Zn-H₃btc, дар ин таҳқиқот чаҳорчӯбаи металлӣ-органикии руҳ-тримезат (metal–organic framework, MOF) мебошад, ки тавассути ба реаксия даровардани намаки руҳ бо лиганди кислотаи тримезин дар муҳити DMF омода шудааст. Дар таҳқиқот рафтори адсорбсияи ионҳои Pb(II) аз ҷониби Zn-H₃btc дар маҳлулҳои обии синтетикӣ бо тағйир додани консентратсияи ибтидоӣ, вақти тамос, pH, вояи адсорбент ва ҳарорат омӯхта шуда, маълумоти таҷрибавӣ тавассути изотермаҳои мувозинатӣ, моделҳои кинетикӣ ва муодилаҳои термодинамикӣ арзёбӣ шудааст.

Zn-H₃btc бо спектроскопияи инфрасурх бо табдили Фурйе (FTIR), микроскопияи электронии сканерӣ (SEM), спектроскопияи рентгении дисперсионии энергия (EDS), дифраксияи рентгении хока (PXRD), таҳлили термогравиметрӣ (TGA) ва таҳлили ҳосилавии термогравиметрӣ (DTG) тавсиф шудааст. Манбаъ хабар медиҳад, ки ин тавсифҳо фарқ доштани маҳсулоти синтезшуда аз кислотаи тримезин ва ташаккули сохтори нави чаҳорчӯбаи дорои руҳро дастгирӣ мекунанд.

Консентратсияи ибтидоии Pb(II) дар фосилаи 20–60 mg/L омӯхта шудааст. Дар манбаъ барои консентратсияҳои ибтидоии 20, 30, 40, 50 ва 60 mg/L фоизи адсорбсия мутаносибан %80,818; %53,786; %50,649; %51,417 ва %64,257 дода шудааст. Иқтидорҳои адсорбсияи дар ҳамон шароит ҳисобшуда 16,164; 16,136; 20,260; 25,709 ва 38,554 mg/g мебошанд. Ин рақамҳо нишон медиҳанд, ки фоизи хориҷкунӣ дар маҷмӯъ дар консентратсияҳои ибтидоии баландтар пасттар мемонад; баръакс, миқдори Pb-и ба воҳиди массаи адсорбент нигоҳдошташуда дар консентратсияҳои баланд меафзояд. Аммо раванд пурра монотонӣ нест: фоизи хориҷкунӣ пас аз 40 mg/L боз меафзояд, Qe бошад аз 20 mg/L то 30 mg/L коҳиши хеле хурд нишон медиҳад.

Дар таъсири pH хориҷкунии Pb(II) аз pH 3 то pH 6 афзуда, дар pH 6 ба қимати қуллаи %96,448 расидааст. Манбаъ фосилаи оптималии хориҷкуниро pH 5–7 меномад. Дар таҷрибаи вақти тамос манбаъ хабар медиҳад, ки дар шароити 40 mg/L Pb(II), тақрибан pH 6,9 ва 298 K барои анҷом ёфтани адсорбсия 10 дақиқа кофӣ аст.

Дар моделҳои мувозинатӣ изотермаи Langmuir бо \(R^2=0{,}9934\) баландтарин мутобиқатро нишон дода, иқтидори максималии адсорбсияи якқабата \(Q_m=54{,}05\) mg/g ҳисоб шудааст. Барои Freundlich \(R^2=0{,}9256\), барои Temkin \(R^2=0{,}9524\) гузориш шудааст. Аз ин рӯ, манбаъ рафтори Langmuir-ро бартаридошта медонад, аммо қайд мекунад, ки мутобиқати Freundlich-ро низ пурра нодида гирифтан мумкин нест.

Дар муқоисаи кинетикӣ гузориш шудааст, ки графикҳои zero-order, first-order, second-order ва pseudo-first-order мутобиқати хаттӣ надоштанд, дар ҳоле ки графики pseudo-second-order хаттӣ буд. Манбаъ инро ба нафъи хемосорбсия тафсир кардааст. Бо вуҷуди ин, мутобиқати модел мушоҳидаи мустақими пайванди химиявӣ нест; дар таҳқиқот тафсири хемосорбсия инчунин бо гармии баланди изостерикии адсорбсия дастгирӣ мешавад.

Дар ҳисобҳои термодинамикӣ қиматҳои \(\Delta G\) барои 290, 301 ва 311 K мутаносибан −20,34; −20,40 ва −20,45 kJ/mol гузориш шуда, манбаъ адсорбсияро худҷараён тафсир кардааст. Гармии изостерикии адсорбсия \(\Delta H_x=133{,}39\) kJ/mol, энергияи фаъолсозӣ \(E_a=14{,}42\) kJ/mol ва sticking probability \(S^*=0{,}014\) дода шудааст.

Таҳқиқот аз оби партови воқеии саноатӣ истифода накардааст. Тақсимоти андозаи ковокӣ, масоҳати сатҳи BET, андозаи миёнаи кристаллит, заряди сатҳ, регенератсияи адсорбент ва самаранокии истифодаи такрории бисёрдавра чен нашудаанд. Аз ин рӯ, таҳқиқот иқтидори адсорбсионии Zn-H₃btc-ро дар маҳлулҳои синтетикии назоратшавандаи Pb(II) нишон медиҳад; он худ ба худ самаранокии дарозмуддатро дар оби партови саноатӣ исбот намекунад.

Масъалаи асосии таҳқиқот чист?

