Dex@2-IM2 адсорбенти гидрогелии ковокдори декстран аст, ки тавассути пайванди салибии декстрани бо β-кетоэстер тағйирёфта бо имидазол-2-карбальдегид ва ацетати аммоний дар доираи реаксияи Hantzsch омода шуда, барои пайвастшавии Pb(II) дорои чандин маркази координатсионӣ, пеш аз ҳама нитрогени имидазол ва оксигени β-кетоэстер мебошад. Дар таҳқиқот синтез ва сохтори ин мавод бо ¹H NMR, FT-IR, SEM–EDS ва XPS омӯхта шуда; адсорбсияи Pb(II) бо таҷрибаҳои партиявӣ, моделҳои кинетикӣ ва изотермӣ, таҷрибаҳои интихобпазирии бисёрионӣ, регенератсия, таҷрибаи динамикии сутуни даври пӯшида ва ҳисобҳои назарияи функсионали зичӣ (DFT) арзёбӣ гардидааст. Иқтидори максималии адсорбсияи Pb(II), ки аз модели Langmuir дар 25 °C ҳисоб шудааст, 120,63 mg·g⁻¹ мебошад. Бо вуҷуди ин, ҳамаи таҷрибаҳо дар маҳлулҳои омодашудаи миқёси лабораторӣ гузаронида шудаанд; таҳқиқот иҷрои пуррамиқёси саҳроиро дар оби воқеии партови саноатӣ нишон намедиҳад.

Дар функсионалӣ кардани гидрогел мавқеи изомери имидазол муҳим дониста шудааст. Dex@2-IM1 бо истифодаи IM-2-CHO тақрибан дар 3 дақиқа, Dex@2-IM2 бо таносуби баландтари реагентҳо тақрибан дар 1 дақиқа гел шудааст, дар ҳоле ки Dex@4-IM1 бо IM-4-CHO тақрибан 25 дақиқа талаб кардааст. Дар ҳисобҳои DFT тағйирёбии энергияи озоди Gibbs барои реаксияи Hantzsch барои IM-2-CHO −19,18 kcal·mol⁻¹ ва барои IM-4-CHO −15,44 kcal·mol⁻¹ ҳисоб шуда; арзиши манфитар барои IM-2-CHO бо пайванди салибии зудтаре, ки дар таҷриба мушоҳида шудааст, мувофиқ дониста шудааст.

Дар адсорбсияи Pb(II), Dex@2-IM2 дар байни гидрогелҳои дорои имидазоли муқоисашуда иқтидори баландтаринро нишон додааст. Бо баланд шудани pH адсорбсия афзуда, дар pH 5,3 ба 113,04 mg·g⁻¹ расидааст. Дар таҷрибаҳои кинетикӣ мувозинат тақрибан дар 240 дақиқа барқарор шуда; қиматҳои R²-и модели pseudo-second-order дар ҳудуди 0,9974–0,9992 қарор доштаанд. Аз нуқтаи ибтидо нагузаштани каҷҳои диффузияи дохилизаравӣ нишон додааст, ки танҳо диффузияи дохили ковокӣ марҳилаи муайянкунандаи суръат нест; адсорбсияи сатҳи беруна ва диффузияи дохилӣ ҳамзамон нақш доранд.

Дар таҷрибаи интихобпазирӣ, вақте ки ҳар яке аз ионҳои Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ ва Pb²⁺ дар оғоз 120 mg·L⁻¹ буданд, иқтидори адсорбсияи Pb(II)-и Dex@2-IM2 67,125 mg·g⁻¹ буд. Дар ҳамон шароит барои K⁺, Na⁺, Ca²⁺ ва Mg²⁺ мутаносибан 0,73; 2,22; 5,04 ва 3,85 mg·g⁻¹ гузориш шудааст. Натиҷаҳои XPS ва DFT дастгирӣ кардаанд, ки N-и пиридинӣ дар ҳалқаи имидазол ва атомҳои O дар гурӯҳҳои β-кетоэстер марказҳои асосии координатсионӣ барои пайвастшавии Pb(II) мебошанд, дар ҳоле ки атомҳои O дар скелети декстран саҳми ёрирасон доранд.

Иқтидори адсорбсияи мавод аз 89,70 mg·g⁻¹-и ибтидоӣ пас аз се даври адсорбсия–десорбсия то 63,01 mg·g⁻¹ коҳиш ёфта, тақрибан %70,2 иқтидори ибтидоӣ нигоҳ дошта шудааст. Дар таҷрибаи қабати собити гардиши даври пӯшида, хориҷкунии Pb(II) пас аз 5 соат %68,60, пас аз 9 соат %90,48 ва пас аз 13 соат %91,44 буд. Ин таҷрибаи динамикӣ озмоиши breakthrough-и хатти воқеии пайвастаи тозакунии оби партов нест; он системаи даври пӯшидаи миқёси лабораторӣ мебошад, ки дар он 50 mL маҳлули синтетикии Pb(II) байни ҳамон як резервуар ва сутун такроран гардиш дода мешавад.

