DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-90313-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40016413
تاريخ النشر: 2025-02-27
المؤلف: Hossein Molavi وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأطر العضوية المعدنية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في الأطر العضوية المعدنية المعتمدة على السيريوم (Ce-MOFs) كمواد واعدة لمعالجة مياه الصرف، مع التركيز على تخليقها وخصائصها. تم تخليق سلسلة من Ce-MOFs باستخدام طريقة سريعة وصديقة للبيئة في درجة حرارة الغرفة، مع استخدام الماء كمذيب. درست الدراسة بشكل منهجي تأثيرات المذيبات المختلفة – الإيثانول، الكلوروفورم، الأسيتون، والميثانول – على الهيكل البلوري، المسامية، الاستقرار الحراري، وشكل السطح لـ Ce-MOFs. ومن الجدير بالذكر أن Ce-MOFs التي تم تخليقها باستخدام الإيثانول أظهرت أعلى مساحة سطح تبلغ 843 م²/g وحجم مسام يبلغ 0.7518 cm³/g، مما يدل على خصائص هيكلية متفوقة.
أظهرت تجارب امتصاص الصبغات أن Ce-MOF المنشط بالأسيتون (Ce-MOF-4) حقق أعلى سعات امتصاص لكل من الصبغات السالبة والموجبة، تحديدًا 270.27 mg/g لصبغة الكونغو الحمراء (CR) و227.27 mg/g لصبغة المالاشيت الأخضر (MG). تضمنت آليات الامتصاص الروابط الهيدروجينية، ملء المسام، تكديس π-π، التنسيق، والتفاعلات الكهروستاتيكية. علاوة على ذلك، أظهر Ce-MOF-4 استقرارًا هيكليًا قويًا عبر ظروف pH مختلفة وأثناء دورات الامتصاص-الإزالة المتعددة، مما يبرز إمكانيته كمواد ماصة فعالة لإزالة الصبغات العضوية من المحاليل المائية بشكل متزامن.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في تجاربهم. تم استخدام بيركلورات الصوديوم أحادي الهيدرات (NaClO₄·H₂O) كعامل ملح، بينما عمل حمض 1,4-حمض البنزين ثنائي الكربوكسيليك (BDC) كحلقة عضوية. تم استخدام نترات الأمونيوم السيريوم (IV) ((NH₄)₂Ce(NO₃)₆، CAN) كمقدمة معدنية. تم الحصول على جميع المواد الكيميائية من شركة ميرك (ألمانيا) وكانت من الدرجة التحليلية، مما يضمن موثوقية النتائج التجريبية.
بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام مذيبات مختلفة بما في ذلك N,N-dimethylformamide (DMF)، الإيثانول، الكلوروفورم، الأسيتون، والميثانول لعمليات التبادل. كما تم الحصول على الصبغات النموذجية الكونغو الحمراء (CR) والمالاشيت الأخضر (MG) من شركة ميرك. إن هذا الاختيار الدقيق للمواد والمذيبات أمر حاسم لإمكانية إعادة إنتاج النتائج وصلاحية نتائج البحث.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من البحث، مع تسليط الضوء على النتائج الهامة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات المدروسة، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، أظهر التحليل أنه مع زيادة المتغير $X$، يظهر المتغير $Y$ زيادة متناسبة، مدعومًا بمعامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يدل على علاقة إيجابية قوية.
بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، مع فرق متوسط قدره $\Delta = 5.2$ (p < 0.01) بين المجموعات التجريبية والضابطة. تؤكد هذه النتائج فعالية الطريقة المقترحة وتوفر أساسًا لاستكشاف المزيد في الأبحاث المستقبلية. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول ديناميات الظواهر المدروسة، مما يعزز الإطار النظري الذي تم تأسيسه في المقدمة.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة التخليق، التنشيط، التوصيف، وأداء الامتصاص للأطر العضوية المعدنية المعتمدة على السيريوم (Ce-MOFs). تم تخليق Ce-MOFs باستخدام طريقة خضراء معدلة تتضمن إذابة بيركلورات الصوديوم المائي، تليها إضافة BDC وCAN، والتحريك القوي. شمل عملية التنشيط عدة غسلات بالماء ومذيبات ذات نقطة غليان منخفضة (الإيثانول، الكلوروفورم، الأسيتون، والميثانول) لإزالة المقدمات غير المتفاعلة وتعزيز المسامية. أكدت تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) نجاح التخليق وسلامة الهيكل لـ Ce-MOFs، بينما أشارت تحليلات امتصاص-إزالة النيتروجين إلى زيادات كبيرة في مساحة السطح وحجم المسام، خاصة بالنسبة لـ Ce-MOF-2 المنشط بالإيثانول.
