Mengoptimalkan Pengelolaan Logam Berat dengan Nanokomposit Biochar Magnetik Modifikasi Besi
Abstrak
Nanokomposit biochar magnetik dibuat dengan impregnasi biochar komersial dengan besi nol valensi. Penelitian ini menyelidiki bagaimana waktu kontak, konsentrasi awal Cd(II), Co(II), Zn(II), dan Pb(II), dosi sorben, pH larutan, dan suhu mempengaruhi performa adsorpsi. Eksperimen menunjukkan bahwa kesetimbangan tercapai setelah 360 menit, dengan dosi sorben optimal 5 g dm⁻³, pH 5, dan 295 K. Data kinetik paling cocok dengan model pseudo‑kedua‑tiga, sementara isoterma Langmuir secara akurat menggambarkan kesetimbangan. Analisis termodinamik (∆H⁰, ∆S⁰, ∆G⁰) menunjukkan proses adsorpsi eksotermik, spontan, dan didorong secara fisik. Regenerasi dengan 0,1 mol dm⁻³ HNO₃ mencapai hasil desorpsi 97 %. Karakterisasi dengan FTIR, SEM, XRD, XPS, dan TG mengonfirmasi pemuatan besi yang berhasil dan kehadiran Fe(0). pHPZC dan pHIEP biochar ditentukan.
Latar Belakang
Sisa pertanian—kulit hazelnut, jerami jagung, sekam padi, kulit kentang, sisa batang mentimun, dan lainnya—seringkali diimbangi atau dibakar, yang menimbulkan risiko terhadap kualitas air tanah dan udara. Sisa-sisa ini dapat dipirolysis untuk menghasilkan biochar, sorben yang murah dengan porositas dan luas permukaan tinggi. Biochar tidak hanya meningkatkan kesuburan tanah tetapi juga menghapus logam berat seperti Cu(II), Cd(II), Cr(VI), Pb(II), dan Ni(II) dari air. Namun, pemisahan biochar setelah penggunaan bisa menjadi masalah. Dengan mengintegrasikan nanopartikel besi magnetik, sorben mendapatkan kemampuan dipulihkan melalui medan magnet eksternal, sebagaimana telah ditunjukkan oleh modifikasi Fe, Fe₂O₃, dan Fe₃O₄.
Karya sebelumnya telah menunjukkan bahwa biochar magnetik yang berasal dari pohon kapas, kulit jeruk, dan daun eucalyptus dapat mengarsenat, fosfat, pentaklorofenol, dan berbagai logam berat. Lapisan besi nol valensi (Fe⁰) memberikan reaktivitas tinggi dan afinitas terhadap polutan organik dan ion logam. Penelitian ini membangun pada dasar tersebut dengan menyiapkan dua varian biochar magnetik (MBC1 dan MBC2) dengan rasio FeSO₄ ke NaBH₄ yang berbeda (1:1 dan 1:2) dan mengevaluasi performa mereka terhadap Cd(II), Co(II), Zn(II), dan Pb(II).
Metode
Penyediaan Sorben
Biochar dasar (Coaltec Energy, USA) adalah biomassa yang digasifikasi, menghasilkan bahan kaya karbon. Lapisan besi nol valensi diterapkan dengan mencairkan 0,18 mol dm⁻³ FeSO₄·7H₂O dalam 100 cm³ air, menambahkan 5 g biochar, dan mengurangi Fe²⁺ menjadi Fe⁰ dengan NaBH₄ (rasio molar 1:1 atau 1:2). Nanokomposit yang dihasilkan, MBC1 dan MBC2, difilter, dicuci, dan dikeringkan oven.
Kimia
Reagen kelas analitis (Avantor) digunakan. Larutan stok (1000 mg dm⁻³) Cd(NO₃)₂·4H₂O, CoCl₂·6H₂O, ZnCl₂, dan Pb(NO₃)₂ disiapkan. Penyesuaian pH menggunakan HCl 1 mol dm⁻³ atau NaOH.
Studi Adsorpsi dan Kinetik
Uji batch menggunakan 0,1 g sorben dalam 20 cm³ larutan ion logam (50–200 mg dm⁻³), diayak pada 180 rpm, pH 5, 295 K, dan waktu kontak hingga 360 menit. Konsentrasi sisa diukur dengan spektroskopi absorpsi atom (AAS). Kapasitas kesetimbangan dihitung melalui:
qe = ((C0 – Ce) V) / m
Eksperimen dosi sorben bervariasi jumlah sorben (5–10 g dm⁻³), sementara studi pH mencakup 2–6. Data isoterma dikumpulkan pada 50–600 mg dm⁻³ dan suhu 295, 315, dan 335 K. Parameter termodinamik diperoleh dari:
ΔG⁰ = –RT ln Kd (2),
ΔG⁰ = ΔH⁰ – T ΔS⁰ (3),
Kd = Cs / Ce (4),
ln Kd = (ΔH⁰ / RT) + (ΔS⁰ / R) (5).