Таҳқиқот ба хориҷкунии адсорбтивии ионҳои Pb(II) аз об бо истифода аз чаҳорчӯбаи металлӣ-органикӣ равона шудааст. Ионҳои сурб намудҳои металлии заҳрноканд, ки метавонанд дар муҳити обӣ ҳал шаванд ва дар системаҳои зинда ҷамъ шаванд. Муҳаққиқон ҳадаф гузоштаанд, ки иқтидори Zn-H₃btc-и бар асоси руҳ ва кислотаи тримезин омодашударо барои нигоҳ доштани ионҳои Pb(II) ва хусусиятҳои мувозинатӣ, суръатӣ ва термодинамикии ин нигоҳдориро муайян кунанд.

Чаҳорчӯбаҳои металлӣ-органикӣ шабакаҳои сахти васеъшуда мебошанд, ки марказҳои металлӣ ва лигандҳои органикӣ тавассути сохторҳои такрории координатсионӣ ташкил медиҳанд. Лиганди органикии дар ин таҳқиқот истифодашуда кислотаи тримезин, яъне benzene-1,3,5-tricarboxylic acid мебошад. Азбаски он се гурӯҳи кислотаи карбоксилӣ дорад, дорои ҷойҳои сершумори пайвастшавӣ мебошад, ки метавонанд бо марказҳои руҳ координатсия ташкил кунанд.

Zn-H₃btc чӣ гуна синтез карда шуд?

Манбаъ хабар медиҳад, ки дар тартиби синтез 2 g пайвастагии нитрати руҳ, 2 g кислотаи тримезин ва 40 mL N,N-dimethylformamide (DMF) истифода шудааст. Омехта то ҳал шудани ҷузъҳо омехта шуда, баъдан ба колбаи гирдқабат гузаронида ва таҳти омехтакунии доимӣ дар 100 °C барои 16 соат reflux карда шудааст.

Reflux усули гармкунӣ мебошад, ки дар он ҳалкунанда ҳангоми ҷӯшидан бухор шуда, дар сардкунанда конденсатсия мешавад ва боз ба зарфи реаксия бармегардад. Бо ин роҳ омехта метавонад муддати дароз дар ҳарорати баланд бидуни аз даст додани қисми зиёди ҳалкунанда нигоҳ дошта шавад.

Пас аз реаксия омехта то ҳарорати хона хунук карда шудааст; моддаи сахти сафеди ҳосилшуда филтр шуда, барои хориҷ кардани лиганди реаксиянакарда бо DMF шуста шудааст. Сипас моддаи сахт бо центрифугакунӣ бозпас гирифта шуда, барои хориҷ кардани DMF-и дар ковокиҳо/даруни моддаи сахт боқимонда чанд маротиба бо methanol шуста шудааст. Хокаи сафед дар 40 °C барои 1 соат хушк ва дар зарфи ҳавоногузар нигоҳ дошта шудааст.

Ёддошти формулаи химиявӣ дар дохили манбаъ: Дар рӯйхати реактивҳо zinc nitrate ҳамчун Zn(NO₃)₂ навишта шудааст. Дар тартиби синтез бошад, ҳамин моддаи ибтидоӣ ба шакли “ZnNO₃·6H₂O” дода шудааст. Манбаъ ин фарқи формуларо шарҳ намедиҳад. Аз ин рӯ, Verianla хомӯшона формулаи дигарро интихоб намекунад.

FTIR чӣ нишон дод?

Ченкунии FTIR бо спектрометри Perkin-Elmer Spectrum 400 Model FT-IR/FT анҷом дода шудааст. Қобилияти ҷудокунии спектралӣ 4,0 cm⁻¹, фосилаи ченкунӣ 4000–520 cm⁻¹ мебошад.

Манбаъ фарқ доштани спектри Zn-H₃btc аз спектри кислотаи тозаи тримезин ва тасмаҳои нав/ҷойивазшударо ҳамчун нишондиҳандаи ташаккули маҳсулоти нав байни руҳ ва лиганд тафсир мекунад. FTIR худ ба худ тамоми сохтори сеандозаи MOF-ро ҳал намекунад; дар ин ҷо он далели тавсифист, ки тағйироти гурӯҳи функсионалӣ ва муҳити пайвандро дастгирӣ мекунад.

SEM ва EDS чӣ нишон доданд?

Тасвирҳои SEM дар дастгоҳи Nova NanoSEM200 бо шиддати тезонандаи 10,0 kV гирифта шудаанд. Дар Расми 2-и манбаъ ду тасвир мавҷуд аст: яке бо миқёси 20 μm ва калонкунии 2840×, дигаре бо миқёси 10 μm ва калонкунии 4830×.

Матни манбаъ морфологияро бо ду ибораи гуногун тавсиф мекунад: аввал “кристаллҳои хурд, курашакл ва сатҳҳои ҳамвортар”, баъдан сохторҳои хурди “rod-like” гузориш мешаванд. Дар тасвирҳои воқеии SEM сохторе дида мешавад, ки аз зарраҳои зич, дарозшуда ва чӯбчамонанд/тасмашакл ташкил шудааст. Аз ин рӯ, Verianla яке аз ду ибораи манбаъро хомӯшона ҳазф намекунад.

Таҳлили EDS карбон, оксиген, руҳ ва миқдори ками калсийро нишон додааст.

Манбаъ %0,6 калсийро ҳамчун олудагии аз раванди синтез омада тафсир мекунад. Карбон, оксиген ва руҳ ҷузъҳои асосиро ташкил медиҳанд.

