Nanomaterial Karbon untuk Pengolahan Air Terkontaminasi Logam Berat dan Remediasi Lingkungan

Klasifikasi Carbon Nanomaterials Berdasarkan Dimensinya

Nanomaterials yang memiliki ketiga dimensi kurang dari 100 nm disebut sebagai nanomaterial nol-dimensi (0-D); contohnya adalah fullerene dan quantum dot [44]. Nanomaterial yang hanya memiliki satu dimensi lebih besar dari 100 nm dan dua dimensi yang lebih kecil dari 100 nm disebut sebagai material nano satu dimensi (1-D), misalnya, nanotube karbon dan titanium [45, 46]. Nanomaterial yang dua dimensinya lebih besar dari 100 nm disebut sebagai nanomaterial dua dimensi, contoh yang terkenal adalah graphene. Bahan tiga dimensi yang semua dimensinya lebih besar dari 100 nm disebut sebagai bahan tiga dimensi (3-D); contohnya adalah grafit dan beberapa komposit bahan nano [46]. Gambar 3 menunjukkan beberapa bahan karbon struktur terkenal yang representatif dengan dimensi berbeda, misalnya fullerene 0-D, nanotube karbon dinding tunggal 1-D, graphene 2-D, dan grafit 3-D.

Contoh material nano karbon dengan dimensi berbeda

Penerapan Fullerene dalam Remediasi Lingkungan dan Pemurnian Air

Fullerene ditemukan pada tahun 1985 dari debu antarbintang, dan mereka memiliki struktur cincin pentagonal dan heksagonal sangkar tertutup, yang direpresentasikan dengan rumus C_20 + m dimana m adalah bilangan bulat [49]. Mereka memiliki karakter hidrofobik, afinitas elektron tinggi dan rasio permukaan terhadap volume yang tinggi, dan cacat permukaan. Sifat fisikokimia yang unik ini menjadikannya bahan yang ideal untuk berbagai aplikasi seperti semikonduktor, elektronik, ilmu biomedis, sel surya, sensor, kosmetik, fotosintesis buatan, dan pelapis permukaan [50,51,52]. Brunet dkk. menunjukkan bahwa fullerene yang berfungsi hidrofilik (C₆₀ ) juga telah diterapkan untuk membunuh mikroorganisme patogen dalam air dengan memanfaatkan proses fotokatalitik. Fullerene juga merupakan bahan hijau bersih yang ideal untuk penyimpanan hidrogen karena molekul fullerene dapat dengan mudah diubah menjadi ikatan C-C menjadi C-H karena energi ikatan karbon dan hidrogen yang lebih rendah [27]. Fullerene telah dilaporkan memiliki penyimpanan maksimum hidrogen 6,1% karena kimia dan struktur molekul kandangnya, dan struktur fullerene dapat dengan mudah dibalik kembali karena energi ikatan C-C yang lebih tinggi [3, 53, 54]. Lapisan konduktif karbon diterapkan pada permukaan elektroda kapasitor super, dan kapasitansi mereka bergantung pada luas permukaan, distribusi ukuran pori, dan konduktivitas listrik [55, 56]. Nanomaterial berbasis karbon memberikan konduktivitas listrik yang lebih tinggi daripada material ortodoks yang tersedia karena luas permukaan yang lebih tinggi [57]. Material komposit berbasis fullerene telah dilaporkan menunjukkan kapasitansi spesifik yang lebih tinggi yaitu 135,36 Fg ^− 1 dibandingkan bahan graphene murni yang tidak dihibridisasi dengan fullerene. Selain itu, komposit berbasis fullerene menunjukkan tingkat waktu retensi yang lebih baik sebesar 92,35% bahkan setelah lingkaran pengisian / pengosongan 1000 [58]. Fullerene juga telah digunakan dalam baterai lithium ion sebagai anoda dan memberikan efisiensi yang lebih baik dengan penggantian anoda logam yang tidak dapat terurai, sehingga terbukti bermanfaat dalam hal efisiensi dan bahan yang ramah lingkungan. Sifat fisikokimia fullerene juga menjadikannya kandidat yang cocok untuk ekstraksi spesies yang berbeda dari media berair [59, 60]. Pickering dkk. merancang senyawa fullerene yang larut dalam air dan berhasil menerapkannya sebagai sensitizer untuk menghasilkan spesies oksigen reaktif (ROS) dalam air pada penyinaran radiasi sinar tampak dan ultraviolet. ROS dapat fotodegradasi kontaminan organik dalam air, dan selain itu, fullerene yang larut dalam air (fullerol) juga bertindak sebagai anti-oksidan. Yang terpenting, fullerol dapat dengan mudah dihilangkan dari air setelah melakukan fungsi fotodegradasi [53].

