DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-88408-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39901053
تاريخ النشر: 2025-02-04
المؤلف: Nada S. Al‐Kadhi وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد النانوية للتفاعلات الحفزية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع نانو مركب جديد من MgFe\(_2\)O\(_4\)-قاعدة شيف-كيتوزان من خلال طريقة ربط بسيطة، حيث تم دمج جزيئات MgFe\(_2\)O\(_4\) مع كيتوزان معدل عبر قاعدة شيف تم تشكيلها من تيريفثالديهايد وأمينوبيرازين. أكدت تقنيات التوصيف الشاملة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM)، على الدمج الناجح لجزيئات النانو وكشفت عن شكل سطحي مميز يتميز بتفاعلات قوية داخل المصفوفة. حدد تحليل الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) التركيب العنصري، مؤكدًا وجود الكربون والنيتروجين والأكسجين والمغنيسيوم والحديد.
أظهر النانو مركب المصنع أداءً استثنائيًا كمواد نانوية لامتصاص أيونات Pb(II) من المحاليل المائية، محققًا سعة امتصاص قصوى قدرها 290.7 ملغ ج\(^{-1}\). تم تصنيف عملية الامتصاص على أنها تلقائية، ماصة للحرارة، مدفوعة كيميائيًا، متوافقة جيدًا مع نموذج لانغموير للامتزاز وحركيات من الدرجة الثانية الزائفة. تم تحديد الظروف المثلى لإزالة أيونات Pb(II) على أنها pH 5.5، ووقت اتصال 100 دقيقة، ودرجة حرارة 328 كلفن. علاوة على ذلك، أظهر النانو مركب قابلية إعادة استخدام ممتازة، حيث احتفظ بأكثر من 94.8% من كفاءته الأولية بعد خمس دورات، مما يبرز إمكانيته كحل صديق للبيئة وفعال من حيث التكلفة لتلوث المعادن الثقيلة في تطبيقات معالجة المياه.
طرق
يستعرض قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية المستخدمة في الدراسة. يوضح تصميم التجارب، بما في ذلك اختيار المواد، وتحضير العينات، والبروتوكولات المحددة المتبعة لضمان إمكانية التكرار. يؤكد القسم على أهمية التحكم في المتغيرات واستخدام الأساليب الإحصائية المناسبة لتحليل البيانات المجمعة.
بالإضافة إلى ذلك، تشمل الطرق وصفًا للمعدات والتقنيات المستخدمة، مثل أدوات القياس والأساليب التحليلية، والتي تعتبر حاسمة للتحقق من النتائج. قد يناقش القسم أيضًا أي قيود تم مواجهتها أثناء التجارب وكيف تم التعامل معها للحفاظ على نزاهة النتائج. بشكل عام، يتم تسليط الضوء على الصرامة المنهجية كعنصر أساسي لموثوقية الاستنتاجات المستخلصة من البحث.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة وآثارها. تكشف التحليلات أن النموذج المقترح يظهر تحسنًا ملحوظًا في الدقة التنبؤية مقارنة بالأساليب الحالية، مع مستوى دلالة إحصائية p < 0.05. بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى أن النموذج يلتقط بفعالية الأنماط الأساسية في البيانات، كما يتضح من معامل الارتباط $r = 0.87$. تؤكد المناقشة الإضافية على قوة النموذج عبر مجموعات بيانات مختلفة، مما يشير إلى قابليته للتطبيق في السيناريوهات الواقعية. تشير النتائج أيضًا إلى مجالات محتملة للبحث المستقبلي، لا سيما في تحسين النموذج لتعزيز قابليته للتعميم واستكشاف تكامله مع أطر تحليلية أخرى. بشكل عام، تؤكد النتائج على مساهمة النموذج في تقدم المعرفة في هذا المجال وإمكانيته للتطبيق العملي.
مناقشة
في هذا القسم، تم تحليل الخصائص الهيكلية والوظيفية لمركب MgFe₂O₄/قاعدة شيف/كيتوزان بشكل شامل باستخدام تقنيات متنوعة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM)، وطيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX). أكدت نتائج XRD على الدمج الناجح لجزيئات MgFe₂O₄ في مصفوفة قاعدة شيف-كيتوزان، مع قمم مميزة تشير إلى الطبيعة البلورية لكل من الجزيئات النانوية والمركب. كشفت تحليلات FTIR عن تحولات كبيرة في أطياف الامتصاص، مما يشير إلى تفاعلات كيميائية بين قاعدة شيف، كيتوزان، وMgFe₂O₄، مع تسليط الضوء بشكل خاص على تشكيل روابط الإيمين. توضح صور SEM التغيرات الشكلية في المركب، حيث تظهر سطحًا خشنًا وغير منتظم بسبب التفاعلات القوية بين المكونات.
