Sintesis Hidrotermal Fe3O4@C Hibrida Nanopartikel dan Kinerja Adsorpsi Magnetik untuk Menghilangkan Ion Logam Berat dalam Larutan Berair

Abstrak

Material cangkang inti yang canggih dengan area spesifik yang tinggi telah dianggap sebagai material yang efektif untuk menghilangkan logam berat dari larutan berair. Fe dengan cangkang inti₃ O₄ @C hybrid nanopartikel agregat dengan saluran ramah lingkungan dalam penelitian ini. Selain itu, paparan situs adsorpsi yang lebih tinggi dapat dicapai untuk konfigurasi khusus yang mencapai luas permukaan Brunauer-Emmet-Teller (BET) yang lebih tinggi hingga 238,18 m² g⁻¹ . Dengan demikian diperoleh penyisihan ion logam berat Pb(II), Cd(II), Cu(II), dan Cr(VI) yang lebih efisien masing-masing hingga 100, 99,2, 96,6, dan 94,8%. Selain itu, produk mudah dipisahkan dari larutan berair setelah adsorpsi, karena ukuran submikrometer yang relatif besar dan medan magnet eksternal yang ditingkatkan yang diperkenalkan oleh inti berbasis besi. Kami menyediakan mode ideal untuk menghilangkan ion logam berat menggunakan Fe bercangkang inti₃ O₄ @C di bawah kondisi pengolahan air. Sebuah pendekatan baru menjelaskan bahwa bahan nano/mikro-fungsional inti-kulit dapat disintesis dengan baik dalam skala besar yang digunakan di banyak bidang seperti remediasi lingkungan, katalis, dan energi.

Latar Belakang

Dengan suara perlindungan lingkungan yang konstan dan melonjak, ada peningkatan perhatian pada efek toksiknya yang mengacu pada kesehatan manusia dan pencemaran lingkungan oleh kontaminasi logam berat [1,2,3]. Menghilangkan unsur logam berat dari air limbah industri sebelum dibuang menjadi sangat penting [4]. Sampai saat ini, pertukaran ion, pengendapan koagulasi, dan serangkaian teknologi tradisional diterapkan untuk menghilangkan logam berat dari air limbah selama beberapa dekade terakhir [5, 6]. Kesadaran bahwa teknik konvensional secara signifikan menciptakan manfaat bagi manusia, dan juga mengungkapkan kelemahan yang ditandai baik dari sisi manajemen maupun teknis, yaitu biaya operasi yang mahal, tambahan pembentukan lumpur beracun, dan penghilangan logam yang tidak lengkap [7,8,9]. Di sisi lain, mengendalikan ukuran partikel, morfologi bahan adsorben, telah terbukti menjadi salah satu solusi yang efisien dan inovatif untuk mengatasi masalah semacam itu. Bola berongga, kawat nano, dan tabung nano memiliki kinerja adsorpsi yang lebih baik untuk berkontribusi pada penyisihan logam berat dalam Referensi [10,11,12,13]. Selanjutnya, penelitian difokuskan pada material baru yang memegang struktur core-shell dengan fitur core-void-shell. Telah terbukti keunggulannya dibandingkan dengan padatan berukuran sama, seperti validitasnya dalam perubahan luas permukaan, indeks bias, densitas lebih rendah, dan volume tampung, yang memberikan kontribusi besar baik dari aspek sifat dan fungsi [14, 15]. Dengan demikian, struktur unik dengan bentuk, komposisi, dan arsitektur interior yang dapat disesuaikan ini merupakan arah yang menarik untuk melakukan perbaikan lingkungan.

Banyak literatur yang membahas tentang material struktur cangkang inti. Guo [16] telah membuat lonceng kandang Ag@TiO₂ bahan, dan penelitian ini mengungkapkan sifat fotokatalitik dan elektrokimia yang lebih baik. Liu [17] menyiapkan cangkang inti Fe₃ O₄ nanopartikel polidopamin yang memiliki potensi bagus di bidang penunjang obat, pembawa katalis, dan penyerap karbon. Untuk pengetahuan terbaik kami, bantuan template yang dapat dilepas atau dikorbankan (misalnya, silika polimer [18], bola [19], karbon [20], dan cairan ionik [21]) dari cangkang yang diinginkan penting dalam sintesis umum inti- struktur nanopartikel shell hybrid. Namun, bahan struktur cangkang inti yang paling tersedia disintesis oleh proses multi-templat yang terutama berfokus pada konfigurasi yang relatif sederhana, seperti satu komposisi dalam partikel cangkang tunggal. Selain itu, metode penyisihan ion logam berat yang masih kurang dengan pendekatan umum disertai dengan penguatan lebih lanjut kelayakan material lanjutan dengan struktur cangkang inti, termasuk waktu dan biaya dalam proses konstruksi struktur nano kompleks yang dibatasi oleh template sintesis. dan rute multi-templat, yang telah menjadi keinginan baik dari aspek teknis dan manfaat lingkungan.

