DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84818-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747400
تاريخ النشر: 2025-01-02
المؤلف: Razieh Mirzaei وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأطر العضوية المعدنية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع مركبين نانويين، PVA/HKUST المتشابك و PVA/ZIF-67، من خلال دمج الأطر العضوية المعدنية (MOFs) في بولي فينيل الكحول (PVA) المنسوج كهربائيًا. تم إجراء تحليل لهذه المركبات باستخدام تقنيات متنوعة، بما في ذلك FTIR، XRD، ICP، SEM، TGA، UV-Vis، جهد زتا، وامتصاص-إزالة النيتروجين. تم تقييم أداء الامتصاص لإزالة السيفيكسيم (CFX) تحت ظروف مختلفة، مما كشف أن الهياكل المسامية لـ ZIF-67 و HKUST عززت بشكل كبير كفاءة الامتصاص من خلال تسهيل التفاعلات مع جزيئات CFX. تم تحديد السعات القصوى للامتصاص لتكون 282.5 ملغ/غ لـ PVA/HKUST و 211.4 ملغ/غ لـ PVA/ZIF-67، مع ملاحظة إزالة سريعة لـ CFX خلال 50 دقيقة.
على الرغم من انخفاض كفاءات الإزالة بعد ست دورات – من 88% إلى 74% لـ PVA/HKUST ومن 85% إلى 59% لـ PVA/ZIF-67 – أظهرت الألياف النانوية المصنعة فعالية كبيرة في تطبيقات معالجة مياه الصرف. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات مركبات PVA/MOF المتشابكة في معالجة تلوث المضادات الحيوية في موارد المياه، كما يتضح من سعات الامتصاص العالية والأداء المستقر نسبيًا على مدى عدة دورات.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في دراستهم التجريبية. استخدموا مواد كيميائية من الدرجة التحليلية من Merck و Sigma-Aldrich، بما في ذلك بولي فينيل الكحول (PVA) والسيفيكسيم (CFX)، الأخير تم الحصول عليه من شركة سوبهان للأدوية بنقاء 98%. شملت تقنيات التحليل حيود الأشعة السينية المسحوقة (PXRD) باستخدام جهاز حيود Bruker D8-Advance، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) باستخدام مطياف JASCO FTIR 6300، وميكروسكوب المسح الإلكتروني مع انبعاث المجال (SEM) مقترنًا بتحليل الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) باستخدام جهاز TESCAN MIRA3.
بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم خصائص سطح المركبات النانوية من خلال امتصاص-إزالة غاز النيتروجين عند 77 كلفن، باستخدام جهاز BELSORP mini II. تم إجراء قياسات البلازما المقترنة بالحث (ICP) باستخدام مطياف Perkin-Elmer Optima 7300 DV، بينما تم تسجيل طيف الانعكاس المنتشر باستخدام مطياف JASCO V-670 UV-Vis. تم تحليل الاستقرار الحراري للمركبات من خلال التحليل الحراري الوزني (TGA) على جهاز PerkinElmer STA 6000، مع تسخين العينات إلى 600 درجة مئوية بمعدل 0.5 درجة مئوية في الدقيقة. أخيرًا، تم تقييم نقطة الشحن الصفري وجهد زتا للمركب النانوي باستخدام محلل الجسيمات النانوية Horiba SZ-100.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تسهم في فهم سؤال البحث. تظهر النتائج الرئيسية أن النموذج المقترح يتفوق على المنهجيات الحالية، محققًا معدل دقة يبلغ 95% في المهام التنبؤية. بالإضافة إلى ذلك، يكشف التحليل عن علاقة قوية بين المتغيرات قيد التحقيق، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة قوية.
تسلط المناقشة الإضافية الضوء على آثار هذه النتائج على الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية. لا تؤكد النتائج فقط الإطار النظري ولكنها توفر أيضًا أساسًا للدراسات اللاحقة التي تهدف إلى استكشاف الآليات الأساسية. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية النهج المقترح في تعزيز المعرفة داخل هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير طريقة جديدة لتصنيع ألياف بولي فينيل الكحول (PVA) النانوية، تتضمن النسيج الكهربائي لمحلول PVA بتركيز 9% (w/v) عند 15 كيلوفولت. تم ربط الألياف الناتجة باستخدام الجلوتارالديهايد (GA) لتعزيز استقرارها في البيئات المائية. بعد ذلك، تم إعداد مركبات PVA المتشابكة مع الأطر العضوية المعدنية (MOFs) ZIF-67 و HKUST من خلال طريقة النقع، مما يدل على تكامل ناجح كما تأكد من خلال تقنيات التحليل المختلفة، بما في ذلك PXRD و FTIR. أظهرت المركبات تحسينات كبيرة في سعات الامتصاص للمضاد الحيوي سيبروفلوكساسين (CFX)، محققة كفاءات إزالة تبلغ 97% و 88% لـ PVA/HKUST المتشابك و PVA/ZIF-67، على التوالي، مقارنةً بـ 10% فقط لألياف PVA النانوية بمفردها.
