Penghapusan Timbal Tinggi Efisiensi dengan Hidrosinksit dan Karbonat-Hidrotalisit Didukung Aerogel Silika melalui Transformasi Pengendapan

Abstrak

Kami melaporkan sintesis skalabel dan hemat biaya dari aerogel silika–didukung hidrosinksit dan karbonat-hidrotalisit Zn/Al, yang menunjukkan lapisan tipis ultra (<5 nm), luas permukaan tinggi (≈260 m² g⁻¹), dan kristalinitas lemah. Uji adsorpsi batch terhadap Pb(II) mengungkapkan kapasitas maksimum 684,9 mg g⁻¹ untuk SA-Zn-HZ dan 555,6 mg g⁻¹ untuk SA-Zn₃Al-HT, melebihi sebagian besar adsorben anorganik. Cocokan Langmuir dan kinetika urutan kedua palsu mengonfirmasi mekanisme kimia adsorpsi permukaan. XRD, TEM, dan pemetaan EDS menunjukkan bahwa Pb(II) menendang sebagai hidrocerusit (Pb₃(CO₃)₂(OH)₂) melalui reaksi transformasi pengendapan fase pendukung, yang menjelaskan efisiensi tinggi dan dampak pH yang rendah.

Latar Belakang

Kontaminasi timbal dalam air permukaan dan distribusi tetap menjadi krisis lingkungan dan kesehatan global [1, 2]. Metode penghapusan konvensional—pendendapan kimia, pertukaran ion, dan adsorpsi—sering mengalami masalah kapasitas adsorpsi rendah atau kondisi operasi yang keras [3–10]. Adosrpsi, tuttavia, tetap menjadi yang paling praktis karena kesederhanaannya, efisiensi tinggi, dan gangguan pH minimal [8, 9, 10]. Adosorben yang ada (oksida anorganik [11–15], polimer [16], biomaterial [17, 18], resin sorpsi [7, 8]) masih menderita dari luas permukaan terbatas dan kapasitas yang tidak optimal.

Hidroksi lapis ganda (LDH), atau hidrotalisit (HT), menawarkan platform yang menjanjikan karena lapisan jenis brucite, anion antar-lapisan, dan potensi pertukaran ion yang tinggi [19–28]. HT yang diintalkan karbonat, yang mengandung karbonat dan hidroksida bivalen, sangat menarik untuk adsorpsi logam berat [29]. Namun, bubuk HT konvensional memiliki luas permukaan spesifik yang rendah [30]. Mendukung HT pada pembawa luas permukaan tinggi—seperti aerogel silika (SA)—dapat meningkatkan properti tekstural sambil tetap murah (

Metode

Bahan

Nitrat seng kelas analitik, nitrat aluminium, sodium bicarbonat, natrium hidroksida, dan nitrat timbal diperoleh dari Aladdin Reagent Co., Ltd. (Shanghai). Asam klorida (36–38 %) dibeli dari Sinopharm Chemical Reagent Co., China. Aerogel silika komersial (SA) disuplai oleh Nano Tech Co., Ltd. (Shaoxing).

Persiapan Adosorben

Bubuk SA (500 mg) dianiling pada 823 K selama 2 jam untuk menghilangkan organik permukaan. Kemudian didispergasi dalam 500 mL air deion oleh ultrasonik (30 menit). Larutan campuran Zn(NO₃)₂ dan Al(NO₃)₃ (total 0,0075 mol, rasio 3:0, 3:1, 2:1, atau 0:1) ditambahkan, diikuti oleh tetesan bergantian 0,5 M NaOH/NaHCO₃. pH disesuaikan ke 8,8 atau 9,5, dan campuran ditangani hidrotermal pada 80 °C selama 24 jam. Produk dikumpulkan oleh sentrifugasi, dicuci, dan dikeringkan vakum. Komposit yang dihasilkan diberi label SA-Zn-HZ (hidrosinksit), SA-ZnₓAl-HT (karbonat-hidrotalisit Zn/Al, x = 3 atau 2), dan SA-Al-H (kontrol hidroksida aluminium).

Karakterisasi

Mikroskopi elektron transmisi (JEM-1011), mikroskopi elektron pemindai dengan EDS (JSM-6360LV), penyerapan-desorpsi N₂ (Micromeritics ASAP TriStar II), difraksi sinar-X (Empyrean XRD), dan ICP-AES (Leeman Prodigy XP) digunakan untuk menentukan morfologi, komposisi elemen, luas permukaan, struktur pori, dan fase kristal.