Масъалаи таҳқиқот: нигоҳдории интихобии Pb(II) аз дигар ионҳо

Сурб металли вазнини заҳрнокест, ки биологӣ таҷзия намешавад ва метавонад дар муҳити обӣ ҷамъ шуда, ба занҷири ғизоӣ ворид гардад. Адсорбсия бо сабаби мураккабии пасти амалиётӣ ва имкони истифодаи дубораи адсорбент барои хориҷкунии Pb(II) васеъ омӯхта мешавад. Аммо дар матритсаҳои воқеӣ ё мураккаби оби партов, ионҳое чун Na⁺, K⁺, Ca²⁺ ва Mg²⁺ метавонанд барои марказҳои адсорбсия рақобат кунанд. Аз ин рӯ, на танҳо иқтидори умумии баланд, балки интихобпазирии химиявӣ нисбат ба Pb(II) низ муҳим аст.

Ғояи тарҳрезии таҳқиқот ҷойгир кардани марказҳои координатсионии ҳамдигарро пуркунанда дар як шабакаи гидрогел ба ҷойи як навъи маркази пайвастшавӣ мебошад. Гурӯҳи имидазол тавассути атоми N-и навъи пиридинӣ ба координатсияи Pb(II) саҳм мегузорад, дар ҳоле ки гурӯҳҳои боқимондаи β-кетоэстер ва атомҳои оксигени скелети декстран метавонанд марказҳои иловагии пайвастшавӣ ташкил кунанд. Бо ҳамин, адсорбсия тавре тарҳрезӣ шудааст, ки на танҳо ба ҷазби электростатикӣ, балки ба координатсияи бисёрмарказии металл–лиганд такя кунад.

Чаро декстран ҳамчун полимери интиқолдиҳанда истифода шудааст?

Декстран полисахариди барқароршаванда буда, гурӯҳҳои сершумори гидроксилӣ ба модификасияи химиявӣ имкон медиҳанд. Дар таҳқиқот декстран аввал бо tert-бутил ацетоацетат ба реаксия дароварда шуда, ба прекурсори Dex-BAA, ки гурӯҳҳои β-кетоэстер дорад, табдил дода шудааст. Сипас гурӯҳҳои β-кетоэстер дар реаксияи бисёркомпонентии Hantzsch ҳамчун нуқтаҳои пайванди салибӣ истифода шудаанд.

Ин равиш дар як марҳилаи реаксия ҳам ташаккули шабакаи сеченакаи гидрогел ва ҳам ворид намудани гурӯҳҳои имидазол ба сохторро имконпазир месозад.

Модификатсияи Dex-BAA чӣ гуна тасдиқ шуд?

Дар спектри ¹H NMR протонҳои метилии гурӯҳи β-кетоэстер тақрибан дар 2,25 ppm мушоҳида шуда, аз ҳисоби интегратсия дараҷаи ивазшавӣ DS = 1,41 муайян шудааст. Ин қимат маънои онро дорад, ки ба ҳисоби миёна ба ҳар воҳиди глюкоза тақрибан 1,41 гурӯҳи β-кетоэстер пайваст шудааст.

Дар таҳлили FT-IR бошад, тасмаҳои тақрибан 1712 ва 1749 cm⁻¹, ки дар декстрани ибтидоӣ набуданд, пайдо шуданд; манбаъ онҳоро мутаносибан ба кашиши карбонилии кетон ва эфир нисбат додааст.

Чаро мавқеи изомери имидазол муҳим буд?

Гарчанде IM-2-CHO ва IM-4-CHO як ҳалқаи имидазол доранд, мавқеи гурӯҳи алдегид реактивиятро дар реаксияи Hantzsch тағйир додааст. Dex@2-IM1 тақрибан дар 3 дақиқа гел шуд, дар ҳоле ки Dex@4-IM1 бо ҳамон таносуби асосии молӣ тақрибан дар 25 дақиқа гел шудааст. Dex@2-IM2 бо таносуби баландтари IM-2-CHO/NH₄OAc бошад, тақрибан дар 1 дақиқа гидрогели сахт ташкил кардааст.

Ҳисобҳои DFT нишон доданд, ки ҳар ду роҳи реаксия аз ҷиҳати термодинамикӣ мусоиданд. Тағйирёбии ҳисобшудаи энергияи озоди Gibbs барои IM-2-CHO −19,18 kcal·mol⁻¹ ва барои IM-4-CHO −15,44 kcal·mol⁻¹ аст. Арзиши манфитари IM-2-CHO бо гелшавии тезтари таҷрибавӣ ҳамсамт мебошад.

Сохтори ковок ва миқдори имидазол чӣ гуна тасдиқ шуданд?