Uji Regenerasi
MBC2 yang dimuat Cd diayak dengan 20 cm³ air destilasi atau HNO₃ (0,1–5 mol dm⁻³) selama 360 menit. Hasil desorpsi dihitung sebagai:
%Desorpsi = (Cdes / (C0 – Ce)) × 100 (6).
Alat dan Analisis
Eksperimen menggunakan ayakan 358A (Elpin Plus). pH diukur dengan meter pHM82. AAS (Spectr AA 240 FS) mengukur ion logam. FTIR (Cary 630) mencakup 650–4000 cm⁻¹. SEM (Quanta 3D FEG) memvisualisasikan morfologi. XRD (PANalytical Empyrean) mengidentifikasi fasa kristal. XPS (Prevac) memeriksa kimia permukaan. TG/DTG (TA Q50 TGA) menilai stabilitas termal. Potensial zeta diukur dengan Zetasizer Nano‑ZS90, dan kepadatan muatan permukaan dihitung melalui:
σ0 = ΔV C F / (Sw m) (7).
Hasil dan Pembahasan
Kinetik Adsorpsi
Pengambilan cepat terjadi dalam 60 menit pertama, mencapai kesetimbangan setelah ~240 menit pada konsentrasi tertinggi (200 mg dm⁻³). Model pseudo‑kedua‑tiga (R² > 0,97) paling cocok untuk menggambarkan kinetik, mengonfirmasi kemisorpsi sebagai langkah yang menentukan laju. Konstanta laju menurun seiring konsentrasi awal yang meningkat, yang menunjukkan kelelahan situs.
Efek Dosis Sorben
Peningkatan dosi sorben dari 5 hingga 10 g dm⁻³ menurunkan kapasitas per gram, mengonfirmasi dosi optimal 5 g dm⁻³ untuk efisiensi maksimum.
Efek pH Awal
Adsorpsi meningkat tajam dari pH 2 hingga 5, kemudian melanda, yang mencerminkan status protonasi grup fungsional permukaan dan spesies Cd²⁺ dominan. pH 5 dipilih sebagai kondisi optimal.
Isoterma Adsorpsi
Pencocokan Langmuir (R² > 0,95) menunjukkan penutupan monolaer, dengan kapasitas maksimum (qm) sebesar 20,65 mg g⁻¹ (MBC1) dan 23,55 mg g⁻¹ (MBC2) untuk Cd(II). Ketergantungan suhu mengungkapkan kapasitas yang lebih rendah pada suhu yang lebih tinggi, yang konsisten dengan adsorpsi eksotermik.
Termodinamika
Nilai ∆H⁰ negatif (< 40 kJ mol⁻¹) mengonfirmasi fisik adsorpsi. Nilai ∆G⁰ antara –20 dan 0 kJ mol⁻¹ menunjukkan pengambilan spontan, dengan spontanitas yang lebih besar pada suhu yang lebih rendah.
Regenerasi Sorben yang Habis Digunakan
0,1 mol dm⁻³ HNO₃ mencapai hasil desorpsi 97 %. Desorpsi melanda setelah ~180 menit, menunjukkan regenerasi yang efisien dan potensi untuk penggunaan berulang.
Karakterisasi
Spektra FTIR menunjukkan pergeseran pada band hidroksil, karboksil, dan C=O setelah pengambilan logam, yang menunjukkan kompleksasi permukaan. Citra SEM mengungkapkan nanopartikel Fe(0) yang terdistribusi dengan baik, dengan partikel yang lebih kecil dalam MBC2 yang berkaitan dengan kapasitas yang lebih tinggi. XRD mengonfirmasi kehadiran kuarsa, kalisit, dolomit, dan puncak Fe(0). XPS mengidentifikasi C, O, Fe, Mg, Si, Al, P, Ca, Cd, dan K, memverifikasi impregnasi besi yang berhasil. Kurva TG/DTG menunjukkan ~35 % penurunan bobot hingga 1273 K, yang mencerminkan stabilitas termal.
Muatan Permukaan
Titrasi potensiometrik menghasilkan pHPZC sebesar 10,5 dan titik isoelektrik pHIEP < 3. Pengukuran potensial zeta menunjukkan nilai negatif di seluruh rentang pH, yang mendukung stabilitas koloidal.
Kesimpulan
Dua nanokomposit biochar magnetik yang dimodifikasi besi (MBC1 dan MBC2) secara efektif menghapus Cd(II), Co(II), Zn(II), dan Pb(II) dari larutan air. Parameter operasi kunci—waktu kontak, dosi sorben, pH, dan suhu—memengaruhi performa secara signifikan. MBC2, dengan kandungan agen pengurang yang lebih tinggi, menunjukkan afinitas dan kemampuan pemulihan magnetik yang superior. Regenerasi dengan asam nitrat cair mencapai > 97 % desorpsi, memungkinkan penggunaan berulang. Karakterisasi mengonfirmasi incorporasi Fe(0), ketahanan termal, dan muatan permukaan yang menguntungkan, yang menggarisbawahi potensi materi ini untuk aplikasi pembersihan air.
