Dex@2-IM2 — β-кетоэстер менен модификацияланган декстранды имидазол-2-карбальдегид жана аммоний ацетаты менен Hantzsch реакциясы аркылуу кайчылаш байланыштырып даярдалган, Pb(II) байланышы үчүн негизинен имидазол азоту жана β-кетоэстер кычкылтеги баш болгон бир нече координациялык борборлорду камтыган көңдөйлүү декстран гидрогель адсорбенти. Изилдөөдө бул материалдын синтези жана түзүлүшү ¹H NMR, FT-IR, SEM–EDS жана XPS менен каралып; Pb(II) адсорбциясы партиялык тажрыйбалар, кинетикалык жана изотермалык моделдер, көп иондуу тандалмалуулук тажрыйбалары, регенерация, жабык айлампалуу динамикалык колонна тажрыйбасы жана тыгыздык функционалы теориясы (DFT) эсептөөлөрү менен бааланган. Langmuir моделинен 25 °C да эсептелген максималдуу Pb(II) адсорбциялык сыйымдуулугу 120,63 mg·g⁻¹ түзгөн. Бирок бардык тажрыйбалар лабораториялык масштабда даярдалган эритмелерде жүргүзүлгөн; изилдөө чыныгы өнөр жай агынды суусунда толук масштабдуу талаа натыйжалуулугун көрсөтпөйт.

Гидрогелди функционалдаштырууда имидазол изомеринин орду маанилүү экени аныкталган. IM-2-CHO колдонулган Dex@2-IM1 болжол менен 3 мүнөттө, реагент катышы жогору болгон Dex@2-IM2 болжол менен 1 мүнөттө гелге айланган, ал эми IM-4-CHO колдонулган Dex@4-IM1 үчүн болжол менен 25 мүнөт талап кылынган. DFT эсептөөлөрүндө Hantzsch реакциясынын Gibbs эркин энергиясынын өзгөрүшү IM-2-CHO үчүн −19,18 kcal·mol⁻¹, IM-4-CHO үчүн −15,44 kcal·mol⁻¹ деп эсептелген; көбүрөөк терс IM-2-CHO мааниси экспериментте байкалган тезирээк кайчылаш байланышууга шайкеш келген.

Pb(II) адсорбциясында Dex@2-IM2 салыштырылган имидазол камтыган гидрогелдердин арасында эң жогорку сыйымдуулукту көрсөткөн. pH жогорулаган сайын адсорбция көбөйүп, pH 5,3 болгондо 113,04 mg·g⁻¹ маанисине жеткен. Кинетикалык тажрыйбаларда тең салмак болжол менен 240 мүнөт ичинде орногон; pseudo-second-order моделинин R² маанилери 0,9974–0,9992 аралыгында болгон. Интрабөлүкчө диффузиясынын ийри сызыктары координата башынан өтпөгөнү ички көңдөй диффузиясы гана ылдамдыкты аныктоочу этап эмес экенин; тышкы беттик адсорбция менен ички диффузия бирге роль ойной турганын көрсөткөн.

Тандалмалуулук тажрыйбасында Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ жана Pb²⁺ иондорунун ар бири башында 120 mg·L⁻¹ болгондо Dex@2-IM2нин Pb(II) адсорбциялык сыйымдуулугу 67,125 mg·g⁻¹ болгон. Ошол эле шарттарда K⁺, Na⁺, Ca²⁺ жана Mg²⁺ үчүн тиешелүүлүгүнө жараша 0,73; 2,22; 5,04 жана 3,85 mg·g⁻¹ билдирилген. XPS жана DFT натыйжалары Pb(II) байланышуусунда имидазол шакегиндеги пиридиндик N менен β-кетоэстер топторундагы O атомдору негизги координациялык борборлор экенин, ал эми декстран каркасындагы O атомдору кошумча салым берерин колдогон.

Материалдын адсорбциялык сыйымдуулугу баштапкы 89,70 mg·g⁻¹ ден үч адсорбция–десорбция циклинин аягында 63,01 mg·g⁻¹ ге түшүп, баштапкы сыйымдуулуктун болжол менен %70,2 бөлүгү сакталган. Жабык айлампалуу циркуляциялык туруктуу катмар тажрыйбасында Pb(II) алып салуу 5 саатта %68,60, 9 саатта %90,48 жана 13 саатта %91,44 болгон. Бул динамикалык тажрыйба чыныгы үзгүлтүксүз агынды суу тазалоо линиясынын breakthrough сыноосу эмес; бул 50 mL синтетикалык Pb(II) эритмеси бир эле резервуар менен колоннанын ортосунда кайра-кайра айландырылган лабораториялык масштабдагы жабык айлампа системасы.