Тасвирҳои SEM-и намунаҳои Dex@2-IM2 ва Dex@4-IM1-и бо яхбандӣ хушкшуда ковокиҳои сеченакаи ба ҳам пайваст ва исфанҷмонандро нишон доданд. Дар харитаҳои EDS паҳншавии нитроген дар саросари шабака дида шудааст. Барои Dex@2-IM2 миқдори нитроген аз рӯи EDS %14,03 атомӣ ва барои Dex@4-IM1 %6,20 атомӣ гузориш шудааст. Ин фарқ бо самаранокии баландтари реаксия дар роҳи IM-2-CHO мувофиқ аст.

Дар таҳлили XPS survey-и Dex@2-IM2, C, O ва N муайян шуда; миқдори N %11,19 атомӣ будааст. Компоненти навъи пиридинии C=N–C дар тақрибан 398,65 eV далели иловагӣ барои мавҷудияти марказҳои имидазол дар сохтор додааст.

Гидрогели Dex@2-IM2 Pb(II)-ро Чӣ Гуна Нигоҳ Медорад?

Dex@2-IM2 Pb(II)-ро на тавассути як таъсири сатҳӣ, балки асосан бо шабакаи координатсионии бисёрмарказӣ нигоҳ медорад, ки аз N-и пиридинӣ дар ҳалқаи имидазол, атомҳои O-и карбонил/эфири β-кетоэстер ва атомҳои ёрирасони O дар скелети декстран якҷо ташкил шудааст; натиҷаҳои XPS, FT-IR ва DFT ин модели пайвастшавиро якҷо дастгирӣ мекунанд.

Пас аз боркунии Pb(II), дар спектри XPS сигналҳои Pb 4f_7/2 ва Pb 4f_5/2 тақрибан дар 138,85 ва 143,68 eV мушоҳида шудаанд. Энергияи пайвастшавии компоненти C=N–C-и имидазол аз 398,65 eV ба 398,78 eV кӯчидааст; манбаъ инро ҳамчун нишонаи тағйирёбии зичии электронии атрофи N-и пиридинӣ бо координатсияи Pb(II) тафсир кардааст.

Пас аз адсорбсия, заиф шудани тасмаҳои 1749 ва 1712 cm⁻¹-и вобаста ба карбонилҳои β-кетоэстер дар FT-IR низ тафсири иштироки оксигенҳои карбонил дар пайвастшавии Pb(II)-ро дастгирӣ кардааст.

Дар комплекси s-H2-Pb, ки тавассути DFT оптимизатсия шудааст, масофаи байни имидазол N ва Pb тақрибан 2,38 Å мебошад. Масофаҳои β-кетоэстер O–Pb тақрибан 2,47–2,50 Å ва масофаҳои байни атомҳои O-и гидроксили декстран ва Pb тақрибан 2,38 Å ҳисоб шудаанд. Манбаъ ин масофаҳоро бо модели иштироки чанд гетероатом дар координатсия мувофиқ донистааст.

Иқтидори адсорбсия чӣ гуна ҳисоб шуд?

Иқтидори адсорбсияи Pb(II) дар вақти \(t\) дар манбаъ бо муодилаи зерин ҳисоб шудааст:

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

Дар ин ҷо \(q_t\) миқдори Pb(II)-и адсорбшуда ба як воҳиди массаи адсорбент буда, бо mg·g⁻¹ ифода мешавад. \(C_0\) консентратсияи ибтидоии Pb(II), \(C_t\) консентратсия дар вақти \(t\) буда, бо mg·L⁻¹ истифода мешавад. \(V\) ҳаҷми маҳлулро бо литр ва \(m\) массаи адсорбентро бо грамм ифода мекунад.

Самаранокии хориҷкунӣ:

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

ҳисоб шудааст. Ин ду бузургӣ як чизро чен намекунанд: \(q_t\) боркуниро ба як воҳиди массаи адсорбент, \(RE\) бошад фоизи Pb(II)-и аз маҳлул хориҷшударо нишон медиҳад. Аз ин рӯ, бо зиёд шудани дозаи адсорбент самаранокии умумии хориҷкунӣ метавонад зиёд шавад, дар ҳоле ки иқтидор ба як воҳиди масса кам шавад.

pH ба адсорбсия чӣ гуна таъсир кард?

Барои Dex@2-IM2 ҳудуди pH 3,0–5,3 омӯхта шуда, бо зиёд шудани pH иқтидори адсорбсия афзудааст. Дар pH 5,3 иқтидор ба 113,04 mg·g⁻¹ расидааст.

Манбаъ ин рафторро бо рақобати ионҳои H⁺ бо марказҳои координатсионӣ ва протоншавии нитрогени имидазол дар pH-и паст шарҳ медиҳад. Бо баланд шудани pH қобилияти гурӯҳҳои функсионалӣ барои додани электрон зиёд шуда, координатсияи Pb(II) осон мегардад. Аз pH 5,3 боло бо сабаби эҳтимоли таҳшиншавии Pb(OH)₂ омӯхта нашудааст.

Чаро дозаи адсорбент иқтидор ва самаранокии хориҷкуниро ба самтҳои муқобил тағйир дод?