Dipercaya bahwa spesies teradsorpsi fullerene dengan penetrasi adsorbat di ruang/cacat antara nanocluster karbon, dan selain cacat, kecenderungan agregasi yang lebih rendah dan luas permukaan yang besar menjadikannya bahan nano yang berguna untuk diterapkan untuk adsorpsi ion logam berat dari air [61, 62]. Alekseeva dkk. melakukan studi perbandingan film fullerene dan nanokomposit-polistirena untuk menghilangkan Cu ²⁺ ion; mereka menemukan bahwa fullerene menunjukkan efisiensi yang lebih baik [60]. Mereka juga menemukan bahwa fullerene mengikuti model adsorpsi Langmuir untuk Cu ²⁺ ion [60]. Mereka menetapkan bahwa Cu ²⁺ efisiensi penyisihan fullerene lebih tinggi dalam kasus pertama, dan keseimbangan isoterm dari Cu ²⁺ adsorpsi pada fullerene sesuai dengan model Langmuir. Meskipun fullerene memiliki potensi besar untuk aplikasi adsorpsi air, biayanya terlalu tinggi yang membatasi pemanfaatannya. Namun, jumlah jejak fullerene dapat digunakan untuk membuat bahan lain seperti karbon aktif, lignin, dan zeolit ​​untuk meningkatkan efisiensi adsorpsi [63]. Pembuatan fullerene meningkatkan karakter hidrofobik yang membuat bahan lebih baik untuk diterapkan dalam adsorpsi dan juga membantu dalam daur ulang lebih mudah [64]. Bahan antibakteri telah dilaporkan terbentuk dengan mencangkok fullerene C₆₀ dengan polivinilpirolidon (PVP) yang berpotensi untuk diaplikasikan dalam desinfeksi air. Teknologi membran semakin mendapat perhatian dalam pemurnian garam, bahan organik, partikel, dan gas dari air. Kinerja membran tergantung pada komposisi bahan karena bertanggung jawab untuk reaktivitas, selektivitas, dan kekuatan mekanik. Fullerene memiliki potensi yang kuat untuk diterapkan dalam teknologi membran karena fungsionalitasnya yang mudah, afinitas elektron yang tinggi, kekuatan yang besar, kemampuan untuk menyesuaikan ukuran, dll. Fullerene dapat berguna dalam mencangkok nano-adsorben untuk meningkatkan efisiensi adsorpsinya.

Biokompatibilitas Fullerene

Nanomaterial berbasis fullerene telah dieksploitasi untuk aplikasi biomedis, dan berbagai penelitian telah mengungkapkan biokompatibilitasnya dengan organisme hidup. Ini telah digunakan sebagai bioreseptor serta biosensor dan juga dieksploitasi dalam rekayasa biomedis, dan telah dilaporkan biokompatibel dengan sistem kehidupan [65,66,67,68,69]. Fullerene adalah bahan tidak beracun yang dapat dimanfaatkan untuk filtrasi, adsorben, dan bahan membran untuk aplikasi lingkungan dan pengolahan air.

Tabung Nano Karbon (CNT)

Karbon nanotube ditemukan oleh Lijima pada tahun 1999, dan mereka dapat berupa single-wall (SWCNTs), misalnya, graphene digulung berlapis, atau nanotube karbon multiwall (MWCNTs), misalnya, graphene digulung berlapis-lapis [70]. CNT telah menjadi fokus penelitian nanoteknologi sejak penemuannya karena sifat fisikokimianya yang unik. Alotrop karbon berstruktur nano silinder ini diterapkan dalam elektronik, semikonduktor, emisi medan, penyimpanan energi, katalisis, biomedis, filter udara dan air, dll. Diameternya bisa dari 1 nm hingga beberapa nanometer dengan luas permukaan spesifik yang besar (150– 1500 m ² /g), dan memiliki mesopori yang menjadikannya kandidat ideal untuk menghilangkan ion logam berat melalui adsorpsi [71, 72]. Selain itu, CNT dapat dengan mudah difungsikan dengan berbagai molekul organik yang dapat membuatnya spesifik untuk pemilihan adsorbat dan kemampuan adsorpsinya dapat ditingkatkan [73]. Mekanisme penyerapan logam berat oleh CNT bergantung pada fitur permukaan, potensial elektrokimia, dan proses pertukaran ion [11, 73].

Aplikasi Lingkungan dari Teknologi Ramah Lingkungan Berbasis CNT/CNT

Ada peningkatan besar dalam permintaan energi global, dan banyak upaya diberikan untuk mengembangkan bahan yang sederhana, ekonomis, dan ramah lingkungan untuk teknologi yang andal untuk bahan sumber energi. Energi matahari dihasilkan oleh konversi listrik surya dan konversi panas matahari [74]. Namun, efisiensi konversi termal yang rendah pada kolektor surya merupakan rintangan utama.