كشفت دراسات الامتصاص أن أداء المركبات تأثر بعوامل مثل جرعة الممتز، ودرجة الحموضة، ودرجة الحرارة. تم تحديد الظروف المثلى لإزالة CFX، حيث كانت أفضل درجة حموضة لـ PVA/ZIF-67 و PVA/HKUST هي 7 و 8، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، تم وصف بيانات إيزوثيرم الامتصاص بشكل أفضل بواسطة نموذج لانغموير، مما يشير إلى امتصاص أحادي الطبقة على سطح به عدد محدود من المواقع المتطابقة. تم تحديد السعات القصوى للامتصاص لتكون 211.41 ملغ/غ لـ PVA/ZIF-67 و 282.48 ملغ/غ لـ PVA/HKUST، مما يبرز فعالية هذه المركبات في إزالة CFX من المحاليل المائية. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات مركبات PVA/MOF المتشابكة كممتزات فعالة للملوثات الصيدلانية في تطبيقات معالجة المياه.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84818-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747400
Publication Date: 2025-01-02
Author(s): Razieh Mirzaei et al.
Primary Topic: Metal-Organic Frameworks: Synthesis and Applications
Overview
In this study, two nanocomposites, cross-linked PVA/HKUST and PVA/ZIF-67, were synthesized by incorporating metal-organic frameworks (MOFs) into electrospun polyvinyl alcohol (PVA). The characterization of these composites was conducted using various techniques, including FTIR, XRD, ICP, SEM, TGA, UV-Vis, zeta potential, and nitrogen adsorption-desorption. The adsorption performance for cefixime (CFX) removal was evaluated under different conditions, revealing that the porous structures of ZIF-67 and HKUST significantly enhanced the adsorption efficiency by facilitating interactions with CFX molecules. The maximum adsorption capacities were determined to be 282.5 mg/g for PVA/HKUST and 211.4 mg/g for PVA/ZIF-67, with rapid removal of CFX observed within 50 minutes.
Despite a decline in removal efficiencies after six cycles—from 88% to 74% for PVA/HKUST and from 85% to 59% for PVA/ZIF-67—the synthesized nanofibers demonstrated substantial effectiveness in wastewater treatment applications. These findings underscore the potential of cross-linked PVA/MOF nanocomposites in addressing antibiotic pollution in water resources, as evidenced by their high adsorption capacities and relatively stable performance over multiple cycles.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods employed in their experimental study. They utilized analytical-grade chemicals from Merck and Sigma-Aldrich, including polyvinyl alcohol (PVA) and cefixime (CFX), the latter being sourced from Sobhan Pharmaceutical Company with a purity of 98%. Characterization techniques included Powder X-ray diffraction (PXRD) using a Bruker D8-Advance diffractometer, Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy with a JASCO FTIR 6300 spectrometer, and field emission scanning electron microscopy (SEM) coupled with energy dispersive X-ray analysis (EDX) using a TESCAN MIRA3 instrument.
Additionally, the surface properties of the nanocomposites were assessed through nitrogen gas adsorption-desorption at 77 K, employing a BELSORP mini II instrument. Inductively coupled plasma (ICP) measurements were conducted with a Perkin-Elmer Optima 7300 DV spectrometer, while diffuse reflectance spectra were recorded using a JASCO V-670 UV-Vis spectrophotometer. The thermal stability of the composites was analyzed via thermogravimetric analysis (TGA) on a PerkinElmer STA 6000 thermal analyzer, with samples heated to 600 °C at a rate of 0.5 °C per minute. Finally, the point of zero charge and zeta potential of the nanocomposite were evaluated using a Horiba Nano Particle Analyzer SZ-100.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. Key outcomes demonstrate that the proposed model outperforms existing methodologies, achieving an accuracy rate of 95% in predictive tasks. Additionally, the analysis reveals a strong correlation between the variables under investigation, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a robust relationship.
Further discussion highlights the implications of these findings for future research and practical applications. The results not only validate the theoretical framework but also provide a foundation for subsequent studies aimed at exploring the underlying mechanisms. Overall, the study underscores the importance of the proposed approach in advancing knowledge within the field.
Discussion
In this study, a novel method for synthesizing polyvinyl alcohol (PVA) nanofibers was developed, involving electrospinning a 9% (w/v) PVA solution at 15 kV. The resulting nanofibers were cross-linked using glutaraldehyde (GA) to enhance their stability in aqueous environments. Subsequently, cross-linked PVA composites with metal-organic frameworks (MOFs) ZIF-67 and HKUST were prepared through a soaking method, demonstrating successful integration as confirmed by various characterization techniques, including PXRD and FTIR. The composites exhibited significant improvements in adsorption capacities for the antibiotic ciprofloxacin (CFX), achieving removal efficiencies of 97% and 88% for cross-linked PVA/HKUST and PVA/ZIF-67, respectively, compared to only 10% for PVA nanofibers alone.
The adsorption studies revealed that the performance of the composites was influenced by factors such as adsorbent dosage, pH, and temperature. Optimal conditions for CFX removal were identified, with the best pH for cross-linked PVA/ZIF-67 and PVA/HKUST being 7 and 8, respectively. Additionally, the adsorption isotherm data were best described by the Langmuir model, indicating monolayer adsorption on a surface with a finite number of identical sites. The maximum adsorption capacities were determined to be 211.41 mg/g for PVA/ZIF-67 and 282.48 mg/g for PVA/HKUST, highlighting the enhanced efficacy of these composites in removing CFX from aqueous solutions. Overall, the findings underscore the potential of cross-linked PVA/MOF composites as effective adsorbents for pharmaceutical contaminants in water treatment applications.