Вақте ки дозаи адсорбент аз 0,1 то 1,0 g·L⁻¹ зиёд карда шуд, иқтидори адсорбсия ба як воҳиди масса аз 151,30 то 55,98 mg·g⁻¹ кам шуд, дар ҳоле ки самаранокии хориҷкунӣ афзуд. Дар дозаи баландтари адсорбент дар маҳлул марказҳои пайвастшавии бештар мавҷуданд, бинобар ин хориҷкунии умумии Pb(II) зиёд мешавад; аммо миқдори собити Pb(II) ба массаи зиёди адсорбент тақсим мешавад, аз ин сабаб қисми марказҳо ба сершавӣ намерасанд ва иқтидори mg·g⁻¹ коҳиш меёбад.

Ёддошти методии дохили манбаъ: Дар бахши Материал ва Усул дозаи омӯхташудаи адсорбент ҳамчун 0,1; 0,2; 0,4; 0,6 ва 1,0 g·L⁻¹ номбар шудааст. Аммо дар бахши Натиҷаҳо барои таҷрибаҳои статикии баъдӣ 0,3 g·L⁻¹ ҳамчун дозаи “оптималӣ” интихоб шудааст. PDF-и асосии пешниҳодшуда шарҳ намедиҳад, ки нуқтаи 0,3 g·L⁻¹ чӣ гуна ба скрининги ибтидоии доза дохил шудааст. Verianla ин фарқро хомӯшона ислоҳ намекунад.

Кинетикаи адсорбсия чӣ нишон дод?

Дар шароити адсорбенти pH 5,3 ва 0,3 g·L⁻¹, ки оптималӣ номида шудааст, консентратсияҳои ибтидоии Pb(II) 30, 60, 90 ва 120 mg·L⁻¹ омӯхта шудаанд. Дар тақрибан 120 дақиқаи аввал адсорбсия зуд пеш рафта, баъдан суръат кам шуд ва дар ҳамаи консентратсияҳои санҷидашуда тақрибан дар 240 дақиқа мувозинат ҳосил гардид.

Ҳангоми зиёд шудани консентратсияи ибтидоӣ аз 30 то 120 mg·L⁻¹, иқтидори таҷрибавии мувозинат аз 48,52 то 91,48 mg·g⁻¹ афзуд.

Модели кинетикии pseudo-second-order (PSO) дар ҳамаи консентратсияҳо бо ҳудуди \(R^2=0{,}9974-0{,}9992\) нисбат ба модели pseudo-first-order мувофиқати беҳтар нишон додааст. Манбаъ ин натиҷаро бо адсорбсияи химиявии асосёфта ба координатсия мувофиқ тафсир мекунад. Бо вуҷуди ин, мувофиқати хуби PSO худ аз худ далели қатъии механизми микроскопии реаксия нест; тафсири координатсионӣ дар таҳқиқот дар якҷоягӣ бо натиҷаҳои XPS, FT-IR ва DFT сохта шудааст.

Графикҳои диффузияи дохилизаравӣ ду минтақаи хаттӣ ташкил карда, хатҳо аз нуқтаи ибтидо нагузаштаанд. Аз ин рӯ, манбаъ ба хулоса омадааст, ки диффузияи дохили ковокӣ танҳо марҳилаи назораткунандаи суръат нест; пас аз адсорбсияи тези сатҳи беруна интиқоли сусттари дохили ковокӣ сурат мегирад.

Иқтидори Langmuir 120,63 mg·g⁻¹ Чӣ Маъно Дорад?

120,63 mg·g⁻¹ иқтидори назариявии максималии адсорбсияи якқабата мебошад, ки бо татбиқи модели Langmuir ба маълумоти изотермии 25 °C ба даст омадааст; он иқтидори бевосита ченшуда дар ҳар таҷриба ё иқтидори кафолатноки корӣ дар оби воқеии партов нест.

Изотермҳои адсорбсия дар 25, 35 ва 45 °C ва дар консентратсияҳои ибтидоии Pb(II) 30–120 mg·L⁻¹ омӯхта шудаанд. Дар ҳар ҳарорат иқтидори мувозинатӣ бо зиёд шудани консентратсияи ибтидоӣ афзудааст, вале тағйироти вобаста ба ҳарорат дар ҳудуди 25–45 °C нисбатан маҳдуд мондааст.

Модели Langmuir дар ҳамаи ҳароратҳо бо \(R^2>0{,}997\) мувофиқати баландтаринро нишон додааст. Модели Freundlich низ дар сатҳи \(R^2>0{,}95\) мувофиқат нишон дода, қиматҳои \(1/n\) байни 0 ва 0,5 буданд. Манбаъ ин натиҷаҳоро бо адсорбсияи якқабатаи Pb(II) дар марказҳои асосан дорои энергияи якхела дар Dex@2-IM2 мувофиқ арзёбӣ кардааст.