Изилдөө маселеси: Pb(II)ни башка иондордон тандап кармоо

Коргошун биологиялык жактан ажырабаган жана суу чөйрөсүндө топтолуп, азык чынжырына кире ала турган уулуу оор металл. Адсорбция эксплуатациялык татаалдыгынын төмөндүгү жана адсорбентти кайра колдонуу мүмкүнчүлүгү себептүү Pb(II) алып салууда кеңири изилденет. Бирок чыныгы же татаал агынды суу матрицаларында Na⁺, K⁺, Ca²⁺ жана Mg²⁺ сыяктуу иондор адсорбциялык борборлор үчүн атаандаша алышат. Ошондуктан жогорку жалпы сыйымдуулук гана эмес, Pb(II)ге карата химиялык тандалмалуулук да маанилүү.

Изилдөөнүн долбоордук идеясы — бир типтеги байланышуу борборунун ордуна бири-бирин толуктаган координациялык борборлорду бир гидрогель тармагына жайгаштыруу. Имидазол тобу пиридин тибиндеги N атому аркылуу Pb(II) координациясына салым кошсо, калган β-кетоэстер топтору жана декстран каркасындагы кычкылтек атомдору кошумча байланышуу борборлорун түзө алат. Ошентип адсорбция электростатикалык тартылууга гана эмес, көп борборлуу металл–лиганд координациясына таянгандай долбоорлонгон.

Декстран эмне үчүн ташуучу полимер катары колдонулган?

Декстран кайра жаралуучу полисахарид жана анын көп сандагы гидроксил топтору химиялык модификацияга мүмкүндүк берет. Изилдөөдө декстран адегенде tert-бутил ацетоацетат менен реакцияга киргизилип, β-кетоэстер топторун камтыган Dex-BAA прекурсоруна айландырылган. Андан кийин β-кетоэстер топтору Hantzsch көп компоненттүү реакциясында кайчылаш байланышуу чекиттери катары колдонулган.

Бул ыкма бир эле реакциялык этапта үч өлчөмдүү гидрогель тармагын түзүүгө да, имидазол топторун түзүлүшкө киргизүүгө да мүмкүнчүлүк берет.

Dex-BAA модификациясы кантип ырасталды?

¹H NMR спектринде β-кетоэстер тобуна тиешелүү метил протондору болжол менен 2,25 ppm де байкалган жана интеграция эсептөөсүнөн алмашуу даражасы DS = 1,41 деп табылган. Бул маани орточо эсеп менен ар бир глюкоза бирдигине болжол менен 1,41 β-кетоэстер тобу байланышканын билдирет.

FT-IR анализинде болсо баштапкы декстранда жок болгон болжол менен 1712 жана 1749 cm⁻¹ тилкелер пайда болгон; булак аларды тиешелүүлүгүнө жараша кетон жана эфир карбонил созулуусу менен байланыштырган.

Имидазол изомеринин орду эмне үчүн маанилүү болгон?

IM-2-CHO менен IM-4-CHO бирдей имидазол шакегине ээ болгонуна карабастан, альдегид тобунун орду Hantzsch реакциясындагы реактивдүүлүктү өзгөрткөн. Dex@2-IM1 болжол менен 3 мүнөттө гелге айланса, ошол эле негизги мол катышындагы Dex@4-IM1 болжол менен 25 мүнөттө гелге айланган. IM-2-CHO/NH₄OAc катышы жогорураак болгон Dex@2-IM2 болсо болжол менен 1 мүнөттө катуу гидрогель түзгөн.

DFT эсептөөлөрү эки реакциялык жол тең термодинамикалык жактан ыңгайлуу экенин көрсөткөн. Эсептелген Gibbs эркин энергиясынын өзгөрүшү IM-2-CHO үчүн −19,18 kcal·mol⁻¹, IM-4-CHO үчүн −15,44 kcal·mol⁻¹ болгон. Көбүрөөк терс IM-2-CHO мааниси эксперименттеги тезирээк гелденүүгө шайкеш.

Көңдөйлүү түзүлүш жана имидазол курамы кантип ырасталды?

Тоңдуруп кургатылган Dex@2-IM2 жана Dex@4-IM1 үлгүлөрүнүн SEM сүрөттөрү бири-бири менен байланышкан, губка сымал үч өлчөмдүү көңдөйлөрдү көрсөткөн. EDS карталарында азот тармак боюнча тараганы көрүнгөн. Dex@2-IM2 үчүн EDS азот курамы %14,03 атомдук, Dex@4-IM1 үчүн %6,20 атомдук деп билдирилген. Бул айырма IM-2-CHO жолундагы жогорураак реакциялык натыйжалуулукка шайкеш.