Nanofluida karbon sedang banyak diterapkan dalam konversi panas matahari karena kinerjanya yang baik sebagai penyerap matahari [75]. Sel fotovoltaik berbasis nanotube karbon (PVC) mendapat banyak perhatian para ilmuwan karena mereka dapat menjadi semikonduktor tipe-p dengan mobilitas yang sangat baik dan kombinasi mereka dengan donor elektron adalah ide baru dan unik [76, 77]. Perangkat fotovoltaik organik dapat dengan mudah dirancang dengan pembuatan CNT dengan polimer [78]. Sel surya berbasis heterojungsi CNT -Si (p-n) telah dirancang untuk menghasilkan film konduktif dan transparan yang sangat baik. Selain itu, CNT dengan galium arsenida tipe-n (n-GaAs) juga telah dilaporkan dengan efisiensi yang lebih baik sebesar 3,8% untuk laser hijau dan lampu meja [79]. CNT juga telah banyak dieksploitasi perangkat penyimpanan energi bekerja pada prinsip-prinsip kapasitor lapis ganda elektrokimia (EDLCs) seperti ultrakapasitor [80]. Penggabungan CNT dalam elektroda ultrakapasitor menghasilkan banyak peningkatan dalam umur yang memiliki lebih dari 300.000 siklus [81]. Selain itu, CNT kapasitor super juga telah digunakan dalam dioda daripada transistor konvensional karena mereka dapat membuat sambungan p-n yang sempurna karena sifat mekanik dan listriknya yang sangat baik [58]. CNT juga telah banyak digunakan dalam teknologi sensor canggih karena dapat meningkatkan sensitivitas, selektivitas, waktu respons, efektivitas biaya, dan masa pakai bahan kimia dan biosensor [90]. Hasil ini menyarankan CNT yang lebih baik untuk menjadi bahan yang ideal dengan mobilitas yang sangat baik dan efisiensi yang lebih baik tanpa dampak negatif terhadap lingkungan yang merupakan kelemahan utama dengan bahan tipe-p berbasis logam yang paling umum diterapkan.

Aplikasi CNT dalam Fotokatalisis

Fotokatalisis adalah salah satu teknologi canggih yang diterapkan untuk pengolahan air limbah yang memanfaatkan semikonduktor [82]. Berbagai bahan semikonduktor sedang diterapkan yaitu Fe₃ O₄ , ZnO, dan TiO₂; namun, efisiensi kuantum bahan ini tidak tinggi, dan selain itu, respons foto ultravioletnya juga lambat [83]. CNT menjanjikan bahan canggih untuk katalisis karena peningkatan efisiensi kuantum, ukuran nano, stabilitas kimia yang tinggi, struktur tabung berongga, dan wilayah adsorpsi cahaya yang diperluas karena luas permukaan spesifiknya yang besar [84]. Gao dkk. SWCNTs-TiO berbasis fotokatalis jaringan ultra tipis₂ dan berhasil diterapkan untuk pemurnian air dari minyak [85]. Taman dkk. menghiasi titania pada aerogel SWCNTs dan berhasil diterapkan untuk menghilangkan metilen biru dari air [86]. Zhao dkk. MWCNTs-TiO₂ dan diterapkan untuk fotodegradasi metilen biru [87]. Xu dkk. fotokatalis yang dirancang dengan kombinasi hidroksi-MWCNTs dan PbO₂ anoda nanokristalin dan berhasil menerapkannya untuk menghilangkan piridin dari air [88].