Dex@2-IM2 Pb(II)-ро аз Дигар Ионҳо То Чӣ Андоза Интихобӣ Ҷудо Кард?

Дар маҳлули муайяншудаи бисёрионии лабораторӣ Dex@2-IM2 барои Pb(II) иқтидори 67,125 mg·g⁻¹ нишон дод, дар ҳоле ки иқтидорҳо барои K⁺, Na⁺, Ca²⁺ ва Mg²⁺ танҳо дар ҳудуди 0,73–5,04 mg·g⁻¹ монданд; ин натиҷа дар байни панҷ иони омӯхташуда афзалияти равшани Pb(II)-ро нишон дод.

Таҷрибаи интихобпазирӣ дар маҳлули омехтае гузаронида шудааст, ки Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ ва Pb²⁺-ро бо консентратсияи ибтидоии 120 mg·L⁻¹ барои ҳар ион дар бар мегирифт.

Коэффисиенти тақсимот дар манбаъ чунин муайян шудааст:

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

\(q_e\) иқтидори адсорбсияи мувозинатиро бо mg·g⁻¹; \(C_e\) консентратсияи мувозинатии боқимонда дар маҳлулро бо mg·L⁻¹ ифода мекунад. Омили 1000 натиҷаро ба воҳиди mL·g⁻¹ табдил медиҳад. Барои Pb(II), \(K_d\) нисбат ба дигар ионҳо ба таври равшан баландтар буд.

Ҳисобҳои DFT Интихобпазирии Pb(II)-ро Чӣ Гуна Шарҳ Медиҳанд?

Ҳисобҳои DFT нишон доданд, ки дар модели калонтари маҳаллии гидрогелии s-H3, Pb(II) нисбат ба ионҳои санҷидашудаи Na⁺, K⁺, Ca²⁺ ва Mg²⁺ энергияи пайвастшавии манфитар дорад ва ба марказҳои имидазол N ва β-кетоэстер O координатсияи бисёрмарказӣ ташкил медиҳад; аммо дар модели хурдтари s-H2 пайвастшавии ҳисобшудаи Mg²⁺ аз Pb(II) каме қавитар аст, ки вобастагии ҳисобҳоро ба андозаи кластер равшан нишон медиҳад.

Таърифи энергияи пайвастшавӣ дар манбаъ:

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

мебошад. Дар манбаъ \(\Delta E\)-и манфитар ҳамчун тамоюли қавитари пайвастшавӣ тафсир мешавад. PDF-и пешниҳодшуда маълумоти муфассали функционали DFT ва маҷмӯи базисиро ба Supplementary Information равона мекунад; азбаски ин параметрҳои иловагии ҳисоббарорӣ дар PDF-и асосӣ мавҷуд нестанд, онҳо аз ҷониби Verianla пурра карда нашудаанд.

Муаллифон модели s-H3-ро ҳамчун кластери калонтаре арзёбӣ мекунанд, ки муҳити маҳаллии координатсионии гидрогели воқеиро беҳтар намояндагӣ мекунад. Дар ин модел Pb(II) қавитарин пайвастшавии ҳисобшударо дорад ва бо интихобпазирии таҷрибавӣ ҳамсамт аст.

Дар модели s-H2 бошад, барои Mg²⁺ −62,57 kcal·mol⁻¹ ва барои Pb(II) −59,67 kcal·mol⁻¹ ҳисоб шудааст. Манбаъ ин тартиби баръаксро бо он шарҳ медиҳад, ки геометрияи маҳдуди координатсионии кластери хурд метавонад таъсири электростатикии ионҳои хурд ва дорои зичии баланди заряд, аз ҷумла Mg²⁺-ро аз ҳад зиёд арзёбӣ кунад. Аз ин рӯ, натиҷаи DFT набояд ба шакли “дар ҳар модели истифодашуда Pb(II) ҳатман қавитарин пайваст мешавад” умумӣ карда шавад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Маводҳо ва синтези Dex-BAA

Полимери ибтидоӣ Dextran T40 бо массаи молекулавии тақрибан 40.000 Da мебошад. Дар синтези Dex-BAA, 4,0 g декстран дар 50 mL DMSO бо консентратсияи 80 mg·mL⁻¹ ҳал карда шуда, то 120 °C гарм карда шудааст. tert-Бутил ацетоацетат тавре илова шудааст, ки таносуби молии t-BAA/воҳиди шакар 6:1 бошад ва реаксия 2 соат идома дода шудааст.

Пас аз сард шудани омехта то ҳарорати хона, он ба 2,0 L этаноли беоб қатра-қатра илова карда шуда, маҳсулот таҳшин карда шудааст; таҳшин се маротиба бо этанол шуста ва дар 40 °C барои 24 соат зери вакуум хушк шудааст.

Омода кардани гидрогелҳои функсионалишуда бо имидазол

Маҳлули обии Dex-BAA бо 500 mg·mL⁻¹, маҳлули 600 mg·mL⁻¹ NH₄OAc ва маҳлули IM-CHO дар DMSO бо 100 mg·mL⁻¹ дар ҳарорати хона омехта шудаанд. Консентратсияи Dex-BAA дар омехтаи ниҳоӣ ба 130 mg·mL⁻¹ танзим шудааст.