Dex@2-IM2нин XPS survey анализинде C, O жана N аныкталган; N курамы %11,19 атомдук болгон. Болжол менен 398,65 eV деги пиридиндик типтеги C=N–C компоненти имидазол борборлорунун түзүлүш ичинде бар экенине кошумча далил берген.

Dex@2-IM2 Гидрогели Pb(II)ни Кантип Кармайт?

Dex@2-IM2 Pb(II)ни бир гана беттик өз ара аракеттенүү менен эмес, негизинен имидазол шакегиндеги пиридиндик N жана β-кетоэстер карбонил/эфир O атомдору менен декстран каркасындагы жардамчы O атомдору бирге түзгөн көп борборлуу координациялык тармак аркылуу кармайт; XPS, FT-IR жана DFT натыйжалары бул байланышуу моделин биргелешип колдойт.

Pb(II) жүктөлгөндөн кийин XPS спектринде болжол менен 138,85 жана 143,68 eV де Pb 4f_7/2 жана Pb 4f_5/2 сигналдары байкалган. Имидазолдун C=N–C компонентинин байланышуу энергиясы 398,65 eV ден 398,78 eV ге жылган; булак муну пиридиндик N айланасындагы электрон тыгыздыгы Pb(II) координациясынан улам өзгөргөнүнүн көрсөткүчү катары чечмелеген.

Адсорбциядан кийин FT-IR де β-кетоэстер карбонилдерине тиешелүү 1749 жана 1712 cm⁻¹ тилкелеринин алсыроосу да карбонил кычкылтектеринин Pb(II) байланышуусуна катышканы тууралуу чечмелөөнү колдогон.

DFT менен оптималдаштырылган s-H2-Pb комплексинде имидазол N менен Pb ортосундагы аралык болжол менен 2,38 Å. β-кетоэстер O–Pb аралыктары болжол менен 2,47–2,50 Å, декстран гидроксил O атомдору менен Pb ортосундагы аралыктар болсо болжол менен 2,38 Å деп эсептелген. Булак бул аралыктарды бир нече гетероатом координацияга катышкан моделге шайкеш деп тапкан.

Адсорбциялык сыйымдуулук кантип эсептелген?

Убакыт \(t\) деги Pb(II) адсорбциялык сыйымдуулугу булакта төмөнкү теңдеме менен эсептелген:

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

Бул жерде \(q_t\) адсорбенттин бирдик массасына адсорбцияланган Pb(II) көлөмү болуп, mg·g⁻¹ бирдигинде берилет. \(C_0\) баштапкы Pb(II) концентрациясы, \(C_t\) болсо убакыт \(t\) деги концентрация жана mg·L⁻¹ менен колдонулат. \(V\) эритменин көлөмүн литр менен, \(m\) адсорбент массасын грамм менен билдирет.

Алып салуу натыйжалуулугу:

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

аркылуу эсептелген. Бул эки чоңдук бир эле нерсени өлчөбөйт: \(q_t\) адсорбенттин бирдик массасына туура келген жүктөмдү, \(RE\) болсо эритмеден алынган Pb(II) пайызын көрсөтөт. Ошондуктан адсорбент дозасы өскөндө жалпы алып салуу натыйжалуулугу өсүп, бирдик массага туура келген сыйымдуулук азайышы мүмкүн.

pH адсорбцияга кандай таасир этти?

Dex@2-IM2 үчүн pH 3,0–5,3 аралыгы изилденип, pH жогорулаган сайын адсорбциялык сыйымдуулук өскөн. pH 5,3 болгондо сыйымдуулук 113,04 mg·g⁻¹ ге жеткен.

Булак бул жүрүм-турумду төмөн pH шартында H⁺ иондору координациялык борборлор менен атаандашканы жана имидазол азоту протондолгону менен түшүндүрөт. pH жогорулаган сайын функционалдык топтордун электрон берүү жөндөмү жогорулап, Pb(II) координациясы жеңилдейт. pH 5,3 төн жогору Pb(OH)₂ чөгүп калуу ыктымалдыгынан улам изилденген эмес.

Адсорбент дозасы эмне үчүн сыйымдуулук менен алып салуу натыйжалуулугун карама-каршы багытта өзгөрттү?