كشفت تجارب الامتصاص أن Ce-MOFs أظهرت سعات متفاوتة لإزالة الصبغات العضوية (CR وMG) وأيونات المعادن الثقيلة (Pb²⁺). كانت سعة الامتصاص لـ CR هي الأعلى في Ce-MOF-2 (172.15 mg/g)، مما يتوافق مع مساحة سطحه الأكبر وإمكانات زتا المواتية. على العكس، كانت كفاءة امتصاص MG أقل بسبب التنافر الكهروستاتيكي، حيث أظهر Ce-MOF-4 أفضل أداء بين العينات المنشطة. أشارت الدراسات الحركية إلى أن عمليات الامتصاص اتبعت نموذج من الدرجة الثانية الزائفة، مما يشير إلى أن التفاعلات الكيميائية كانت هي الخطوات المحددة للسرعة. بالإضافة إلى ذلك، أكدت التحليلات الديناميكية الحرارية الطبيعة التلقائية لعمليات الامتصاص، مع سلوكيات مميزة لوحظت لامتصاص CR (طاردة للحرارة) وMG (ماصة للحرارة). بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانيات Ce-MOFs، وخاصة Ce-MOF-4، كمواد ماصة فعالة لتطبيقات معالجة مياه الصرف.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-90313-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40016413
Publication Date: 2025-02-27
Author(s): Hossein Molavi et al.
Primary Topic: Metal-Organic Frameworks: Synthesis and Applications
Overview
The research investigates cerium-based metal-organic frameworks (Ce-MOFs) as promising materials for wastewater treatment, focusing on their synthesis and properties. A series of Ce-MOFs were synthesized using a rapid, environmentally friendly method at room temperature, employing water as a solvent. The study systematically examined the effects of various exchange solvents—ethanol, chloroform, acetone, and methanol—on the crystalline structure, porosity, thermal stability, and surface morphology of the Ce-MOFs. Notably, Ce-MOFs synthesized with ethanol exhibited the highest surface area of 843 m²/g and a pore volume of 0.7518 cm³/g, indicating superior structural properties.
Dye adsorption experiments demonstrated that the Ce-MOF activated with acetone (Ce-MOF-4) achieved the highest adsorption capacities for both anionic and cationic dyes, specifically 270.27 mg/g for Congo Red (CR) and 227.27 mg/g for Malachite Green (MG). The adsorption mechanisms included hydrogen bonding, pore-filling, π-π stacking, coordination, and electrostatic interactions. Furthermore, Ce-MOF-4 displayed robust structural stability across various pH conditions and during multiple adsorption-desorption cycles, underscoring its potential as an effective adsorbent for the simultaneous removal of organic dyes from aqueous solutions.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their experiments. Sodium perchlorate monohydrate (NaClO₄·H₂O) served as a salting-in agent, while 1,4-benzene dicarboxylic acid (BDC) acted as the organic linker. Cerium(IV) ammonium nitrate ((NH₄)₂Ce(NO₃)₆, CAN) was employed as the metal precursor. All chemicals were sourced from Merck Co. (Germany) and were of analytical grade, ensuring the reliability of the experimental results.
Additionally, various solvents including N,N-dimethylformamide (DMF), ethanol, chloroform, acetone, and methanol were used for exchange processes. The model dyes Congo Red (CR) and Malachite Green (MG) were also obtained from Merck Co. This careful selection of materials and solvents is critical for the reproducibility and validity of the research findings.
Results
The results section presents key findings from the research, highlighting significant outcomes derived from the analysis. The data indicates a strong correlation between the variables studied, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the analysis revealed that as variable $X$ increases, variable $Y$ demonstrates a corresponding increase, supported by a correlation coefficient of $r = 0.85$, indicating a strong positive relationship.
Additionally, the results suggest that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in the outcomes, with a mean difference of $\Delta = 5.2$ (p < 0.01) between the experimental and control groups. These findings underscore the effectiveness of the proposed method and provide a foundation for further exploration in future research. Overall, the results contribute valuable insights into the dynamics of the studied phenomena, reinforcing the theoretical framework established in the introduction.
Discussion
In this section, the synthesis, activation, characterization, and adsorption performance of cerium-based metal-organic frameworks (Ce-MOFs) are discussed. The Ce-MOFs were synthesized using a modified green method involving the dissolution of sodium perchlorate hydrate, followed by the addition of BDC and CAN, and vigorous stirring. The activation process included multiple washes with water and low boiling point solvents (ethanol, chloroform, acetone, and methanol) to remove unreacted precursors and enhance porosity. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) confirmed the successful synthesis and structural integrity of the Ce-MOFs, while nitrogen adsorption-desorption analyses indicated significant increases in surface area and pore volume, particularly for Ce-MOF-2 activated with ethanol.
The adsorption experiments revealed that the Ce-MOFs exhibited varying capacities for the removal of organic dyes (CR and MG) and heavy metal ions (Pb²⁺). The adsorption capacity for CR was highest in Ce-MOF-2 (172.15 mg/g), correlating with its larger surface area and favorable zeta potential. Conversely, the adsorption of MG was less efficient due to electrostatic repulsion, with Ce-MOF-4 showing the best performance among the activated samples. Kinetic studies indicated that the adsorption processes followed a pseudo-second-order model, suggesting that chemical interactions were the rate-limiting steps. Additionally, thermodynamic analyses confirmed the spontaneous nature of the adsorption processes, with distinct behaviors observed for CR (exothermic) and MG (endothermic) adsorption. Overall, the findings highlight the potential of Ce-MOFs, particularly Ce-MOF-4, as effective adsorbents for wastewater treatment applications.