SWCNT dalam Pemurnian Air Terkontaminasi Logam Berat

SWCNT adalah bahan nano karbon satu dimensi (1-D) yang terbuat dari tabung berongga dengan dinding setebal satu atom. Bahan 1-D ini menunjukkan sifat fisikokimia yang luar biasa karena strukturnya yang unik. SWCNTs sedang banyak diterapkan di berbagai bidang seperti semikonduktor, elektronik, ilmu biomedis, kimia, dan biosensor [44, 89,90,91,92,93]. SWCNT juga banyak digunakan untuk pengendalian pencemaran lingkungan karena strukturnya yang berpori, luas permukaan yang tinggi, fungsionalisasi permukaan yang lebih mudah, dan ukuran nano. Sifat-sifat SWCNT ini sangat menjanjikan untuk aplikasinya dalam pengolahan air. Alijani dkk. merancang nanokomposit berbasis SWCNT dengan memfabrikasinya dengan magnetit kobalt sulfida, dan nanokomposit yang dihasilkan diaplikasikan untuk menghilangkan merkuri; hasil menunjukkan adsorpsi tinggi lebih dari 99,56% dalam waktu yang lebih singkat dari 7 min [94]. Dibandingkan dengan ini, SWCNTs sendiri ditemukan untuk menyerap 45,39% merkuri [94]. Anita dkk. melakukan simulasi dinamik molekular SWCNT telanjang dan rekan fungsionalnya, misalnya, SWCNTs-OH, SWCNTs-NH₂ , dan SWCNTs-COOH untuk kapasitas adsorpsi ion logam berat, misalnya, Cd ²⁺ , Cu ²⁺ , Pb ²⁺ , dan Hg ²⁺ dari media air. Hasil penelitian menunjukkan bahwa SWCNTs-COOH memiliki kapasitas adsorpsi yang jauh lebih tinggi sekitar 150-230% dibandingkan dengan SWCNTs telanjang. SWCNTs-OH dan SWCNTs-NH ditemukan lemah dalam adsorpsi karena mereka hanya menunjukkan adsorpsi 10-47% lebih tinggi dibandingkan dengan SWCNTs [95]. SWCNTs-COOH juga telah dilaporkan untuk adsorpsi Pb ²⁺ , Cu ²⁺ , dan Cd ²⁺ ion dengan kapasitas adsorpsi masing-masing 96,02, 77,00, dan 55,89 mg/g. Dibandingkan dengan ini, SWCNT yang tidak berfungsi ditemukan menyerap 33,55, 24,29, dan 24,07 mg/g, untuk Pb ^2+, Cu ²⁺ , dan Cd ²⁺ ion masing-masing [96]. Zazouli dkk. merancang nanokomposit SWCNT dengan memfungsikannya dengan l-sistein. Mereka menerapkan nanokomposit yang dirancang untuk menghilangkan merkuri dari air. Efisiensi adsorpsi dari SWCNTs-sistein yang dirancang ditemukan menjadi 95% [97]. Gupta dkk. merancang membran berbasis nanokomposit SWCNTs-polisulfon dan diterapkan untuk menghilangkan logam berat. Penggabungan SWCNT menghasilkan pengurangan ukuran pori membran dan permukaan yang lebih halus. Membran yang dirancang ternyata menunjukkan kemampuan penolakan yang tinggi untuk ion logam dan menghilangkan 96,8% Cr ^+ 6 , 87,6% Sebagai ^+ 3 , dan 94,2% Pb ^+ 2 ion. Membran tanpa SWCNT hanya menunjukkan penolakan 30,3%, 28,5%, dan 28,3% untuk Cr ^+ 6 , Sebagai ^+ 3 , dan Pb ^+ 2 ion masing-masing. Hasil ini menunjukkan peningkatan efisiensi membran karena penggabungan SWCNTs [98]. Dehghani dkk. menerapkan SWCNT untuk menghapus Cr ^+ 6 ion dari air dan mengevaluasi pengaruh parameter yang berbeda, misalnya, waktu kontak, pH awal, dan Cr ^+ 6 awal konsentrasi ion pada kapasitas adsorpsi. Diamati bahwa efisiensi adsorpsi tergantung pada pH, efisiensi maksimum ditemukan pada pH-2,5, dan adsorpsi mengikuti model isoterm Langmuir [99]. Studi ini menunjukkan bahwa nanotube karbon berdinding tunggal cocok untuk pengolahan air yang terkontaminasi logam berat.

MWCNTs dalam Pemurnian Air Terkontaminasi Logam Berat

Tabung nano karbon yang memiliki beberapa lapisan graphene yang digulung disebut tabung nano karbon multiwall (MWCNTs), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. MWCNT menunjukkan sifat unik seperti luas permukaan yang tinggi, listrik yang tinggi, konduktivitas termal, dan kekuatan tarik yang tinggi [100]. Karena sifat fisikokimia ini, mereka banyak diterapkan dalam elektronik, sel surya, sensor, dan ilmu biomedis [101.102.103]. MWCNT juga telah banyak diterapkan dalam pengolahan air, dan terutama ion logam berat diadsorpsi oleh interaksi kimia dengan gugus fungsi MWCNT. MWCNT yang teroksidasi telah dilaporkan memiliki kapasitas dan efisiensi adsorpsi yang tinggi untuk Cr ⁶⁺ , Pb ²⁺ , dan Cd ²⁺ ion dari air [104, 105]. Adsorpsi ion logam juga tergantung pada nilai pH, dan sifat ini dapat diterapkan untuk desorpsi ion dengan mengubah pH, ​​dan MWCNT dapat digunakan kembali. Beberapa penelitian telah mengungkapkan bahwa MWCNT yang teroksidasi plasma memiliki sifat adsorpsi yang lebih baik daripada yang teroksidasi secara kimia; ini dapat dianggap berasal dari jumlah kelompok fungsional teroksigenasi yang lebih tinggi yang ada pada permukaan nanotube karbon. Lebih lanjut, telah dilaporkan bahwa MWCNT yang teroksidasi plasma dapat dengan mudah didaur ulang dan digunakan kembali [72, 106].