Адсорбент дозасы 0,1 ден 1,0 g·L⁻¹ ге көбөйтүлгөндө бирдик массага туура келген адсорбциялык сыйымдуулук 151,30 дан 55,98 mg·g⁻¹ ге төмөндөп, алып салуу натыйжалуулугу жогорулаган. Жогорку адсорбент дозасында эритмеде көбүрөөк байланышуу борборлору болгондуктан жалпы Pb(II) алып салуу өсөт; бирок туруктуу Pb(II) көлөмү көбүрөөк адсорбент массасына бөлүштүрүлгөндүктөн бул борборлордун бир бөлүгү каныкпай калат жана mg·g⁻¹ сыйымдуулугу төмөндөйт.

Булак ичиндеги методдук эскертүү: Материал жана Метод бөлүмүндө изилденген адсорбент дозалары 0,1; 0,2; 0,4; 0,6 жана 1,0 g·L⁻¹ деп көрсөтүлгөн. Бирок Натыйжалар бөлүмүндө кийинки статикалык тажрыйбалар үчүн 0,3 g·L⁻¹ “оптималдуу” доза катары тандалган. Берилген негизги PDF 0,3 g·L⁻¹ чекити алгачкы дозалык скринингге кантип киргизилгенин түшүндүрбөйт. Verianla бул айырманы унчукпай оңдобойт.

Адсорбция кинетикасы эмнени көрсөттү?

Оптималдуу деп көрсөтүлгөн pH 5,3 жана 0,3 g·L⁻¹ адсорбент шарттарында 30, 60, 90 жана 120 mg·L⁻¹ баштапкы Pb(II) концентрациялары изилденген. Алгачкы болжол менен 120 мүнөттө адсорбция тез жүрүп, андан кийин ылдамдык азайган жана бардык сыналган концентрацияларда болжол менен 240 мүнөт ичинде тең салмакка жеткен.

Баштапкы концентрация 30 дан 120 mg·L⁻¹ ге көтөрүлгөндө эксперименттик тең салмак сыйымдуулугу 48,52 ден 91,48 mg·g⁻¹ ге өскөн.

Pseudo-second-order (PSO) кинетикалык модели бардык концентрацияларда \(R^2=0{,}9974-0{,}9992\) аралыгы менен pseudo-first-order моделине салыштырмалуу жакшыраак шайкештик көрсөткөн. Булак бул натыйжаны координацияга негизделген химиялык адсорбцияга шайкеш деп чечмелейт. Бирок PSOго жакшы шайкештик өз алдынча микроскопиялык реакция механизминин так далили эмес; изилдөөдөгү координациялык чечмелөө XPS, FT-IR жана DFT натыйжалары менен бирге негизделет.

Интрабөлүкчө диффузия графиктери эки сызыктуу аймак түзүп, сызыктар координата башынан өткөн эмес. Ошондуктан булак көңдөй ичиндеги диффузия жалгыз ылдамдыкты көзөмөлдөөчү этап эмес экенин; тез тышкы беттик адсорбциядан кийин жайыраак көңдөй ичиндеги ташуу жүрөрүн жыйынтыктаган.

Langmuir Сыйымдуулугу 120,63 mg·g⁻¹ Эмнени Билдирет?

120,63 mg·g⁻¹ — 25 °C деги изотерма маалыматтарына Langmuir модели колдонулуп алынган теориялык максималдуу бир катмарлуу адсорбциялык сыйымдуулук; бул ар бир тажрыйбада түз өлчөнгөн сыйымдуулук же чыныгы агынды сууда кепилденген эксплуатациялык сыйымдуулук эмес.

Адсорбция изотермалары 25, 35 жана 45 °C де жана 30–120 mg·L⁻¹ баштапкы Pb(II) концентрацияларында изилденген. Ар бир температурада тең салмак сыйымдуулугу баштапкы концентрация өскөн сайын жогорулаган, бирок 25–45 °C аралыгында температурага байланыштуу өзгөрүү салыштырмалуу чектелүү болгон.

Langmuir модели бардык температураларда \(R^2>0{,}997\) менен эң жогорку шайкештикти көрсөткөн. Freundlich модели да \(R^2>0{,}95\) деңгээлинде шайкештик көрсөтүп, \(1/n\) маанилери 0 менен 0,5 ортосунда болгон. Булак бул натыйжаларды Dex@2-IM2 бетинде негизинен бирдей энергиялуу борборлордо бир катмарлуу Pb(II) адсорбциясына шайкеш деп баалаган.

Dex@2-IM2 Pb(II)ни Башка Иондордон Канчалык Тандалма Бөлдү?