PXRD чӣ нишон дод?

Ченкуниҳои PXRD бо Shimadzu XRD-7000 MAXIma X diffractometer дар шароити 45 kV ва 40 mA анҷом дода шудаанд. Манбаъ дарозии мавҷро барои Cu Kα₁ 1,540598 ва барои Kα₂ 1,544426 медиҳад. Суръати скан 1 s/step, step size 0,03° мебошад.

Дар дифрактограммаи Zn-H₃btc байни 2θ = 10,8° ва 39,4° бисёр қуллаҳои тез мушоҳида шудаанд. Манбаъ барои Zn-H₃btc қуллаҳои нави хос, аз ҷумла 10,8°, 12,4°, 19,4°, 23,8° ва 27,9°-ро гузориш карда, фарқ доштани онҳоро аз намунаи кислотаи тозаи тримезин бо ташаккули маҳсулоти нав алоқаманд мекунад.

Барои кислотаи тозаи тримезин қуллаҳои 11°, 13°, 24°, 28° ва 30° мутаносибан ба ҳамвориҳои кристаллографии 010, 101, 020, 121 ва 310 нисбат дода шудаанд.

TGA ва DTG чӣ нишон доданд?

TGA дар дастгоҳи Perkin-Elmer TGA 4000 дар атмосфераи инертии nitrogen, аз ҳарорати муҳит то 900 °C бо суръати рампаи 10 °C/dk анҷом дода шудааст. Манбаъ шароити газро “3,2 bars flow rate” меномад. Bar воҳиди фишор аст; манбаъ воҳиди воқеии ҷараёни ҳаҷмӣ/массавии газро алоҳида намедиҳад. Аз ин рӯ, қимат аз нав тафсир нашудааст.

Манбаъ дар TGA минтақаҳои талафоти масса дар атрофи 94, 145, 265, 306, 495 ва 521 °C гузориш медиҳад. Зикр шудааст, ки талафоти баландтарини фоизӣ тақрибан %20 дар атрофи 521 °C рух дода, байни 521–900 °C массаи мавод устувортар шудааст.

Дар арзёбии DTG панҷ қулла дар 145, 265, 306, 495 ва 521 °C гузориш шудааст. Манбаъ ин ҳодисаҳоро “endothermic processes” меномад; аммо DTG ченкунии мустақими ҷараёни гармӣ нест, балки ҳосилаи суръати талафоти масса нисбат ба ҳарорат мебошад. Verianla номгузории манбаъро нигоҳ медорад ва DTG-ро ҳамчун ченкунии ҷудогонаи калориметрӣ пешниҳод намекунад.

Zn-H₃btc Барои Pb(II) Чӣ Қадар Иқтидори Адсорбсия Нишон Дод?

Иқтидори максималии адсорбсияи якқабата, ки аз модели Langmuir ҳисоб шудааст, 54,05 mg/g мебошад; қимати таҷрибавии Qe бошад, вақте консентратсияи ибтидоии Pb(II) 60 mg/L буд, дар манбаъ 38,554 mg/g дода шудааст, бинобар ин 54,05 mg/g нуқтаи ягонаи бевосита ченшуда дар таҷриба нест, балки параметри модели Langmuir мебошад.

Иқтидори адсорбсия Qe чӣ гуна ҳисоб шуд?

Манбаъ барои тавозуни масса дар batch adsorption Муодилаи (1)-ро истифода кардааст:

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

Формула чиро ҳисоб мекунад? Ҳангоми расидан ба мувозинат массаи Pb(II)-ро ҳисоб мекунад, ки аз ҷониби як грамм Zn-H₃btc-и хушк нигоҳ дошта шудааст.

• \(Q_e\): иқтидори адсорбсияи мувозинатӣ, mg/g.
• \(C_0\): консентратсияи ибтидоии Pb(II), mg/L.
• \(C_e\): консентратсияи Pb(II), ки пас аз мувозинат дар маҳлул боқӣ мемонад, mg/L.
• \(V\): ҳаҷми маҳлул, L.
• \(M\): массаи Zn-H₃btc-и хушки истифодашуда, g.

\((C_0-C_e)\) консентратсияи Pb-и аз маҳлул хориҷшуда мебошад. Зарб кардани он ба \(V\) массаи Pb-и адсорбсияшударо, тақсим ба \(M\) бошад иқтидорро барои воҳиди массаи адсорбент медиҳад.

Таъсири консентратсияи ибтидоӣ

Манбаъ изҳор мекунад, ки фоизи адсорбсия бо зиёд шудани консентратсияи ибтидоӣ “тамоюли коҳиш” дорад. Ҳангоми баррасии рақамҳои дақиқ, коҳиш дар байни 20–40 mg/L равшан аст; дар 50 ва 60 mg/L фоиз боз меафзояд. Аз ин рӯ, муносибат коҳиши монотонӣ нест.

Манбаъ инчунин мегӯяд, ки Qe бо афзоиши консентратсияи ибтидоӣ меафзояд. Дар маълумот аз қимати 16,164 mg/g дар 20 mg/L то 16,136 mg/g дар 30 mg/L коҳиши хеле хурд ҳаст; баъд аз он то 60 mg/L афзоиши равшан дида мешавад.

Таъсири pH

pH дар фосилаи 3–7 омӯхта шудааст. Манбаъ мегӯяд, ки адсорбсияи Pb(II) бо афзоиши pH то pH 6 баланд шуда, дар pH 6 ба %96,448 расидааст. Пас аз pH 6 фоизи адсорбсия коҳиш ёфтааст.