Struktur tabung nano karbon multiwall (MWCNT)

Material komposit MWCNTs juga telah digunakan untuk adsorpsi ion logam berat dari air. MWCNTs-Fe₂ O₃ , MWCNTs-ZrO₂ , MWCNTs-Fe₃ O₄ , MWCNTs-Al₂ O₃ , dan MWCNTs-MnO₂ -Fe₂ O₃ nanokomposit telah berhasil diterapkan untuk menghilangkan ion berat Cr ⁶⁺ , Sebagai ³⁺ , Ni ²⁺ , Pb ²⁺ , dan Cu ²⁺ ion dari air [107.108.109.110]. Kondisi eksperimental solusi, termasuk pH dan konsentrasi ion logam, dapat mempengaruhi karakteristik adsorpsi MWCNTs, dan model adsorpsi Freundlich puas dengan data eksperimen mereka [81, 111]. Efisiensi adsorpsi MWCNT yang difungsikan meningkat dibandingkan dengan bahan organik oksida lainnya, dan juga diprediksi bahwa MWCNT yang difungsikan 20 kali lebih efektif dalam adsorpsi ion logam daripada MWCNT yang tidak teroksidasi [112]. Secara umum diyakini bahwa hubungan ion dan kemunculan permukaan kutub nanotube karbon adalah mekanisme utama penyerapan, [113, 114]. MWCNT teroksidasi juga menunjukkan kapasitas dan efisiensi penyerapan yang sangat tinggi untuk Pb ²⁺ , Cd ²⁺ , dan Cr ⁶⁺ dari air. Kemanjuran penyerapan MWCNTs dengan perlakuan asam meningkatkan potensi untuk menghilangkan ion timbal, kromium, dan kadmium dengan gugus fungsi oksigen membuat kompleks ion atau endapan garam pada permukaan [115]. Adsorpsi MWCNT yang diolah dengan HNO pekat₃ increases significantly mainly due to oxygen functional groups created on the surface of acidified nanotubes that can react with metal ions to form complex or salt precipitates on the surface. The MWCNT composites with certain compounds like iron (III) oxide, zinc oxide, and aluminum oxide are formed by a coprecipitation method, and resulting composites are successfully applied for the removal of chromium, nickel, lead, copper, and arsenic ions. The adsorption efficiency of these nanocomposites was found to be dependent on the pH value and temperature, and the sorption process can be accomplished by changing these parameters [116, 117]. Depending on the pH and temperature, the sorption capacity of these composites varied from 10 to 31 mg/g. The adsorption process for these nanocomposites was well described by the Langmuir model [118]. The nanocomposites of oxidized multiwalled MWCNTs with manganese oxide/iron (III) oxide are reported to remove Cr ⁶⁺ ions with maximum adsorption capacity of 186.9 mg/g with the maximum removal capacity of 85% at the optimum pH 2.1 studies. Their promising adsorption was due to the surface polarity of the adsorbents. It has also been reported that plasma-oxidized MWCNTs are better in adsorption compared to chemically oxidized ones as the prior ones have more oxygenated functional groups [119]. Plasma-oxidized technique has also been reported for the formation of nanotubes with titanium oxide and manganese dioxide and utilized for the removal of lead ions from water. The results showed that these hybrid systems can act as an effective adsorbent for the lead ions in the first case; the adsorption capacity was 137 mg/g, and in the second case, it was 78.74 mg/g [120]. In a heterogeneity adsorbent surface, sites combined twice are fitted in the isotherms models of the Langmuir-Freundlich equation that was used to differentiate between two types of adsorption sites with greater and lesser energy affinities for the Ni ²⁺ ions [121]. It is believed that nickel ion sorption mainly occurs at the sites of energy with modified nanocomposites of MWCNTs and the nano-modification leads to a 20% increase in the adsorption capacity at small (up to 0.1 mol/l) equilibrium adsorbate concentrations. Another modification reported for MWCNTs is their functionalization with hydroxyquinoline and their application for the removal of copper, lead, cadmium, and other toxic ions [122]. The carbon nanotubes alone as well as in their oxidized and in their composite forms have tremendous ability to adsorb the heavy metal ions, and a lot of research is in progress for their applications in purification of water. Elsehly et al. applied commercial MWCNTs for the removal of the manganese and iron which could reach 71.5% and 52% respectively with a concentration in aqueous solution of 50 ppm of these metal ions [123]. In another study, CNT-based nanocomposites have been applied for the removal iron and manganese from the water [124].

Biocompatibility of CNTs

Carbon nanotubes have great potential to be applied for multidisciplinary fields like drug delivery, diagnosis, biosensors, electronics, semiconductors, and environmental remediations [125]. Different studies revealed the biocompatibility of CNTs as it has been widely exploited for biomedical applications [126, 127]. Carbon-based materials like CNTs are safe to be applied for the environmental remediation and in particularly for water treatment.

Graphene Based Material for Environmental Remediation

Graphene-based material for the adsorption of gaseous contaminants

Carbon dioxide (CO₂ ) has been the environmental concern because of its immense effect in global warming [128]. Nanomaterials have been found to be promising materials as compared to conventional materials both with respect to cost and efficiency [129]. Graphene-based materials have been utilized for the adsorption of gaseous contaminants [130]. Gosh et al. showed the successful application of graphene-based nanomaterials for the capture of CO₂ dan H₂ . A single layer of graphene has been reported to capture 37.93% of CO₂ [130]. Graphene has been reported to selectively adsorb CO₂ as compared to methane (CH₄ ) and nitrogen (N₂ ) gases. Selectivity of graphene oxide (GO) for CO₂ can be attributed to higher dipole moment of carbon dioxide which can easily interact with polar oxygenated functional groups of CO₂ [74, 131]. Other studies have also been reported for tuning the graphene chemistry for the improved selectivity of the desired gaseous contaminant [75, 131].