Аныкталган көп иондуу лабораториялык эритмеде Dex@2-IM2 Pb(II) үчүн 67,125 mg·g⁻¹ сыйымдуулук көрсөткөндө, K⁺, Na⁺, Ca²⁺ жана Mg²⁺ сыйымдуулуктары 0,73–5,04 mg·g⁻¹ аралыгында гана калган; бул натыйжа изилденген беш иондун арасында Pb(II)ге ачык артыкчылык бар экенин көрсөткөн.

Тандалмалуулук тажрыйбасы ар бир иондун баштапкы концентрациясы 120 mg·L⁻¹ болгон Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ жана Pb²⁺ камтыган аралаш эритмеде жүргүзүлгөн.

Бөлүштүрүү коэффициенти булакта:

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

деп аныкталган. \(q_e\) тең салмактагы адсорбциялык сыйымдуулукту mg·g⁻¹; \(C_e\) эритмеде калган тең салмак концентрациясын mg·L⁻¹ менен билдирет. 1000 көбөйткүчү натыйжаны mL·g⁻¹ бирдигине өткөрөт. Pb(II) үчүн \(K_d\) башка иондорго караганда ачык жогору болгон.

DFT Эсептөөлөрү Pb(II) Тандалмалуулугун Кантип Түшүндүрөт?

DFT эсептөөлөрү чоңураак s-H3 жергиликтүү гидрогель моделинде Pb(II) сыналган Na⁺, K⁺, Ca²⁺ жана Mg²⁺ иондоруна караганда көбүрөөк терс байланышуу энергиясына ээ экенин жана имидазол N менен β-кетоэстер O борборлоруна көп борборлуу координация түзөрүн көрсөткөн; бирок кичине s-H2 моделинде Mg²⁺нин эсептелген байланышуусу Pb(II)ден бир аз күчтүүрөөк болгондуктан эсептөөлөрдүн кластер өлчөмүнө сезгичтиги ачык көрүнөт.

Булактын байланышуу энергиясынын аныктамасы:

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

түрүндө. Булакта көбүрөөк терс \(\Delta E\) күчтүүрөөк байланышуу тенденциясы катары чечмеленет. Берилген PDF деталдуу DFT функционалы жана базистик топтом маалыматтарын Supplementary Information га жөнөтөт; бул кошумча эсептөө параметрлери негизги PDF ичинде жок болгондуктан Verianla тарабынан толукталган эмес.

Авторлор s-H3 моделин чыныгы гидрогелдин жергиликтүү координациялык чөйрөсүн жакшыраак чагылдырган чоңураак кластер катары баалашат. Бул моделде Pb(II) эсептелген эң күчтүү байланышка ээ жана эксперименттик тандалмалуулук менен бир багытта.

s-H2 моделинде болсо Mg²⁺ үчүн −62,57 kcal·mol⁻¹, Pb(II) үчүн −59,67 kcal·mol⁻¹ эсептелген. Булак бул тескери иретти кичине кластердин чектелген координациялык геометриясы Mg²⁺ сыяктуу кичине жана жогорку заряд тыгыздыгындагы иондордун электростатикалык өз ара аракеттенүүсүн ашыкча баалашы мүмкүн экени менен түшүндүрөт. Ошондуктан DFT натыйжасын “колдонулган ар бир моделде Pb(II) сөзсүз эң күчтүү байланышат” деп жалпылоого болбойт.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Материалдар жана Dex-BAA синтези

Баштапкы полимер — молекулалык массасы болжол менен 40.000 Da болгон Dextran T40. Dex-BAA синтезинде 4,0 g декстран 50 mL DMSO ичинде 80 mg·mL⁻¹ концентрацияда эритилип, 120 °C ге чейин ысытылган. tert-Бутил ацетоацетат t-BAA/кант бирдигинин мол катышы 6:1 боло тургандай кошулуп, реакция 2 саат улантылган.

Аралашма бөлмө температурасына чейин муздатылгандан кийин 2,0 L суусуз этанолго тамчылатып кошулуп продукт чөктүрүлгөн, чөкмө үч жолу этанол менен жуулуп, 40 °C де 24 саат вакуум астында кургатылган.

Имидазол менен функционалдаштырылган гидрогелдерди даярдоо

Dex-BAAнын 500 mg·mL⁻¹ суулуу эритмеси, 600 mg·mL⁻¹ NH₄OAc эритмеси жана DMSO ичиндеги 100 mg·mL⁻¹ IM-CHO эритмеси бөлмө температурасында аралаштырылган. Акыркы аралашмада Dex-BAA концентрациясы 130 mg·mL⁻¹ боло тургандай жөнгө салынган.