Eksperimen Adsorpsi

Pb(NO₃)₂ dilarutkan untuk menyediakan larutan stok 1000 ppm, kemudian dicairkan ke 100–1000 ppm dan disesuaikan ke pH 6,0 ± 0,1. Dalam kolong Erlenmeyer 100 mL, 50 mg adsorben diayun (150 rpm, 25 °C) selama 24 jam untuk mencapai kesetimbangan. Konsentrasi Pb(II) yang tersisa diukur oleh spektroskopi absorpsi atom (Shimadzu AA-6300). Kapasitas adsorpsi dihitung sebagai: \[ q_e = \frac{(C_0 - C_e)V}{m} \] Studi kinetika menggunakan Pb(II) 500 ppm dengan waktu pemakaian hingga 1440 menit.

Hasil dan Pembahasan

Optimasi Parameter Sintesis

Kapasitas adsorpsi meningkat dengan konten Zn yang lebih tinggi dan pH 9,5: SA-Zn-HZ mencapai 680,8 mg g⁻¹, SA-Zn₃Al-HT 537,8 mg g⁻¹, SA-Zn₂Al-HT 429,5 mg g⁻¹, sementara SA-Al-H terbatas pada 176,4 mg g⁻¹. Temuan ini menekankan pentingnya kelimpahan logam bivalen dan kondisi sintesis alkaline.

Tekstur dan Morfologi

Gambar TEM (Fig. 2) mengungkapkan bahwa kedua SA-Zn-HZ dan SA-Zn₃Al-HT membentuk lamela tipis ultra (<5 nm). Analisis BET menunjukkan luas permukaan 264,1 m² g⁻¹ (SA-Zn-HZ) dan 233,9 m² g⁻¹ (SA-Zn₃Al-HT). Pola XRD mengonfirmasi fase hidrosinksit (PDF#19-1458) dan karbonat-hidrotalisit (PDF#51-1525), dengan puncak difraksi yang lemah yang menunjukkan kristalinitas rendah.

Isotherma Adsorpsi

Serapan Pb(II) meningkat dengan konsentrasi awal, memancar pada 400–1000 ppm. Cocokan Langmuir menghasilkan korelasi tertinggi (R² ≥ 0,99) dengan kapasitas maksimum 684,9 mg g⁻¹ (SA-Zn-HZ) dan 555,6 mg g⁻¹ (SA-Zn₃Al-HT). Model Freundlich, Sips, dan Redlich–Peterson menunjukkan nilai R² yang lebih rendah, mengonfirmasi bahwa kimia adsorpsi lapis tunggal mendominasi.

Kinetika Adsorpsi

Serapan cepat dalam 50 menit pertama diikuti oleh pendekatan lebih lambat ke kesetimbangan. Kinetika urutan kedua palsu (R² > 0,99) paling baik menggambarkan data, mengindikasikan bahwa kimia adsorpsi mengatur laju. Kapasitas yang dihitung cocok dengan nilai eksperimen dengan erat.

Mekanisme dan Evaluasi Kinerja

TEM, EDS, dan XRD pasca-adsorpsi (Fig. 7) mengungkapkan bahwa Pb(II) menendang sebagai hidrocerusit (Pb₃(CO₃)₂(OH)₂), fase stabil dengan produk kelarutan lebih rendah (K_sp = 3,16 × 10⁻⁴⁶) daripada Pb(OH)₂ atau PbCO₃. Reaksi transformasi pengendapan terjadi pada permukaan hidrosinksit atau karbonat-hidrotalisit, facilitated oleh peluasan OH⁻ dan CO₃²⁻. Pemantauan pH (Fig. 8) menunjukkan kenaikan kecil (6,0–6,39) selama adsorpsi, menunjukkan kompatibilitas lingkungan. Adosorben dapat digunakan kembali hingga empat siklus dengan efisiensi pengosongan >93,5 %; di luar saturasi, regenerasi dengan aniling tidak efektif karena konversi irreversibel menjadi hidrocerusit.

Perbandingan dengan Adosorben yang Ada

Kapasitas Langmuir (684,9/555,6 mg g⁻¹) melebihi sebagian besar adsorben berbasis hidrotalisit, oksida grafen, nanotubus karbon, dan karbon aktif (Tabel 4). Gabungan dengan biaya rendah dan sintesis sederhana, SA-Zn-HZ dan SA-Zn₃Al-HT mewakili solusi yang kompetitif untuk remediasi Pb(II).

Kesimpulan

Aerogel silika–didukung hidrosinksit dan karbonat-hidrotalisit menunjukkan lapisan tipis ultra, luas permukaan tinggi, dan kapasitas adsorpsi Pb(II) yang luar biasa (684,9/555,6 mg g⁻¹). Adsorpsi mengikuti isotherma Langmuir dan kinetika urutan kedua palsu, mengonfirmasi kimia adsorpsi permukaan melalui transformasi pengendapan menjadi hidrocerusit. Proses ini efisien, hemat biaya, dan sedikit mengganggu pH, menawarkan jalur yang menjanjikan untuk mengembangkan adsorben logam berat berkinerja tinggi.