Таносубҳои молии β-кетоэстер/IM-CHO/NH₄OAc 2:1:1 ва 2:4:4 истифода шудаанд. Маҳсулоти бо IM-2-CHO омодашуда Dex@2-IM ва маҳсулоти бо IM-4-CHO омодашуда Dex@4-IM номгузорӣ шудаанд. Барои назорати бе имидазол формальдегид ҳамчун алдегид истифода шуда, маҳсулот Dex@HCHO номгузорӣ шудааст.

Асбобҳои тавсифӣ

Таҷрибаҳои партиявии адсорбсия

Адсорбент ба 50 mL маҳлули Pb(NO₃)₂ илова шуда, дар 25 °C бо 200 rpm ҷунбонда шудааст. Дар вақтҳои интихобшуда 3 mL намуна гирифта, аз филтри 0,22 μm гузаронида ва Pb(II)-и боқимонда бо ICP-OES чен карда шудааст.

Зикр шудааст, ки ҳамаи таҷрибаҳои адсорбсия дар се такрор гузаронида шуда, қиматҳои миёна гузориш шудаанд.

Таҷрибаҳои изотермӣ

Дар таҳқиқоти изотермӣ 15,0 mg Dex@2-IM2 ба 50 mL маҳлули Pb(II) илова шудааст. pH 5,3; консентратсияҳои ибтидоӣ 30, 60, 90 ва 120 mg·L⁻¹; ҳароратҳо 25, 35 ва 45 °C; вақти ҷунбондан 8 соат ва суръат 200 rpm буд.

Маълумот бо моделҳои Langmuir, Freundlich ва Temkin таҳлил шудааст. PDF-и асосӣ муодилаҳои муфассали S4–S7-и моделҳои истифодашударо бо истинод ба Supplementary Information меорад; азбаски дар файли пешниҳодшуда саҳифаҳои иловагии ин муодилаҳо мавҷуд нестанд, муодилаҳо мустақил аз манбаъ аз нав навишта нашудаанд.

Таҷрибаи интихобпазирӣ

Дар маҳлули ионии омехта ҳар яке аз ионҳои Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ ва Pb²⁺ бо консентратсияи ибтидоии 120 mg·L⁻¹ омода шудаанд. 15,0 mg Dex@2-IM2 ба 50 mL маҳлул илова шуда, система дар 25 °C бо 200 rpm барои 8 соат ҷунбонда шудааст.

Ин таҷриба имкон дод, ки интихобпазирӣ на танҳо дар маҳлули як-ионии Pb(II), балки дар ҳузури чор катиони рақобатии консентратсияи баланд низ санҷида шавад. Аммо доираи хеле васеътари ионҳо, моддаҳои органикӣ, сахтҳои овезон ва тағйирёбии pH, ки метавонанд дар оби воқеии партови саноатӣ мавҷуд бошанд, дар ин таҷриба намояндагӣ нашудаанд.

Регенератсия ва истифодаи дубора

Пас аз ҳар даври адсорбсия гидрогел се маротиба бо оби деионизатсияшуда шуста, сипас дар 50 mL 0,1 M HNO₃ барои 2 соат нигоҳ дошта шудааст. Намуна то pH-и нейтралӣ боз шуста, 48 соат бо яхбандӣ хушк карда ва дар 40 °C барои 24 соат зери вакуум хушк намуда, дубора истифода шудааст.

Дар охири даври сеюм тақрибан %70,2 иқтидори ибтидоӣ нигоҳ дошта шудааст. Спектри FT-IR-и намунаи регенератсияшудаи Dex@2-IM2-R4 нигоҳ доштани гурӯҳҳои асосии функсионалиро нишон дода, SEM нишон додааст, ки сохтори ковок ба таври назаррас нигоҳ дошта шудааст. Дар таҳлили EDS бошад, %4,96 вазнии боқимондаи Pb муайян шудааст.

Манбаъ сабаби асосии аз даст рафтани иқтидорро десорбсияи нопурраи Pb(II) тафсир мекунад. Pb(II)-и боқимонда қисми марказҳои координатсиониеро, ки метавонистанд дубора истифода шаванд, ишғол намуда, интиқолро дар ковокиҳо низ қисман маҳдуд карда метавонад.

Оё Таҷрибаи Динамикии Сутун Тозакунии Оби Партови Саноатиро Исбот Мекунад?

Не. Таҷрибаи динамикии таҳқиқот системаи гардиши даври пӯшидаи миқёси лабораторӣ мебошад; 50 mL маҳлули синтетикии Pb(II) пайваста байни ҳамон резервуар ва сутуни хурде, ки 100 mg гидрогел дорад, гардиш дода шудааст, аз ин рӯ натиҷаҳо рафтори breakthrough-и якгузариши оби воқеии партови саноатӣ ё иҷрои пуррамиқёси кориро худ аз худ исбот намекунанд.