β-кетоэстер/IM-CHO/NH₄OAc мол катыштары 2:1:1 жана 2:4:4 болуп колдонулган. IM-2-CHO менен даярдалган продукттар Dex@2-IM, IM-4-CHO менен даярдалгандар Dex@4-IM деп аталган. Имидазол камтыбаган көзөмөл үчүн альдегид катары формальдегид колдонулуп, продукт Dex@HCHO деп аталган.

Мүнөздөмө берүүчү аспаптар

Партиялык адсорбция тажрыйбалары

Адсорбент 50 mL Pb(NO₃)₂ эритмесине кошулуп, 25 °C де 200 rpm менен чайкалган. Тандалган убактарда 3 mL үлгү алынып, 0,22 μm чыпкадан өткөрүлгөн жана калган Pb(II) ICP-OES менен өлчөнгөн.

Бардык адсорбция тажрыйбалары үч кайталануу менен жүргүзүлүп, орточо маанилер билдирилгени көрсөтүлгөн.

Изотерма тажрыйбалары

Изотерма изилдөөсүндө 15,0 mg Dex@2-IM2, 50 mL Pb(II) эритмесине кошулган. pH 5,3; баштапкы концентрациялар 30, 60, 90 жана 120 mg·L⁻¹; температуралар 25, 35 жана 45 °C; чайкоо убактысы 8 саат жана ылдамдыгы 200 rpm.

Маалыматтар Langmuir, Freundlich жана Temkin моделдери менен талданган. Негизги PDF колдонулган моделдердин деталдуу S4–S7 теңдемелерин Supplementary Information га шилтеме менен берет; берилген файлда бул кошумча теңдеме барактары жок болгондуктан теңдемелер булактан тышкаркы жалпы билим менен кайра жазылган эмес.

Тандалмалуулук тажрыйбасы

Аралаш ион эритмесинде Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ жана Pb²⁺ иондорунун ар бири 120 mg·L⁻¹ баштапкы концентрацияда даярдалган. 15,0 mg Dex@2-IM2, 50 mL эритмеге кошулуп, система 25 °C де 200 rpm менен 8 саат чайкалган.

Бул тажрыйба тандалмалуулукту бир иондуу Pb(II) эритмесинде гана эмес, төрт жогорку концентрациядагы атаандаш катион бар шартта да текшерүүгө мүмкүндүк берген. Бирок чыныгы өнөр жай агынды сууларында болушу мүмкүн болгон кыйла кеңири иондор, органикалык заттар, асма катуу бөлүкчөлөр жана pH өзгөрмөлүүлүгү бул тажрыйбада көрсөтүлгөн эмес.

Регенерация жана кайра колдонуу

Ар бир адсорбция циклинен кийин гидрогель де-ионизацияланган суу менен үч жолу жуулуп, андан соң 50 mL 0,1 M HNO₃ ичинде 2 саат кармалган. Үлгү нейтралдуу pH га чейин кайра жуулуп, 48 саат тоңдуруп кургатылган жана 40 °C де 24 саат вакуум астында кургатылып, кайра колдонулган.

Үчүнчү циклдин аягында баштапкы сыйымдуулуктун болжол менен %70,2 бөлүгү сакталган. Регенерацияланган Dex@2-IM2-R4 үлгүсүнүн FT-IR спектри негизги функционалдык топтор сакталганын, SEM болсо көңдөйлүү түзүлүш негизинен уланып турганын көрсөткөн. EDS анализинде %4,96 салмактык Pb калдыгы аныкталган.

Булак сыйымдуулуктун жоголушунун негизги себебин Pb(II) толук эмес десорбциясы деп чечмелейт. Калдык Pb(II) кайра колдонулуучу координациялык борборлордун бир бөлүгүн ээлеп, көңдөйлөрдөгү ташууну да жарым-жартылай чектей алат.

Динамикалык Колонна Тажрыйбасы Өнөр Жай Агынды Суун Тазалоону Далилдейби?

Жок. Изилдөөнүн динамикалык тажрыйбасы лабораториялык масштабдагы жабык айлампалуу циркуляциялык система; 50 mL синтетикалык Pb(II) эритмеси ошол эле резервуар менен 100 mg гидрогель камтыган кичине колоннанын ортосунда үзгүлтүксүз айландырылган, ошондуктан натыйжалар чыныгы өнөр жай агынды суусундагы бир өтмө breakthrough жүрүм-турумун же толук масштабдуу эксплуатациялык натыйжалуулукту өз алдынча далилдебейт.