Graphene Oxide in Removal of Organic Dyes from Water

Graphene-based nano-adsorbents are excellent advanced materials for the removal of the organic contaminants from the water because of their nano-scaled size, high surface area, ability to interact via pi-pi stacking, hydrogen bonding, and electrostatic interactions [26]. In comparative adsorption studies of GO and graphite using methylene blue and malachite green as standard organic dyes, it was found that GO showed much better adsorption than graphite [26]. GO has also been utilized for the removal of cationic dyes namely methylene blue (MB), crystal violet (CV), and rhodamine B (RhB) from water. It was found that the higher the initial dye concentration, the higher will be the adsorption with adsorption capacities of 199.2, 195.4, and 154.8 mg g ⁻¹ for MB, CV, and RhB, respectively [76]. GO has also successfully applied for the removal of anionic dyes like Acid Orange 8 (AO8) and Direct Red 23 (DR23) from aqueous solutions [77].

Graphene-Based Photocatalytic Materials for Water Decontamination

Although adsorption can remove the contaminant from water, the adsorption technique is unable to destroy/degrade the contaminants and disposal step is required [77]. Photocatalysis is a useful approach for water remediation/wastewater treatment for the complete degradation and mineralization of organic/biological contaminants [78]. Graphene-based photocatalysts have been reported for their improved activity because of their high surface area, nanosize, and more electronic movements as compared to the traditionally used materials [78, 132]. Rommozzi et al. designed reduced graphene oxide (rGO) with a greener reduction method using glucose and ammonium hydroxide and successfully designed a photocatalyst which is visible by the fabrication with TiO₂ . The designed rGO-TiO2 photocatalyst was successfully applied for the refractory dye named Alizarin Red S (ARS) [133]. In other studies, graphene oxide fabricated with TiO₂ and ZnO exhibited much photodegradation of methylene blue as compared to TiO₂ /ZnO alone [79, 80].

Graphene and Graphene Oxide-Based Adsorbents for the Purification of Heavy Metal-Contaminated Water

Graphene is one-atom-thick-layered hexagonal lattice of carbon atoms and is known as the thinnest material with the strength of 200 times than steel. Graphene was discovered in 2004 by Sir Andre Geim and Sir Konstantin Novoselov, who were awarded a Nobel prize for their discovery in 2010. Graphene (2-D) is being used widely in almost every field such as in touch screens, mobiles, LCDs, semiconductors, computer chips, batteries, energy generation, water filters, supercapacitors, solar cells, and biomedical and environmental sciences [134,135,136,137]. These 2-D graphene-based materials are getting more and more attention in water treatment due to their unique physicochemical characteristics namely electronic properties, high surface area, thermal mobility, high mechanical strength, and tunable surface chemistry [118, 134, 138, 139]. Tabish et al. designed porous graphene and applied it as an adsorbent for the removal of heavy metal ions as well as other pollutants from water. They applied this porous graphene material for As ³⁺ removal from water and found 80% efficiency. The material was found to retain its water treatment properties after regeneration and recycling [138]. Guo dkk. designed a nanocomposite of partially reduced graphene oxide by its fabrication with Fe₃ O₄ via in situ co-precipitation method and applied it for the removal of Pb ²⁺ ions from water. The designed nanocomposite was found to be excellent in removing the Pb ²⁺ ions from aqueous solution with an adsorption capacity of 373.14 mg/g [140]. Zhang dkk. functionalized the reduced graphene oxide with 4-sulfophenylazo (rGOs) and applied it for the removal of a variety of heavy metal ions from aqueous solution. The designed material showed the maximum adsorption capacity of 689, 59, 66, 267, and 191 mg/g for the Pb ²⁺ , Cu ²⁺ , Ni ²⁺ , Cd ²⁺ , and Cr ³⁺ respectively [141]. Diana et al. designed a graphene-based self-propelled microbot system whose structure was made up of nanosized multilayered consisting of graphene oxide, nickel, and platinum. Each layer performed a different function, e.g., graphene oxide captures the heavy metal Pb ²⁺ ions, the middle layer of Ni enables the control of microbots with the help of external magnetic field, and the inner layer of platinum helps the engine in self-propelling [142]. The designed system was found to remove the 80% of the Pb ²⁺ water solution. Figure 5 shows the schematic illustration of the working principle of microbots. Yang dkk. designed hydrogen beads using graphene oxide and sodium alginate (GO-SA) and successfully applied them for the removal of Mn ²⁺ ions from the aqueous solution with excellent adsorption capacity of 56.49 mg/g [9]. Zheng dkk. designed nanocomposites by fabrication of zinc oxide with tea polyphenol with reduced graphene oxide (TPG-ZnO). Designed material was applied for the removal of heavy metal ions with an added advantage of antibacterial properties [143]. They applied this material for the removal of Pb ²⁺ ions from aqueous solution with adsorption efficiency of 98.9%, and the adsorbent was found to possess antibacterial properties against Streptococcus mutans with 99% eradication [143]. Mousavi et al. designed nanocomposites of graphene oxide with iron oxide magnetite nanoparticles Fe₃ O₄ and applied them for the removal of Pb ²⁺ ions from water and the material showed 98% removal efficiency with a capacity of 126.6 mg/g [144]. Considering functionalized graphene as an adsorbent to remove Pb ²⁺ ions from an aqueous medium, the highest record of Pb ²⁺ ion removal over graphene is 406.6 mg/g at pH of 5.0 in 40 min [145]. Graphene-hydrogel lingo sulfonate functionalized nanocomposites having oxygenated functional groups making the surface highly polar reported to increase the rate of adsorption of Pb ²⁺ ions with maximum efficacy of 1308 mg/g with the equilibrium reached in 40 min. Awad et al. modified graphene oxide with chloroacetic acid (GO-COOH) and ethylenediamine (GO-amino). The designed systems were applied for the removal of mercury (Hg ²⁺ ) from water and found that the nanocomposites (GO-COOH) and (GO-amino) have an adsorption capacity of 122 mg/g and 230 mg/g. In addition to this, designed systems retained their adsorption efficiency after the recycling process [146]. Yan dkk. designed magnet graphene oxide for the rapid removal and separation of Fe (II) and Mn (II) from micropolluted water [147]. Ali et al. designed graphene-based adsorbent successfully for the removal of noxious pollutants namely Cu (II), Pb (II), Fe (II), and Mn (II) [148].