Sintesis nanokomposit fungsional magnetik adalah cara yang efektif dan praktis untuk memecahkan pemisahan antara adsorben dan larutan untuk memperluas pemisahan magnetik [22]. Semakin banyak polimer amobil kovalen, molekul baru, dan bahan anorganik dimasukkan ke permukaan nanopartikel magnetik dalam proses ini; mereka adalah rute teknik yang berguna untuk pengolahan air limbah ion logam berat beracun juga [23]. Misalnya, nanokomposit magnetik termodifikasi kitosan yang baru disintesis [24] dan monodisperse Fe₃ O₄ @silica core-shell struktur komposit nanopartikel magnetik inti-shell mikrosfer [25] dilaporkan. Meskipun nanokomposit magnetik ini mudah dipisahkan dari larutan melalui proses adsorpsi berbasis magnet eksternal, masih perlu dipertimbangkan lebih lanjut kondisi khusus seperti penerapan air limbah asam kuat.

Ada banyak penelitian tentang bahan berstruktur nano berbasis karbon baru-baru ini. Wildgoose [26] mempresentasikan jenis bahan ini memiliki keunggulan yang jelas dalam hal biaya, ketahanan korosi alkali, luas permukaan spesifik, dan kapasitas adsorpsi. Uchida [27] menunjukkan bahwa gugus fungsi karboksilat dapat dengan mudah menghasilkan pada permukaan karbon kemudian lebih meningkatkan kapasitas adsorpsi ion logam berat. Namun, kelemahan fatal dari sulitnya menghilangkannya dari larutan yang disebabkan oleh ukuran partikel karbon yang kecil membatasi penerapannya dalam pengolahan air limbah logam berat. Mengingat nanopartikel magnetik berlapis karbon adalah media menuju pengolahan air limbah, hal itu menunjukkan dampak lanjutan pada kapasitas adsorpsi dan properti pemisahan di medan magnet eksternal. Lebih banyak perhatian telah meningkat [28,29,30,31,32,33,34,35]. Zhang [36] menyiapkan nanosfer karbon berongga magnetik yang digunakan dalam penghilangan ion kromium. Untuk menghilangkan logam berat, kelompok Wang [37] melaporkan studi kasus bahan nanopartikel Fe. Studi-studi sebelumnya menunjukkan bahwa pekerjaan masa depan yang sesuai harus mengacu pada adsorben ion logam berat yang sangat efisien dengan pemisahan yang mudah dan kapasitas adsorpsi yang besar. Sementara itu, perlu dicatat bahwa ada studi langka tentang Fe kulit inti₃ O₄ @C hybrid nanopartikel mengagregasi hingga sekarang.

Dalam penelitian ini, kami menyiapkan mikrosfer karbon dengan inti magnetik. Juga, strategi ringkas diusulkan untuk mensintesis Fe dengan cangkang inti₃ O₄ @C hybrid nanopartikel agregat, yang merupakan bahan canggih untuk menghilangkan ion logam berat dengan kemurnian kekuatan, luas permukaan, dan kapasitas adsorpsi. Dibandingkan dengan teknologi produksi tradisional Fe₃ O₄ bahan, manfaatnya jelas. Ini tidak hanya menunjukkan luas permukaan yang lebih besar dan konfigurasi yang stabil, tetapi juga template penghapusan yang tidak terpengaruh oleh morfologi produk. Penelitian kami memberikan tingkat yang lebih tinggi dari situs aktif [38, 39]. Adsorben dapat dengan mudah dipisahkan ketika medan magnet luar diperkenalkan, yang disebabkan oleh nanopartikel berbasis besi [40, 41]. Oleh karena itu, diperoleh Fe₃ O₄ Agregat nanopartikel hibrida @C menunjukkan kapasitas adsorpsi yang unggul untuk ion logam berat dengan rute yang ramah lingkungan, produksi massal, dan manfaat biaya.