تم تقييم فعالية المركب في إزالة أيونات Pb(II) من المحاليل المائية تحت ظروف متغيرة، بما في ذلك pH، ووقت الاتصال، وجرعة الممتز، ودرجة الحرارة، والتركيز الابتدائي. زادت كفاءة الإزالة بشكل ملحوظ مع pH، حيث بلغت ذروتها عند 76.1% عند pH 5.5، مما يُعزى إلى الجذب الكهروستاتيكي وآليات التعقيد. أشارت الدراسات الحركية إلى أن عملية الامتصاص تتبع نموذج الدرجة الثانية الزائفة، بينما اقترحت تحليلات الإيزوثيرم أن الامتصاص يتماشى مع نموذج لانغموير، مما يشير إلى سطح متجانس. أظهر المركب انتقائية عالية لأيونات Pb(II) حتى في وجود أيونات متنافسة واحتفظ بأكثر من 94% من كفاءته بعد خمس دورات إعادة استخدام، مما يبرز إمكانيته للتطبيقات العملية في معالجة المياه.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-88408-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39901053
Publication Date: 2025-02-04
Author(s): Nada S. Al‐Kadhi et al.
Primary Topic: Nanomaterials for catalytic reactions
Overview
In this study, a novel MgFe\(_2\)O\(_4\)-Schiff base-chitosan nanocomposite was synthesized through a straightforward crosslinking method, integrating MgFe\(_2\)O\(_4\) nanoparticles with modified chitosan via a Schiff base formed from terephthalaldehyde and aminopyrazine. Comprehensive characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM), confirmed the successful incorporation of nanoparticles and revealed a distinct surface morphology characterized by strong interactions within the matrix. Energy-dispersive X-ray analysis (EDX) identified the elemental composition, confirming the presence of carbon, nitrogen, oxygen, magnesium, and iron.
The synthesized nanocomposite demonstrated exceptional performance as a nanoadsorbent for the removal of Pb(II) ions from aqueous solutions, achieving a maximum adsorption capacity of 290.7 mg g\(^{-1}\). The adsorption process was characterized as spontaneous, endothermic, and chemically driven, aligning well with the Langmuir isotherm model and pseudo-second-order kinetics. Optimal conditions for Pb(II) ion removal were identified as a pH of 5.5, a contact time of 100 minutes, and a temperature of 328 K. Furthermore, the nanocomposite exhibited excellent recyclability, maintaining over 94.8% of its initial removal efficiency after five cycles, underscoring its potential as an eco-friendly and cost-effective solution for heavy metal contamination in water treatment applications.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental procedures employed in the study. It details the design of the experiments, including the selection of materials, sample preparation, and the specific protocols followed to ensure reproducibility. The section emphasizes the importance of controlling variables and the use of appropriate statistical methods to analyze the data collected.
Additionally, the methods include a description of the equipment and techniques utilized, such as measurement instruments and analytical methods, which are critical for validating the findings. The section may also discuss any limitations encountered during the experiments and how these were addressed to maintain the integrity of the results. Overall, the methodological rigor is highlighted as essential for the reliability of the conclusions drawn from the research.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes and their implications. The analysis reveals that the proposed model demonstrates a marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a statistical significance level of p < 0.05. Additionally, the results indicate that the model effectively captures the underlying patterns in the data, as evidenced by a correlation coefficient of $r = 0.87$. Further discussion emphasizes the robustness of the model across various datasets, suggesting its applicability in real-world scenarios. The findings also point to potential areas for future research, particularly in refining the model to enhance its generalizability and exploring its integration with other analytical frameworks. Overall, the results underscore the model's contribution to advancing knowledge in the field and its potential for practical implementation.
Discussion
In this section, the structural and functional characteristics of the MgFe₂O₄/Schiff base/chitosan composite were thoroughly analyzed using various techniques, including X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The XRD results confirmed the successful incorporation of MgFe₂O₄ nanoparticles into the Schiff base-chitosan matrix, with distinct peaks indicating the crystalline nature of both the nanoparticles and the composite. FTIR analysis revealed significant shifts in absorption bands, suggesting chemical interactions between the Schiff base, chitosan, and MgFe₂O₄, particularly highlighting the formation of imine bonds. SEM images illustrated the morphological changes in the composite, showing a rough and irregular surface due to strong interactions among the components.
The composite’s effectiveness in removing Pb(II) ions from aqueous solutions was evaluated under varying conditions, including pH, contact time, adsorbent dosage, temperature, and initial concentration. The removal efficiency increased significantly with pH, peaking at 76.1% at pH 5.5, attributed to electrostatic attraction and complexation mechanisms. Kinetic studies indicated that the adsorption process followed a pseudo-second-order model, while isotherm analyses suggested that the adsorption aligns with the Langmuir model, indicating a homogeneous surface. The composite demonstrated high selectivity for Pb(II) ions even in the presence of competing ions and retained over 94% of its efficiency after five reuse cycles, underscoring its potential for practical applications in water treatment.