Scheme of GOx-microbot-based approach for lead decontamination and recovery. a Decontamination of polluted water using GOx-microbots fabricated by electrodeposition of nanolayers of graphene oxide (GOx), Pt/Ni layer, Ni magnetic layer, and Pt catalytic inner layer. The decontamination strategy for lead ions can be carried out by two different techniques:self-propulsion of the GOx-microbots in the presence of H₂ O₂ or by using an external rotating magnetic field. b Recovery of lead ions from the GOx-microbots in the presence of acidic media [117]

Biocompatibility of Graphene-Based Nanomaterial

Graphene-based nanomaterials have been applied in different fields like electronics, chemical sensors, biosensors, drug delivery, theragnostic, and other related biomedical fields. These studies also report the cytocompatibility of graphene-based materials both by in vitro as well as in vivo animal studies [122, 133, 149,150,151,152]. These findings suggest that the graphene-based materials are safe for the environmental remediation application as they are just used for the removal and degradation of pollutants and are not consumed by humans directly.

Activated Carbon in Environmental Remediation

Activated carbon is a fabulous material because of its high surface area, highly porous structure, and ease of preparation with variety of starting materials. Because of its ideal physicochemical properties, it has wide application in environmental remediations in different industries like pharmaceutics, fertilizer plants, petroleum, cosmetics, automobiles, and textiles [153] It is also widely applied for the adsorption of gases, solvent recovery, and wastewater treatment especially for the removal of organic dyes/other pollutants; not only this, but it is also used as a catalyst in biodiesel production. It is also applied as a low-cost material for the treatment and removal of water containing COD, BOD, and TSS and stabilizing and maintaining the optimum pH for biological uses [154,155,156]. Maguana et al. prepared activated carbon from the pear seed cake and successfully applied it for the removal of methylene having an adsorption capacity of 260 mg/g [157]. Antonio et al. prepared activated carbon from the kenaf plant and applied it successfully for the treatment of the wastewater of hospitals containing paracetamol as the main pollutant [158]. The above literature suggests that the activated carbon is the pretty useful economical material which can easily be prepared and it has immense application in environmental remediations.

Activated Carbon as Adsorbents in the Purification of Heavy Metal-Contaminated Water

Activated carbon (AC) is also known as activated charcoal, and this of type carbon material is formed under some treatment protocols resulting in micro/nanopores and having the large surface area of more than 3000 m ² [159]. The AC is produced on a large scale from coal, wood, and agricultural wastes [160]. In addition to its porous nature (as shown in Fig. 6), AC also has a high mechanical strength which enables its applications in catalyst support, capacitors, electrodes, and gas storage and most importantly used as the adsorbent for removal of metal ions, organic wastes, and gases from water [160,161,162]. The high mechanical strength of activated carbon enables its periodic cleaning, regeneration, and reutilization [160]. Abeer et al. reported the preparation of AC from apricot stone and its application in removal of Zn ^+ 2 and Al ^+ 3 ions with removal efficiency of 92% [163]. Ebrahim et al. designed AC from sewage sludge, applied it for the removal of Cu ^+ 2 ions from water, and found that the designed material showed maximum adsorption capacity of above 50% [164].