Eksperimental

Material dan Sintesis

Sintesis Fe Bercangkang Inti₃ O₄ Agregat Nanopartikel Hibrida

Dalam langkah-langkah sintesis yang umum, 0,72 g Fe(NO₃ )₃ ·9H₂ O, 0,0086 g NH₄ H₂ PO₄ , 0,008 g Na₂ JADI₄ ·10H₂ O, dan 3 g glukosa masing-masing dilarutkan dalam air suling, dicampur semuanya dalam volume 90 mL, ditambahkan air suling ke dalam campuran, dan terus diaduk selama 10 menit dengan pengaduk magnet dasar. Kemudian, campuran digeser ke dalam 100 mL autoklaf baja tahan karat berlapis Teflon selama 180 °C, 48 jam. Setelah reaksi selesai dan didinginkan hingga suhu kamar secara alami, kaki hitam diperoleh dan dicuci beberapa kali dengan air deionisasi dan etanol absolut, kemudian mengeringkan kaki hitam pada 65 °C sepanjang malam dalam kondisi vakum, dan terakhir, diperoleh prekursor dengan dikalsinasi pada 450 °C dengan laju 3 °C min⁻¹ kemudian pemanasan dipertahankan dengan aliran gas karbon monoksida/argon berurutan (4 jam) dan didinginkan hingga suhu sekitar. Fe₃ O₄ @C sampel diperoleh. Seperti dijelaskan dalam Skema 1 hidrolisis Fe³⁺ mengarah ke lapisan oksida Fe dalam akurasi nanometer. Sementara itu, sukrosa dikarbonisasi. Setelah itu, mikrosfer material komposit Fe-C-O akan terbentuk secara in situ selama reaksi pemanasan bak melalui bagian kalsinasi dan kemudian mendapatkan Fe₃ terkupas inti. O₄ @C hibrida nanopartikel.

Rute sintesis Fe dengan cangkang inti₃ O₄ @C hibrid nanopartikel

Karakterisasi

Komposisi fasa bahan yang disiapkan dianalisis dengan difraksi sinar-X (XRD), yang diambil pada 2θ = 20°–90° oleh difraktometer Rigaku D/max-A dengan radiasi Co Kα. FTIR (Spektroskopi inframerah transformasi Fourier, Thermo Nicolet AVATARFTIR 360) dilakukan untuk merekam karakter FTIR sampel dalam rentang 400–4000 cm⁻¹ demikian juga. AMRAY 1000B SEM (Pemindaian mikroskop elektron), HR-TEM (mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi, JEOL JEM-2100) (200 Kv), dan difraksi elektron area terpilih (SAED) diimplementasikan untuk menggambarkan morfologi sampel, fitur struktur mikro, dan struktur kisi. Selain itu, peralatan Micromeritics Tristar pada 350,15 °C diambil untuk mengukur proses adsorpsi dan desorpsi nitrogen; Brunauer-Emmet-Teller (BET) digunakan untuk membahas luas permukaan spesifik; Analisis kuantitatif spektroskopi serapan atom (AAS) akan dilakukan dengan spektrofotometer Hitachi Z2000, yang dilengkapi dengan lampu katoda berongga dan nyala asetilen-udara. Kinerja magnetik bahan yang disiapkan diukur dengan magnetometer sampel bergetar (VSM).

Eksperimen Penghilangan Ion Logam Berat

Pada suhu kamar, serangkaian percobaan dianggap menghilangkan ion logam berat. Pertama-tama, Pb(II), Cd(II), Cu(II), dan Cr(VI) ditambahkan dalam empat wadah tertutup; setelah itu, 0,1 M HCl dan 0,1 M NH₃ •H₂ O digunakan untuk mengatur pH menjadi 3, kemudian larutan adsorpsi dengan volume akhir 50 mL dan konsentrasi 10 mg L⁻¹ didapatkan. Selanjutnya, di bawah kondisi pengadukan terus menerus, 20 mg Fe₃ O₄ @C sampel ditambahkan ke solusi di atas. Selama proses reaksi adsorbsi, hampir 1,0 mL dari masing-masing larutan tersebut dilarutkan selama berbagai periode (0, 0,5, 1, 1,5, 2, 4, 6, 10, dan 24 jam, masing-masing) melalui penggunaan tabung pin yang dilengkapi dengan filter membran, yang akhirnya dilemahkan untuk diterapkan pada ukuran AAS.

Hasil dan Diskusi

Karakteristik Fisikokimia Fe Berkulit Inti₃ O₄ @C Nanosphere

Pola XRD Fe₃ . terkupas inti yang disintesis O₄ Agregat nanopartikel hibrida @C dan prekursornya ditunjukkan pada Gambar 1, yang menunjukkan dengan jelas bahwa proses produksi memiliki kristalinitas yang lebih tinggi daripada prekursor melalui kalsinasi pada 450 °C. Sampel yang disiapkan menampilkan material komposit yang sesuai dengan kubik berpusat muka (f c c) Fe₃ O₄ (Kartu JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards) no. 75-0033). Puncak difraksi pada 21,5° seperti yang ditunjukkan pada pola harus ditetapkan ke bidang (002) karbon grafit yang juga dapat langsung ditemukan oleh SEM dan TEM.