Сохти системаи динамикӣ

100 mg Dex@2-IM2 ба сутуни сӯзандоруӣ бо диаметри дохилии 6,0 mm ва баландии қабати 2,5 cm пур карда шудааст. Барои пешгирии талафи адсорбент ду нӯги сутун бо фритҳои полиэтиленӣ баста шудаанд.

50 mL маҳлул бо консентратсияи ибтидоии Pb(II) 60 mg·L⁻¹ ба резервуар гузошта шуда, бо насоси перисталтикӣ бо суръати доимии ҷараён 2,0 mL·min⁻¹ аз сутун гузаронида ва дубора ба резервуар баргардонда шудааст.

Пас аз тақрибан 9 соат каҷи хориҷкунӣ ба плато расида, дар 13 соат дар сатҳи %91,44 боқӣ мондааст. Манбаъ ин платоро на ҳамчун сершавии пурраи адсорбент, балки ҳамчун баробаршавии суръатҳои адсорбсия ва десорбсия дар системаи даври пӯшида тафсир мекунад. Консентратсияи Pb(II) дар маҳлули ниҳоии мувозинатӣ 5,14 mg·L⁻¹ гузориш шудааст.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот

• Тарҳи мавод на танҳо ба иқтидор, балки ба интихобпазирии бисёрионии Pb(II) нигаронида шудааст.
• Робитаи синтез–сохтор–иҷро бо усулҳои ҳамдигарро пуркунандаи NMR, FT-IR, SEM–EDS ва XPS омӯхта шудааст.
• Механизми адсорбсия бо истифодаи якҷояи тавсифи таҷрибавӣ ва ҳисобҳои DFT арзёбӣ шудааст.
• Системаи рақобатӣ бо Na⁺, K⁺, Ca²⁺ ва Mg²⁺ бевосита санҷида шудааст.
• Мавод на танҳо дар истифодаи якдафъаина, балки дар се даври адсорбсия–десорбсия ва сутуни динамикии даври пӯшида низ арзёбӣ шудааст.
• Фарқиятҳои моделҳои хурди s-H2 ва калонтари s-H3-и DFT таъсири интихоби модели кластерӣ ба интихобпазирии ҳисобшударо намоён мекунанд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Dex@2-IM2 дар байни гидрогелҳои декстранӣ, ки дар таҳқиқот санҷида шудаанд, барои Pb(II) иқтидори баланди адсорбсия нишон додааст.
• Модели Langmuir дар 25 °C иқтидори максималиро 120,63 mg·g⁻¹ ҳисоб кардааст.
• Дар системаи муайяншудаи панҷ-иона адсорбсияи Pb(II) аз Na⁺, K⁺, Ca²⁺ ва Mg²⁺ ба таври равшан баландтар аст.
• Натиҷаҳои XPS, FT-IR ва DFT нақши марказии атомҳои имидазол N ва β-кетоэстер O-ро дар координатсияи Pb(II) дастгирӣ мекунанд.
• Маълумоти адсорбсия дар шароити санҷидашуда бо моделҳои Langmuir ва pseudo-second-order мувофиқати қавӣ нишон медиҳад.
• Пас аз се даври истифодаи дубора %70,2 иқтидори ибтидоӣ нигоҳ дошта шудааст.
• Дар системаи лаборатории даври пӯшида пас аз 13 соат %91,44 хориҷкунии Pb(II) ба даст омадааст.

Натиҷаҳо ва маҳдудиятҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

• Таҳқиқот дар намунаи воқеии оби партови саноатӣ санҷиши саҳроӣ анҷом надодааст.
• Ионҳои рақобатии омӯхташуда бо Na⁺, K⁺, Ca²⁺ ва Mg²⁺ маҳдуданд; ҳамаи ионҳо ва ифлоскунандаҳои органикии оби воқеии партов санҷида нашудаанд.
• Таҷрибаи динамикӣ гардиши даври пӯшида аст; каҷи классикии breakthrough-и сутуни якгузариш ё мӯҳлати дарозмуддати хизмати саноатӣ гузориш нашудааст.
• Истифодаи дубора танҳо дар се даври адсорбсия–десорбсия ба таври миқдорӣ арзёбӣ шудааст.
• Миқёспазирии иқтисодӣ, хароҷоти истеҳсоли адсорбент ва арзёбии давраи ҳаёт дар ин манбаъ гузориш нашудаанд.
• DFT на тамоми шабакаи воқеии полимерӣ, балки моделҳои содакардашудаи кластери маҳаллии дорои ду ва се воҳиди глюкозаро истифода мебарад.
• Дар модели s-H2 энергияи ҳисобшудаи пайвастшавии Mg²⁺ аз Pb(II) манфитар аст; натиҷаи қавитарин пайвастшавии Pb(II) дар модели калонтари s-H3 ба даст омадааст.
• Баъзе параметрҳои DFT, муодилаҳои кинетикӣ ва ҷадвалҳои изотермие, ки дар манбаъ ба Supplementary Information ирсол шудаанд, дар PDF-и асосии пешниҳодшуда мавҷуд нестанд.
• Байни скрининги дозаи адсорбент ва изҳори дозаи оптималии 0,3 g·L⁻¹ дар манбаъ фарқи методии шарҳнадода мавҷуд аст.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Таҳқиқоти аслӣ: Imidazole and β-ketoester synergistically functionalized dextran hydrogel for efficient and selective Pb(II) adsorption.