Манбаъ адсорбсияи пастро дар минтақаи pH-и паст ба он нисбат медиҳад, ки консентратсияи баланди H⁺ бо ионҳои Pb(II) барои ҷойҳои фаъоли адсорбент рақобат мекунад.

Барои коҳиш пас аз pH 6 муаллифон чунин тафсир медиҳанд, ки сатҳи MOF эҳтимолан пурра бо ионҳои Pb ишғол шудааст. Ин ишғолшавӣ бевосита бо спектроскопияи сатҳӣ чен нашудааст; он тафсири тамоюли таҷрибавии дар манбаъ додашуда мебошад.

Таъсири вақти тамос

Вақти тамос дар фосилаи 10–50 дақиқа санҷида шудааст. Дар таҷрибаҳо 20 mL маҳлул, 20 mg адсорбент ва 40 mg/L Pb(II) истифода шудааст.

Манбаъ хабар медиҳад, ки баландтарин адсорбсия дар 10 дақиқа ба амал омадааст ва ин вақти кӯтоҳ азхудкунии босуръати Pb(II)-ро нишон медиҳад. Дар бахши натиҷа ин шароит бо тақрибан pH 6,9 ва 298 K алоқаманд карда шудааст.

Таъсири вояи адсорбент

Миқдори адсорбент ба 10, 20, 30, 40 ва 50 mg тағйир дода шудааст. Манбаъ мегӯяд, ки фоизи хориҷкунӣ аз 10 mg то 40 mg афзуда, ҳангоми истифодаи 40 mg адсорбент ба %72,19 расидааст.

Дар бахши усул манбаъ маводи истифодашударо барои ин таҷриба дар як ҷой “H₃-btc” меномад; адсорбенти асосии мақола Zn-H₃btc мебошад. Verianla ин фарқи номгузориро ҳамчун ёддошти дохили манбаъ нигоҳ медорад.

Таъсири ҳарорат

Таҷрибаҳои ҳароратӣ дар 17, 28 ва 38 °C анҷом дода шудаанд. Дар ҳар як ҳарорат консентратсияҳои ибтидоии Pb(II) 20, 30, 40, 50 ва 60 mg/L истифода шудаанд.

Манбаъ гузориш медиҳад, ки бо баланд шудани ҳарорат фоизи адсорбсия коҳиш меёбад. Ин мушоҳида дар арзёбиҳои Temkin ва термодинамикӣ дар якҷоягӣ бо тафсири муаллифон оид ба хусусияти экзотермии адсорбсия баррасӣ шудааст.

Беҳтарин Мутобиқат Додани Изотермаи Langmuir Чӣ Маъно Дорад?

Аз се модели мувозинатии таҳқиқот модели Langmuir бо \(R^2=0{,}9934\) баландтарин мутобиқати хаттиро нишон дод; манбаъ инро чунин тафсир мекунад, ки адсорбсияро асосан бо фарзияи якқабата ва ҷойҳои пайвастшавии якхела шарҳ додан мумкин аст, аммо ҳамчунин қайд мекунад, ки бинобар қимати \(R^2=0{,}9256\)-и Freundlich саҳмҳои гетерогенӣ ё бисёрқабатаро пурра истисно кардан мумкин нест.

Модели Langmuir — Муодилаи (2)

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

• \(C_e\): консентратсияи мувозинатии Pb(II).
• \(Q_e\): иқтидори адсорбсияи мувозинатӣ.
• \(Q_m\): иқтидори максималии якқабатаи Langmuir.
• \(K_L\): доимии мувозинатии Langmuir.

Дар графики \(C_e/Q_e\) нисбат ба \(C_e\) нишебӣ муносибати \(1/Q_m\), буриш бошад \(1/(Q_mK_L)\)-ро ифода мекунад. Дар таҳқиқот \(Q_m=54{,}05\) mg/g ва \(K_L=3{,}85\) L/mg ҳисоб шудаанд.

Омили ҷудокунии Langmuir Sf — Муодилаи (3)

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

\(S_f\) беандоза аст. Мувофиқи таснифи манбаъ:

• \(S_f>1\): адсорбсияи номусоид,
• \(S_f=1\): адсорбсияи хаттӣ,
• \(0<S_f<1\): адсорбсияи мусоид,
• \(S_f=0\): адсорбсияи бебозгашт.

Дар байни 0 ва 1 будани ҳамаи қиматҳо нишон медиҳад, ки мувофиқи меъёри Langmuir-и манбаъ адсорбсия дар консентратсияҳои омӯхташуда мусоид аст.

Модели Freundlich — Муодилаи (4)

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

\(K_F\) дар манбаъ ҳамчун иқтидори адсорбсияи Freundlich ва \(n\) ҳамчун adsorption intensity/hopping number таъриф шудааст. Нишебии графики \(\ln Q_e\) нисбат ба \(\ln C_e\) \(1/n\), буриш бошад \(\ln K_F\) мебошад.

Дар таҳқиқот \(K_F=77{,}74\ \text{mg/g}\,(\text{L/mg})^{1/n}\) ва мувофиқи Ҷадвали 2 \(1/n=0{,}26\) дода шудааст. Матни асосӣ бошад ҳамин қиматро 0,25 менависад. Азбаски дар манбаъ ду қимати гуногун мавҷуд аст, Verianla қимати Ҷадвали 2-ро тағйир надода, фарқро ошкоро зикр кардааст.

