corresponding author.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kuwa hawana mgongano wa maslahi.

Shukrani: Uongozi wa Vaal University of Technology umeshukuriwa kwa kutoa ufikiaji wa rasilimali za utafiti; Ezekiel Dixon Dikio kwa msaada wa kiufundi na mchango wa uzoefu.

Michango ya waandishi: Conceptualization: F.M.M., C.W.D.; methodology: C.W.D.; software: C.W.D.; validation: C.W.D., F.M.M., S.U.; formal analysis: C.W.D., S.U.; investigation: C.W.D., S.U.; resources: C.W.D., F.M.M., S.U.; data curation: C.W.D., S.U.; writing—original draft: C.W.D., S.U.; writing—review and editing: C.W.D., F.M.M., S.U.; visualization: C.W.D., S.U.; supervision: F.M.M.; project administration: C.W.D., S.U.; funding acquisition: F.M.M.

Adsorbenti kuu: Pristine Zn-H₃btc zinc-trimesate metal-organic framework.

Adsorbati kuu: Ioni ya Pb(II).

Mbinu kuu za ubainishaji: FTIR, SEM, EDS, PXRD, TGA na DTG.

Vigezo vikuu vya batch: mkusanyiko wa awali, muda wa kugusana, pH, dozi ya adsorbenti na joto.

Matokeo makuu ya modeli: Modeli ya Langmuir ilitoa ulinganifu wa juu zaidi kati ya isothermu tatu zilizolinganishwa, kwa R² = 0,9934.

Uwezo wa juu wa modeli: Qm = 54,05 mg/g.

Matokeo makuu ya kinetiki: Chanzo kilibainisha modeli ya kinetiki ya pseudo-second-order kuwa modeli inayofaa zaidi na kuitafsiri kuwa inaunga mkono chemisorption.

Matokeo makuu ya thermodinamiki: ΔHx = 133,39 kJ/mol; Ea = 14,42 kJ/mol; S* = 0,014; thamani za ΔG zilizotolewa katika chanzo kwa 290, 301 na 311 K ni −20,34, −20,40 na −20,45 kJ/mol mtawalia.

Kutokuwiana kwa fomula ndani ya chanzo: Orodha ya vitendanishi ina Pb(NO₃)₂, ilhali maelezo ya mmumunyo wa akiba yana PbNO₃. Vivyo hivyo, fomula ya zinc nitrate haijaandikwa sawa katika orodha ya vitendanishi na maelezo ya usanisi.

Tatizo la mlinganyo wa Temkin ndani ya chanzo: Katika Mlinganyo (5), kuna alama “i” isiyofafanuliwa katika denominator ya muhula wa pili.

Dokezo la mlinganyo wa pseudo-first-order ndani ya chanzo: Katika Mlinganyo (10), mpaka wa mabano ya logariti hauko wazi; umbo la chanzo limehifadhiwa bila kubadilishwa.

Tofauti ya Freundlich ndani ya chanzo: Maandishi makuu yanaripoti 1/n = 0,25, huku Jedwali 2 likiripoti 1/n = 0,26.

Kutokuwiana kwa thermodinamiki ndani ya chanzo: Katika Jedwali 4, kitengo cha ΔH kimechapishwa kama kJ/kmol; ΔS imetolewa ikiwa hasi; licha ya hayo, thamani za ΔG zinazidi kuwa hasi kadiri joto linavyoongezeka. Kutolingana moja kwa moja kwa namba hizi na Mlinganyo (16) hakuelezwi katika chanzo.

Tofauti ya morfolojia ndani ya chanzo: Katika mjadala wa SEM, Zn-H₃btc inaelezwa kuwa na fuwele ndogo za mviringo na pia miundo ya rod-like.

Tofauti ya majina katika Supplementary Materials: Baadhi ya majedwali katika maelezo ya faili za nyongeza yameitwa Zn-H₂btc; adsorbenti inayochunguzwa katika makala kuu ni Zn-H₃btc.

Kizuizi kikuu cha kimetodolojia: Utafiti haukutumia maji taka halisi; haukufanya vipimo vya eneo la uso, mgawanyo wa vinyweleo, chaji ya uso, ukubwa wa crystallite na reusability.

Mpaka wa utaratibu: Chanzo kinaunga mkono tafsiri ya chemisorption kwa kinetiki ya pseudo-second-order na joto la juu la isosteric; hata hivyo, uainishaji unaotumiwa kwa Ea na S* pia una viashiria vinavyoelekea physisorption. Ion exchange na surface complexation zimejadiliwa kama taratibu zinazowezekana, bila kutenganishwa moja kwa moja kwa utaratibu.

Mpaka wa ulimwengu halisi: Matokeo yanahusu mimumunyo ya maji ya Pb(II) ya kisintetiki iliyodhibitiwa; si utendaji wa maji taka halisi ya viwandani wala wa mtambo wa pilot.