Муаллифон: Hao Wang, Chunfeng Yin, Zongzhen Wang, Shaoyun Shan ва Hongying Su.

Муаллифи масъул: Hongying Su.

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

Навъи манбаъ: Препринти таҳқиқотӣ.

Вазъи баррасии ҳамтоён: PDF-и пешниҳодшуда дар ҳар саҳифа қайд мекунад, ки таҳқиқот ҳанӯз аз баррасии ҳамтоён нагузаштааст.

Платформа: SSRN.

Шиносаи SSRN: 7629172.

DOI: Дар PDF-и пешниҳодшуда барои таҳқиқот DOI-и санҷишшаванда мавҷуд нест; DOI тахмин карда нашудааст.

Маҷалла / ношир / version of record: Дар препринти пешниҳодшуда маълумоти тасдиқшуда оид ба нашри маҷаллаи баррасишудаи ҳамтоён мавҷуд нест.

Санаи нашр: Дар бахши библиографии намоёни PDF-и асосии пешниҳодшуда санаи дақиқи препринт зикр нашудааст; сана сохта нашудааст.

Иҷозатнома: Дар PDF-и пешниҳодшуда Creative Commons ё дигар иҷозатномаи санҷишшавандаи истифодаи дубораи кушода мавҷуд нест. Дастрас будан тавассути SSRN ҳамчун иҷозатномаи кушода қабул нашудааст.

Навъи асосии таҷриба: Синтези гидрогел дар миқёси лабораторӣ, таҷрибаҳои партиявии адсорбсия, адсорбсияи рақобатии бисёрионӣ, регенератсияи адсорбсия–десорбсия ва адсорбсияи қабати собити гардиши даври пӯшида.

Усули ҳисоббарорӣ: DFT бо истифода аз Gaussian 16; муқоисаи энергияи озоди Gibbs барои реаксияҳои Hantzsch ва энергияҳои пайвастшавии металл–лиганд дар кластерҳои содакардашудаи гидрогелии s-H2/s-H3.

Тавсиф: ¹H NMR, FT-IR, SEM–EDS ва XPS.

Андозагирии таҳлилии металл: ICP-OES.

Такрор: Зикр шудааст, ки таҷрибаҳои адсорбсия дар се такрор гузаронида шуда, қиматҳои миёна гузориш шудаанд.

Маҳдудияти Supplementary Information: PDF-и асосӣ барои муодилаҳои муфассали моделҳои PFO, PSO, диффузияи дохилизаравӣ, Langmuir, Freundlich ва Temkin ва баъзе параметрҳои ҳисобии DFT ба Supplementary Information роҳнамоӣ мекунад. Азбаски файли пешниҳодшудаи 39-саҳифагӣ мундариҷаи пурраи иловагии муодилаҳои S1–S7 ва ҷадвалҳои S1–S6-ро надорад, Verianla қиматҳои намерасидаро аз дониши умумӣ пур накардааст.

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

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад.

Саҳми муаллифон: Hao Wang: методология, таҳқиқот, тарҳи аввал; Chunfeng Yin: методология ва таҳқиқот; Zongzhen Wang: таҳқиқот; Shaoyun Shan: методология; Hongying Su: роҳнамоӣ, идоракунии лоиҳа, баррасӣ ва таҳрир.

Дастрасии маълумот: Дар PDF-и пешниҳодшуда изҳороти алоҳидаи “Data Availability” мавҷуд нест.

Номувофиқии муҳими дохили манбаъ: Дар бахши Усул скрининги доза ҳамчун 0,1; 0,2; 0,4; 0,6 ва 1,0 g·L⁻¹ дода шудааст, дар ҳоле ки дар бахши Натиҷаҳо 0,3 g·L⁻¹ ҳамчун дозаи оптималӣ интихоб мешавад. Ин нуқта дар манбаъ шарҳ дода нашуда ва хомӯшона ислоҳ нашудааст.

Ҳудуди тафсири DFT: Дар модели s-H3, Pb(II) дар байни ионҳои санҷидашуда энергияи пайвастшавии манфитарин дорад. Дар модели s-H2 бошад, қимати ҳисобшуда барои Mg²⁺ аз Pb(II) каме манфитар аст. Муаллифон инро ба нопурра намояндагӣ кардани муҳити координатсионӣ аз ҷониби кластери хурд нисбат медиҳанд.