Модели Temkin — Муодилаи (5)

Дар манбаъ Муодилаи (5) ба шакли зер чоп шудааст:

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

Огоҳии муодилаи дохили манбаъ: рамзи \(i\) дар махраҷи ҳади дуюм дар матн таъриф нашудааст. Манбаъ танҳо \(K_T\), \(B_T\), \(R\) ва \(T\)-ро таъриф мекунад. Аз ин рӯ, дар ин ҷо \(i\) бо рамзи дигар иваз нашудааст.

• \(R\): universal gas constant.
• \(T\): absolute temperature.
• \(K_T\): Temkin isotherm constant.
• \(B_T\): доимии Temkin, ки дар манбаъ бо adsorption heat алоқаманд карда шудааст.

Дар Ҷадвали 2 \(K_T=5{,}459\) L/g, \(B_T=66{,}26\) J/mol ва \(R^2=0{,}9524\) гузориш шудааст.

Гармии Temkin ва робитаи энталпия — Муодилаи (6)

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

Манбаъ қимати мусбати \(B_T=66{,}26\) J/mol-ро бо коҳиши гармии адсорбсия ва аз ин рӯ бо рафтори экзотермӣ алоқаманд мекунад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Тарҳи таҷрибаи batch adsorption

Таҷрибаҳои адсорбсия бо истифода аз Labcon 3100U orbital shaker дар 100 rpm анҷом дода шудаанд. Консентратсияҳои ниҳоии Pb(II) бо Buck Scientific 200A Atomic Absorption/Emission Spectrophotometer муайян карда шудаанд.

Ҳар як таҷрибаи параметрӣ бо ду такрор иҷро шуда, қимати миёна истифода шудааст. Манбаъ инҳирофи стандартӣ, фосилаи эътимод ё қиматҳои ҷудогонаи байни такрорҳоро гузориш намедиҳад.

Формулаи маҳлули захиравӣ ва ёддошти консентратсия

Рӯйхати реактивҳо lead(II) nitrate-ро ҳамчун Pb(NO₃)₂ медиҳад. Дар бахши таҷрибаи batch бошад, ибораи “500 mg/L stock solution made by dissolving 500 mg of PbNO₃ salt ... in 1 L” мавҷуд аст.

Ин ибора бо ду сабаб аз ҷиҳати такроршавандагӣ номуайянӣ ба вуҷуд меорад: формулаи химиявӣ бо рӯйхати реактивҳо яксон нест ва ҳал кардани 500 mg намак дар 1 L, агар нисбат ба массаи иони металлӣ алоҳида табдил дода нашавад, мустақиман маънои 500 mg/L Pb(II)-и элементиро надорад. Азбаски манбаъ ҳисобкунии ҷудогонаи молярӣ/массавии ислоҳиро намедиҳад, Verianla чунин ҳисобро ихтироъ намекунад.

Моделҳои кинетикӣ

Манбаъ панҷ муодилаи кинетикиро истифода кардааст.

Zero-order — Муодилаи (7)

\[ Q_t=k_0t \]

\(Q_t\) иқтидори адсорбсия дар лаҳзаи \(t\) мебошад. \(k_0\) zero-order rate constant аст. Модел фарз мекунад, ки \(Q_t\) бо вақт хаттӣ тағйир меёбад.

First-order — Муодилаи (8)

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

\(C_t\) консентратсияи Pb(II)-и дар маҳлул боқимонда дар лаҳзаи \(t\) мебошад; \(C_0\) консентратсияи ибтидоӣ аст. Муносибати хаттии \(\ln C_t\)–\(t\) рафтори first-order-ро дастгирӣ мекунад.

Second-order — Муодилаи (9)

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

Дар ин шакл тағйироти хаттии \(1/C_t\) бо вақт мутобиқат ба модели second-order-ро нишон медиҳад.

Pseudo-first-order — Муодилаи (10)

Дар манбаъ муодила ба шакли зерин чоп шудааст:

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

Ёддошти муодилаи дохили манбаъ: манбаъ ифодаи \(Q_e-Q_t\)-ро дар дохили қавси логарифм нишон намедиҳад. Verianla бо истифода аз шакли маъмули адабиёт хомӯшона ислоҳ ворид накардааст.

Pseudo-second-order — Муодилаи (11)

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

Дар ин ҷо \(K_2\) pseudo-second-order rate constant, \(Q_e\) иқтидори мувозинатӣ ва \(Q_t\) иқтидор дар вақти муайян мебошад. Муносибати хаттӣ байни \(t/Q_t\) ва \(t\) нишон медиҳад, ки ин модел ба маълумоти таҷрибавӣ мувофиқ аст.

Мувофиқи манбаъ, графикҳои zero-, first-, second- ва pseudo-first-order хаттӣ набуданд, дар ҳоле ки графики pseudo-second-order хаттӣ ёфт шуд. Муаллифон ин натиҷаро ҳамчун нишондиҳандаи механизми хемосорбсия тафсир мекунанд.

Ҳудуди ин тафсир муҳим аст: мутобиқати бомуваффақияти модели pseudo-second-order рафтори суръати адсорбсияро шарҳ медиҳад; худ ба худ кадом пайванди химиявӣ дар сатҳ ба вуҷуд омадааст, бевосита нишон намедиҳад. Дар ин таҳқиқот тафсири хемосорбсия инчунин бо қимати баланди \(\Delta H_x\) дастгирӣ мешавад.