Динамикалык системанын түзүлүшү

100 mg Dex@2-IM2 ички диаметри 6,0 mm жана катмар бийиктиги 2,5 cm болгон шприц колоннага толтурулган. Адсорбент жоголуп кетпеши үчүн колоннанын эки учу полиэтилен фриттер менен жабылган.

Баштапкы Pb(II) концентрациясы 60 mg·L⁻¹ болгон 50 mL эритме резервуарга салынып, перистальтикалык насос менен 2,0 mL·min⁻¹ туруктуу агым ылдамдыгында колоннадан өткөрүлүп кайра резервуарга кайтарылган.

Болжол менен 9 сааттан кийин алып салуу ийри сызыгы платого чыгып, 13 саатта %91,44 деңгээлинде калган. Булак бул платону адсорбент толугу менен каныкты деп эмес, жабык айлампа системасында адсорбция жана десорбция ылдамдыктары теңелди деп чечмелейт. Акыркы тең салмак эритмесиндеги Pb(II) концентрациясы 5,14 mg·L⁻¹ деп билдирилген.

Изилдөөнүн күчтүү жактары

• Материалдын дизайны сыйымдуулукка гана эмес, көп иондуу Pb(II) тандалмалуулугуна негизделген.
• Синтез–түзүлүш–натыйжалуулук байланышы NMR, FT-IR, SEM–EDS жана XPS сыяктуу бири-бирин толуктаган ыкмалар менен изилденген.
• Адсорбция механизми эксперименттик мүнөздөмө берүү жана DFT эсептөөлөрүн бирге колдонуу менен бааланган.
• Na⁺, K⁺, Ca²⁺ жана Mg²⁺ камтыган атаандаш система түздөн-түз сыналган.
• Материал бир жолку колдонууда гана эмес, үч адсорбция–десорбция циклинде жана жабык айлампалуу динамикалык колоннада да бааланган.
• Кичине s-H2 жана чоңураак s-H3 DFT моделдериндеги айырмачылыктар кластер моделин тандоонун эсептелген тандалмалуулукка таасирин көрүнүктүү кылат.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• Dex@2-IM2 изилдөөдө сыналган декстран гидрогелдеринин арасында Pb(II) үчүн жогорку адсорбциялык сыйымдуулук көрсөткөн.
• 25 °C Langmuir модели максималдуу сыйымдуулукту 120,63 mg·g⁻¹ деп эсептеген.
• Белгиленген беш иондуу системада Pb(II) адсорбциясы Na⁺, K⁺, Ca²⁺ жана Mg²⁺ ге салыштырмалуу ачык жогору.
• XPS, FT-IR жана DFT табылгалары имидазол N жана β-кетоэстер O атомдорунун Pb(II) координациясындагы борбордук ролун колдойт.
• Адсорбция маалыматтары сыналган шарттарда Langmuir жана pseudo-second-order моделдерине күчтүү шайкештик көрсөткөн.
• Үч кайра колдонуу циклинен кийин баштапкы сыйымдуулуктун %70,2 бөлүгү сакталган.
• Жабык айлампалуу лабораториялык системада 13 сааттын аягында %91,44 Pb(II) алып салууга жетишилген.

Изилдөө колдобогон жыйынтыктар жана чектөөлөр

• Изилдөө чыныгы өнөр жай агынды суусунун үлгүсүндө талаа текшерүүсүн жүргүзгөн эмес.
• Изилденген атаандаш иондор Na⁺, K⁺, Ca²⁺ жана Mg²⁺ менен чектелген; чыныгы агынды суулардагы бардык иондор жана органикалык булгоочулар сыналган эмес.
• Динамикалык тажрыйба жабык айлампалуу циркуляция; классикалык бир өтмө колонна breakthrough ийри сызыгы же узак мөөнөттүү өнөр жай кызмат мөөнөтү билдирилген эмес.
• Кайра колдонуу үч адсорбция–десорбция цикли ичинде гана сандык бааланган.
• Экономикалык масштабдоо, адсорбент өндүрүшүнүн наркы жана жашоо циклинин баалоосу бул булакта берилген эмес.
• DFT чыныгы полимер тармагынын баарын эмес, эки жана үч глюкоза бирдиктүү жөнөкөйлөштүрүлгөн жергиликтүү кластер моделдерин колдонот.
• s-H2 моделинде Mg²⁺нин эсептелген байланышуу энергиясы Pb(II)дикине караганда көбүрөөк терс; Pb(II) эң күчтүү байланышкан деген жыйынтык чоңураак s-H3 моделинде алынган.
• Булакта Supplementary Information га жөнөтүлгөн айрым DFT параметрлери, кинетикалык теңдемелер жана изотерма таблицалары берилген негизги PDF ичинде жок.
• Булактын адсорбент доза скрининги менен 0,3 g·L⁻¹ оптималдуу доза билдирүүсүнүн ортосунда түшүндүрүлбөгөн методдук айырма бар.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Түп нуска изилдөө: Imidazole and β-ketoester synergistically functionalized dextran hydrogel for efficient and selective Pb(II) adsorption.