Different types of pores in activated carbon

Li dkk. prepared the AC from sewage sludge produced from the wastewater treatment plant and functionalized it with sulfur [165]. They applied sulfonated AC for the removal of Pb ²⁺ , Cd ²⁺ , Cu ²⁺ , dan Ni ²⁺ ions from water. The adsorption capacity of metal ions were found to be 238.1 mg/g, 96.2 mg/g, 87.7 mg/g, and 52.4 mg/g for Pb ²⁺ , Cd ²⁺ , Cu ²⁺ , dan Ni ²⁺ respectively [165]. Cao dkk. designed multipore activated carbon (MPAC) with a large surface area using the agricultural waste of long-root Eichhornia crassipes and applied it for removing heavy metal ions, e.g., Pb ²⁺ , Cd ²⁺ , Cu ²⁺ , Ni ²⁺ , dan Zn ²⁺ . They found that at 30 °C adsorption capacity being 1.34 mmol/g, 1.07 mmol/g, 1.22 mmol/g, 0.97 mmol/g, and 0.93 mmol/g for Pb ²⁺ , Cd ²⁺ , Cu ²⁺ , dan Ni ²⁺ respectively [166]. Dong et al. investigated the application of spent activated carbon (AC) for heavy metal ion removal from water and found high adsorption capacity of 95% and 86% for Pb ²⁺ and Cd ²⁺ ions respectively [167]. M. Bali et al. [168] applied commercial AC for the removal of heavy metal ions and found that adsorption equilibrium of Cd ²⁺ ion took 15 min while for Pb ²⁺ , Zn ²⁺ , dan Cu ²⁺ it took 45 min with percentage removal of 64% for all these ions and with Cd ²⁺ being the highest [10]. Kongsuwan et al. prepared the activated carbon from the agricultural waste of eucalyptus bark. They applied it for the removal of Cu ²⁺ and Pb ²⁺ from water with maximum removal capacity of 0.45 and 0.53 mmol per gram of AC respectively, with adsorption being the main mechanism of ion uptake [169]. AC poultry litter has also been reported and applied for the treatment of heavy metal-contaminated water and found that for 1 kg of poultry litter AC adsorbs 404 mmol, 945 mmol, 236 mmol, and 250–300 mmol of Cu ²⁺ , Pb ^2+, Zn ²⁺ , and Cd ²⁺ ions respectively [170]. This adsorption is significantly higher than the commercially available AC derived from coconut and bituminous. The AC of wood saw dust of rubber plant has also been reported for the removal of heavy metal ions of Cr ^+ 6 from water with adsorption capacity of 44 mg/g [171]. AC formed from Moso and Ma bamboo was found to be highly efficient in removing the heavy metal ions, i.e., Pb ^2+, Cu ²⁺ , Cr ³⁺ , and Cd ²⁺ with the maximum adsorption capacity of more than 90% removal [172]. Naser et al. prepared AC from rice husk and applied them for the removal of Cu ²⁺ from aqueous solution, and maximum capacity was found to be 33.92%. Similar results have also been reported for the removal of Cu ²⁺ from the AC formed from Palm shell [173]. AC of love stones has been reported for the adsorption of Cd ^+ 2 and Ni ^+ 2 with adsorption capacity of 1.85 mg/g and 0.67 mg/g respectively in two different studies [174, 175]. AC prepared from olive stone using the microwave method has been applied for the removal of Fe ^2+, Pb ^2+, Cu ^2+, Zn ^2+, Ni ²⁺ , and Cd ^2+. from wastewater. Another study reported on the olive stone AC prepared via microwave to remove a group of metal ions from synthetic wastewater:Fe ²⁺ , Pb ²⁺ , Cu ^2+, Zn ²⁺ , Ni ²⁺ , and Cd ²⁺ with removal efficiency of more than 98% [176]. Tamarind wood AC has been reported for the highest adsorption capacity of above 97% for Pb ²⁺ from water [177]. Activated carbon has been applied as an adsorbent for the removal of Fe (II) and Mn (II) with great efficiency [178, 179]. The activated carbon is easy to synthesize, is cheaper, and is the most promising material for the adsorption of heavy metal ions and can be prepared at a large scale from a variety of carbon sources especially form agricultural waste. In addition to easier preparation, AC can easily be functionalized. Table 2 summarizes the effect of different parameters on the process of metal ion adsorption.

Biocompatibility of the Activated Carbon

Different studies have been conducted for the biocompatibility evaluation of the activated carbon materials prepared form different carbon sources. Activated carbon has been applied for the treatment of cystitis and was found to be effective and nontoxic compared to the antibiotics being applied [180]. Biocompatibility of activated carbon can be attributed to its inertness, and it has also been functionalized and fabricated with other materials to confer on the disinfection properties [181]. The activated carbon is also given orally to human beings as a sorbent for the removal of toxins from the human body and has also been utilized in biomedical applications [182, 183]. These studies strongly suggest the biocompatibility of the activated carbon.