Диффузияи дохилизарравӣ — Муодилаи (12)

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

• \(K_i\): доимии суръати диффузияи дохилизарравӣ, mg/g·min^1/2.
• \(C\): доимии буриш, ки бо boundary-layer thickness алоқаманд аст.

Мувофиқи тафсири Weber–Morris, агар диффузияи дохилизарравӣ ягона марҳилаи маҳдудкунандаи суръат бошад, интизор меравад, ки графики \(Q_t\)–\(\sqrt{t}\) хаттӣ бошад ва аз ибтидои координатҳо гузарад.

Манбаъ мегӯяд, ки график хаттӣ нест ва аз ибтидои координатҳо намегузарад. Аз ин рӯ, хулоса шудааст, ки диффузияи дохилизарравӣ ягона механизми муайянкунандаи суръат нест. Қимати манфии \(K_i\) низ дар Ҷадвали 3 айнан ба ҳамин шакл гузориш шудааст; Verianla аломатро тағйир намедиҳад.

Равиши Clausius–Clapeyron — Муодилаи (13)

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

• \(\Delta H_x\): isosteric heat of adsorption.
• \(R\): доимии газ.
• \(T\): ҳарорати мутлақ.
• \(K\): доимие, ки дар манбаъ таъриф шудааст.

Аз нишебии графики \(\ln C_e\) нисбат ба \(1/T\) \(\Delta H_x\) ҳосил карда шудааст. Манбаъ \(\Delta H_x=133{,}39\) kJ/mol ва \(R^2=0{,}9998\)-ро гузориш медиҳад.

Равиши Arrhenius/sticking probability — Муодилаи (14)

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

\(\theta\) таносуби пӯшиши сатҳ мебошад. \(E_a\) activation energy, \(S^*\) sticking probability аст. Ин параметрҳо аз нишебӣ ва буриши графики \(\ln(1-\theta)\) нисбат ба \(1/T\) ҳисоб шудаанд.

Манбаъ \(E_a=14{,}42\) kJ/mol, \(S^*=0{,}014\) ва \(R^2=0{,}9978\)-ро медиҳад.

Мувофиқи таснифи худи манбаъ, қиматҳои \(E_a\) байни 5–40 kJ/mol бо physisorption алоқаманд карда мешаванд; \(0<S^*<1\) низ ҳамчун physisorption-predominant favorable sticking таъриф шудааст. Аз ин рӯ, ин ду нишондиҳанда худ ба худ ба нафъи хемосорбсия нестанд.

Van't Hoff — Муодилаи (15)

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

Манбаъ \(K_c\)-ро ҳамчун доимие таъриф мекунад, ки аз нисбати \(Q_e/C_e\) ҳосил шудааст. Нишебии графики \(\ln K_c\)–\(1/T\) бо \(\Delta H^0\), буриш бошад бо \(\Delta S^0\) алоқаманд карда шудааст.

Энергияи озоди Gibbs — Муодилаи (16)

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

Ин муодила тағйироти энергияи озоди Gibbs-ро тавассути ҳарорати \(T\), тағйироти энталпия \(\Delta H\) ва тағйироти энтропия \(\Delta S\) медиҳад. Мувофиқи тафсири манбаъ, \(\Delta G\)-и манфӣ нишон медиҳад, ки адсорбсия дар ҳароратҳои омӯхташуда худҷараён аст.

Номувофиқии математикии дохили манбаъ: Дар Ҷадвали 4 воҳиди чопшудаи \(\Delta H\) kJ/kmol аст, дар ҳоле ки \(\Delta G\) kJ/mol мебошад. Ғайр аз ин, агар аломати \(\Delta S=-0{,}0054\) kJ/K/mol айнан ба Муодилаи (16) гузошта шавад, бо баланд шудани ҳарорат бояд \(\Delta G\) камтар манфӣ гардад, аммо дар ҷадвал қиматҳои бештар манфӣ дода шудаанд. Verianla ин аломат ё воҳидро бо тахмин тағйир надодааст.

Адсорбсия физикӣ аст ё химиявӣ?

Нишондиҳандаҳои гуногуни манбаъ яксон ва комилан дар як самт нестанд.

• Мутобиқати кинетикии Pseudo-second-order аз ҷониби муаллифон ба нафъи хемосорбсия тафсир шудааст.
• Қимати \(\Delta H_x=133{,}39\) kJ/mol мувофиқи меъёри >80 kJ/mol, ки манбаъ истифода мебарад, дар фосилаи хемосорбсия қарор дорад.
• Баръакс, \(E_a=14{,}42\) kJ/mol мувофиқи таснифи 5–40 kJ/mol-и худи манбаъ дар фосилаи physisorption қарор дорад.
• \(S^*=0{,}014\), мувофиқи таснифи худи манбаъ \(0<S^*<1\) буда, аз ин рӯ дар минтақаи favorable sticking / physisorption-predominant қарор дорад.

Муаллифон ин таркибро ҳамчун “low activation chemisorption” тафсир карда, изҳор кардаанд, ки пайвастшавии Pb(II) метавонад тавассути ion exchange ё surface complexation сурат гирад. Ин ду механизм бевосита бо спектроскопия аз ҳам ҷудо карда нашудаанд; манбаъ онҳоро ҳамчун шарҳҳои эҳтимолӣ пешниҳод мекунад.

Оё Ин Таҳқиқот Самаранокии Оби Партови Воқеии Саноатиро Исбот Мекунад?