Авторлор: Hao Wang, Chunfeng Yin, Zongzhen Wang, Shaoyun Shan жана Hongying Su.

Жооптуу автор: Hongying Su.

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

Булак түрү: Изилдөө препринти.

Рецензия статусу: Берилген PDF ар бир баракта изилдөө азырынча рецензиядан өтпөгөнүн көрсөтөт.

Платформа: SSRN.

SSRN идентификатору: 7629172.

DOI: Берилген PDF ичинде изилдөө үчүн текшерүүгө боло турган DOI жок; DOI болжолдонгон эмес.

Журнал / басмакана / version of record: Берилген препринтте тастыкталган рецензияланган журналдык басылма тууралуу маалымат жок.

Жарыяланган датасы: Берилген негизги PDFтин көрүнгөн библиографиялык бөлүгүндө так препринт датасы көрсөтүлгөн эмес; дата ойлоп табылган эмес.

Лицензия: Берилген PDF ичинде текшерүүгө боло турган Creative Commons же башка ачык кайра колдонуу лицензиясы жок. SSRN аркылуу жеткиликтүү болушу ачык лицензия катары кабыл алынган эмес.

Негизги тажрыйба түрү: Лабораториялык масштабдагы гидрогель синтези, партиялык адсорбция тажрыйбалары, көп иондуу атаандаш адсорбция, адсорбция–десорбция регенерациясы жана жабык айлампалуу циркуляциялык туруктуу катмар адсорбциясы.

Эсептөө ыкмасы: Gaussian 16 колдонулган DFT; Hantzsch реакцияларынын Gibbs эркин энергиясын салыштыруу жана жөнөкөйлөштүрүлгөн s-H2/s-H3 гидрогель кластерлеринде металл–лиганд байланышуу энергиялары.

Мүнөздөмө берүү: ¹H NMR, FT-IR, SEM–EDS жана XPS.

Аналитикалык металл өлчөөсү: ICP-OES.

Кайталоо: Адсорбция тажрыйбалары үч кайталануу менен жүргүзүлүп, орточо маанилер билдирилгени көрсөтүлгөн.

Supplementary Information чеги: Негизги PDF; PFO, PSO, интрабөлүкчө диффузия, Langmuir, Freundlich жана Temkin моделдеринин деталдуу теңдемелери жана айрым DFT эсептөө параметрлери үчүн Supplementary Information га жөнөтөт. Берилген 39 барактык файлда бул S1–S7 теңдемелери жана S1–S6 таблицаларынын толук кошумча мазмуну жок болгондуктан Verianla жетишпеген маанилерди жалпы билимден толуктаган эмес.

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

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришкен.

Автордук салымдар: Hao Wang: методология, изилдөө, биринчи долбоор; Chunfeng Yin: методология жана изилдөө; Zongzhen Wang: изилдөө; Shaoyun Shan: методология; Hongying Su: кеңеш берүү, долбоорду башкаруу, карап чыгуу жана редакциялоо.

Маалыматтардын жеткиликтүүлүгү: Берилген PDF ичинде өзүнчө “Data Availability” билдирүүсү жок.

Маанилүү булак ичиндеги дал келбестик: Метод бөлүмүндөгү доза скрининги 0,1; 0,2; 0,4; 0,6 жана 1,0 g·L⁻¹ деп берилген, ал эми Натыйжалар бөлүмүндө 0,3 g·L⁻¹ оптималдуу доза катары тандалган. Бул пункт булакта түшүндүрүлгөн эмес жана унчукпай оңдолгон эмес.

DFT чечмелөө чеги: s-H3 моделинде Pb(II) сыналган иондордун арасында эң терс байланышуу энергиясына ээ. s-H2 моделинде болсо Mg²⁺ үчүн эсептелген маани Pb(II)дикине караганда бир аз терсирээк. Авторлор муну кичине кластер координациялык чөйрөнү толук эмес чагылдырганы менен байланыштырышат.