Не. Таҷрибаҳо дар маҳлулҳои обии дорои Pb(II), ки дар лаборатория омода шудаанд, анҷом дода шудаанд; матритсаи оби партови воқеии саноатӣ, рақобати бисёрметаллӣ, ифлоскунандаҳои органикӣ, таъсири намакҳои ҳалшуда, регенератсия, истифодаи бисёрдавра, кори колонна ё тасдиқи миқёси пилотӣ дар ин таҳқиқот санҷида нашудаанд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Моддаи сахти Zn-H₃btc бо истифода аз руҳ ва кислотаи тримезин синтез шудааст.
• Натиҷаҳои FTIR ва PXRD ташаккули маҳсулоти нави аз лиганди ибтидоӣ фарқкунандаро дастгирӣ мекунанд.
• EDS ҳамчун ҷузъҳои асосӣ C, O ва Zn-ро нишон дод; %0,6 Ca аз ҷониби манбаъ ҳамчун олудагӣ тафсир шуд.
• Zn-H₃btc Pb(II)-ро аз маҳлули обии синтетикӣ адсорбсия кардааст.
• Дар pH 6 дар манбаъ хориҷкунии %96,448 гузориш шудааст.
• Манбаъ фосилаи оптималии pH-ро 5–7 медиҳад.
• Langmuir дар байни се изотермаи муқоисашуда баландтарин қимати R²-ро дод.
• Иқтидори максималии якқабатаи Langmuir 54,05 mg/g ҳисоб шудааст.
• Модели Pseudo-second-order ба маълумоти кинетикӣ беҳтарин мутобиқатро таъмин кардааст.
• Графики диффузияи дохилизарравӣ аз ибтидои координатҳо нагузашт ва хаттӣ набуд; манбаъ инро ба он вобаста мекунад, ки диффузияи дохилизарравӣ ягона марҳилаи маҳдудкунандаи суръат нест.
• Қиматҳои гузоришшудаи ΔG манфӣ мебошанд ва манбаъ инро ҳамчун адсорбсияи худҷараён тафсир кардааст.
• Гармии изостерикии адсорбсия 133,39 kJ/mol мебошад.
• Бо баланд шудани ҳарорат фоизи адсорбсия коҳиш ёфт.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

• Тасдиқ нашудааст, ки Zn-H₃btc дар оби партови воқеии саноатӣ ҳамон самаранокиро нишон медиҳад.
• Адсорбсияи рақобатии ионҳои бисёрметаллӣ санҷида нашудааст.
• Регенератсия ё истифодаи такрории бисёрдавраи адсорбент санҷида нашудааст.
• Масоҳати хоси сатҳи BET чен нашудааст.
• Тақсимоти андозаи ковокӣ муайян нашудааст.
• Андозаи миёнаи кристаллит ҳисоб нашудааст.
• Заряди сатҳ ё zeta potential чен нашудааст.
• Бевосита муайян нашудааст, ки пайвастшавии Pb маҳз ion exchange аст ё surface complexation.
• Таҷрибаи заҳрнокӣ гузаронида нашудааст; ибораи “low toxicity” бевосита бо санҷиши биологии заҳрнокӣ дар ин таҳқиқот тасдиқ нашудааст.
• Системаи адсорбсияи колоннавӣ ё ҷараёни пайваста санҷида нашудааст.
• Васеъкунии миқёс ба сатҳи пилотӣ ё саноатӣ анҷом дода нашудааст.
• Барои ду такрор инҳирофи стандартӣ, фосилаи эътимод ё санҷиши аҳамияти оморӣ гузориш нашудааст.

Муқоисаи адабиёт

Ин қиматҳои иқтидор набояд мустақиман ҳамчун рейтинги “кадом адсорбент беҳтар аст?” хонда шаванд. Худи манбаъ таъкид мекунад, ки шароити таҷриба байни адсорбентҳо ба таври назаррас фарқ мекунад. Масалан, дар баъзе таҳқиқоти муқоисавӣ консентратсияи ибтидоии Pb(II) ба 1000 mg/L ва вақти тамос то 1440 дақиқа мерасад. Барои Zn-H₃btc бошад, максималии консентратсияи ибтидоии омӯхташуда 60 mg/L ва вақти тамос дар ҷадвали муқоисавӣ 50 дақиқа мебошад.

Пешниҳодҳои манбаъ барои таҳқиқоти оянда

Муаллифон барои қавитар тасдиқ кардани қобили татбиқ будани Zn-H₃btc омӯзиши усулҳои аз ҷиҳати экологӣ беҳтари synthesis, махсусан равишҳои hydrothermal ё mechanochemical-ро пешниҳод мекунанд.

Илова бар ин, манбаъ ошкоро мегӯяд, ки ченкуниҳои зерин анҷом дода нашудаанд ва муайян кардани онҳо дар оянда муфид хоҳад буд:

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

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

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

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

Corresponding authors: Charity W. Dikio ва Samuel Ukachuku.

Саҳми баробар: Дар манбаъ изҳорот оид ба ҳаммуаллифии якум ё саҳми баробар вуҷуд надорад.

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

Маҷалла: Chemistry.

Ношир: MDPI, Basel, Switzerland.

Навъи манбаъ: Article; таҳқиқоти таҷрибавии batch adsorption ва adsorption-modeling дар миқёси лабораторӣ.

Ҷилд / шумора / рақами мақола: 8 / 9 / 120.

DOI: 10.3390/chemistry8090120.

Қабул барои баррасӣ: 25 июни 2026.

Бозбинӣ: 31 июли 2026.

Қабул: 6 августи 2026.

Нашр: 31 августи 2026.

Academic Editors: Lucian Baia ва Monica Baia.

Ҳолати тақриз: Chemistry маҷаллаи байналмилалии илмии тақризшаванда мебошад, ки аз ҷониби MDPI нашр мешавад.

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

Ҳолати preprint: Дар мақолаи манбаъ сабти алоҳидаи preprint нишон дода нашудааст.

Маблағгузорӣ: Center for Scientific and Industrial Research, South Africa; grant CSIR/VUT/209044845. Article processing charge аз ҷониби Vaal University of Technology маблағгузорӣ шудааст.

Дастрасии маълумот: Манбаъ хабар медиҳад, ки саҳмҳои аслӣ дар дохили мақола ва Supplementary Materials мавҷуданд; саволҳои иловагӣ метавонанд ба corresponding author равона карда шаванд.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон эълом кардаанд, ки бархӯрди манфиатҳо надоранд.

Сипосгузорӣ: Ба роҳбарияти Vaal University of Technology барои дастрасӣ ба захираҳои таҳқиқотӣ; ба Ezekiel Dixon Dikio барои дастгирии техникӣ ва саҳми таҷрибавӣ изҳори сипос шудааст.

Саҳмҳои муаллифон: 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.

Адсорбенти асосӣ: Pristine Zn-H₃btc zinc-trimesate metal-organic framework.

Адсорбати асосӣ: Иони Pb(II).

Усулҳои асосии тавсиф: FTIR, SEM, EDS, PXRD, TGA ва DTG.

Тағйирёбандаҳои асосии batch: консентратсияи ибтидоӣ, вақти тамос, pH, вояи адсорбент ва ҳарорат.

Натиҷаи асосии модел: Модели Langmuir бо R² = 0,9934 дар байни се изотермаи муқоисашуда баландтарин мутобиқатро нишон дод.

Иқтидори максималии модел: Qm = 54,05 mg/g.

Натиҷаи асосии кинетикӣ: Манбаъ модели кинетикии pseudo-second-order-ро ҳамчун модели аз ҳама мувофиқ муайян карда, ба нафъи хемосорбсия тафсир кардааст.

Натиҷаҳои асосии термодинамикӣ: ΔHx = 133,39 kJ/mol; Ea = 14,42 kJ/mol; S* = 0,014; қиматҳои ΔG, ки дар манбаъ дода шудаанд, барои 290, 301 ва 311 K мутаносибан −20,34, −20,40 ва −20,45 kJ/mol мебошанд.

Номувофиқии формула дар дохили манбаъ: Дар рӯйхати реактивҳо Pb(NO₃)₂, дар тавсифи маҳлули захиравӣ PbNO₃ навишта шудааст. Ба ҳамин монанд, формулаи zinc nitrate дар рӯйхати реактивҳо ва тавсифи синтез яксон навишта нашудааст.

Масъалаи муодилаи Temkin дар дохили манбаъ: Дар Муодилаи (5) дар махраҷи ҳади дуюм рамзи таърифнашудаи “i” мавҷуд аст.

Ёддошти муодилаи pseudo-first-order дар дохили манбаъ: Дар Муодилаи (10) ҳудуди қавси логарифм равшан нест; шакли манбаъ бе тағйир нигоҳ дошта шудааст.

Фарқи Freundlich дар дохили манбаъ: Матни асосӣ 1/n = 0,25, Ҷадвали 2 бошад 1/n = 0,26 гузориш медиҳад.

Номувофиқии термодинамикӣ дар дохили манбаъ: Дар Ҷадвали 4 воҳиди ΔH ҳамчун kJ/kmol чоп шудааст; ΔS манфӣ дода шудааст; бо вуҷуди ин, қиматҳои ΔG бо баланд шудани ҳарорат бештар манфӣ мешаванд. Номувофиқии мустақими ин рақамҳо бо Муодилаи (16) дар манбаъ шарҳ дода нашудааст.

Фарқи морфология дар дохили манбаъ: Дар муҳокимаи SEM Zn-H₃btc ҳам ҳамчун кристаллҳои хурди курашакл ва ҳам ҳамчун сохторҳои rod-like тавсиф шудааст.

Фарқи номгузории Supplementary Materials: Баъзе ҷадвалҳо дар тавсифи файлҳои дастгирӣ ҳамчун Zn-H₂btc номгузорӣ шудаанд; адсорбенти омӯхташуда дар мақолаи асосӣ Zn-H₃btc мебошад.

Маҳдудияти асосии методологӣ: Таҳқиқот оби партови воқеиро истифода накардааст; ченкуниҳои масоҳати сатҳ, тақсимоти ковокӣ, заряди сатҳ, андозаи кристаллит ва reusability-ро анҷом надодааст.

Ҳудуди механизм: Манбаъ тафсири хемосорбсияро бо кинетикаи pseudo-second-order ва гармии баланди изостерикӣ дастгирӣ мекунад; аммо таснифҳое, ки барои Ea ва S* истифода мебарад, инчунин нишондиҳандаҳои ба самти physisorption ишоракунандаро дар бар мегиранд. Ion exchange ва surface complexation ҳамчун механизмҳои эҳтимолӣ баррасӣ шудаанд, аммо ҷудокунии мустақими механизм анҷом дода нашудааст.

Ҳудуди ҷаҳони воқеӣ: Натиҷаҳо ба маҳлулҳои обии синтетикии назоратшавандаи Pb(II) тааллуқ доранд; онҳо самаранокии оби партови воқеии саноатӣ ё иншооти пилотӣ нестанд.