Pola XRD dari Fe dengan cangkang inti₃ O₄ @C hybrid nanopartikel agregat dan prekursornya (a—Fe₃ O₄ @C hybrid nanopartikel agregat; b—pendahulunya)

Gambar SEM dari prekursor dan Fe dengan cangkang inti₃ O₄ Sintesis nanopartikel hibrid @C yang dihasilkan melalui kalsinasi pada 450 °C pada perbesaran yang berbeda ditampilkan pada Gambar 2a–c. Jelas, selain ukurannya yang kecil, Fe₃ . yang disintesis O₄ @C mempertahankan morfologi prekursor yang disiapkan yaitu mikrosfer ca. dengan ukuran 700 nm secara seragam. Gambar 2b, c dengan jelas menggambarkan struktur cangkang inti hibrida dari Fe₃ O₄ @C; itu dapat dibuktikan dengan mesosfer. Gambar 2c juga menunjukkan bahwa serbuk yang disintesis dibuat dari partikel berukuran nano berdasarkan hasil pecahan partikel dengan cangkang sebagian pecah. Mikrosfer celah di atas mungkin berasal dari transportasi massal cepat yang melewati cangkang. Gambar 2d, e juga menggambarkan struktur Fe₃ O₄ @C. Ada struktur interior cangkang inti yang terlihat pada Gambar. 2d, yang menjelaskan bahwa Fe₃ O₄ nanopartikel didistribusikan ke dalam karbon amorf jelas. Hal ini sesuai dengan hasil SEM. Di sisi lain, HRTEM (Gbr. 2e) dan XRD juga sesuai, yang menunjukkan jarak kisi (0,297 nm) sesuai dengan (220) jarak bidang dari kubik Fe berpusat muka₃ O₄ . Hasil SAED-nya mengungkapkan bahwa Fe₃ O₄ nanopartikel adalah kristal tunggal yang sangat kristal. Dengan demikian, sampel cangkang inti hibrida yang unik dapat memiliki efisiensi respons yang lebih tinggi dari situs adsorpsi terhadap adsorbat target, yang dapat digunakan di bidang perlindungan lingkungan.

Gambar SEM dari prekursor yang disiapkan (a ). Gambar SEM (b , c ), gambar TEM (d ), mikrograf HRTEM (e ), dan difraksi elektron area terpilih (f ) dari Fe bercangkang inti yang disintesis₃ O₄ Agregat nanopartikel hibrida @C yang dihasilkan melalui kalsinasi pada 450 °C

Sifat magnetik as-prepared dievaluasi dengan menggunakan VSM, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 3. Nilai saturasi magnetik mencapai 53 emu/g dibandingkan dengan Fe₃ telanjang. O₄ mikrosfer (67,55 emu/g). Nilai magnetisasi yang tinggi dari bahan yang disiapkan dapat dilihat dengan jelas. Sisipan pada Gbr. 3 menunjukkan ketika medan magnet eksternal diterapkan, partikel tertarik oleh magnet, meninggalkan larutan berair jernih dan transparan.

Pengukuran loop magnetisasi

Gambar 4a menunjukkan isoterm adsorpsi dan desorpsi sampel, sedangkan Gambar 4b menunjukkan distribusi ukuran pori sampel yang diperoleh, keduanya berasal dari sebelum dan sesudah kalsinasi. Isoterm adalah perwakilan isoterm dari bahan mesopori berdasarkan tipe klasik IV. Distribusi ukuran pori melalui kalsinasi dengan jelas menunjukkan diameter pori rata-rata dari 7,5 hingga 9,1 nm, lebih kecil dari prekursor. Sementara itu, luas permukaan BET sampel meningkat secara sinyal dari 9,74 menjadi 238,18 setelah kalsinasi, yang lebih tinggi daripada kebanyakan laporan [36, 37]. Hal tersebut di atas juga menunjukkan bahwa Fe₃ . abstain O₄ Sampel @C adalah material struktur mesopori yang longgar, yang bermanfaat untuk meningkatkan kinerja adsorpsi.

Isoterm adsorpsi-desorpsi nitrogen dan plot distribusi ukuran pori Barrett-Joyner-Halenda (BJH) (inset) dari sampel yang disiapkan sebelumnya (a ) dan setelah (b ) kalsinasi

Serapan Ion Logam Berat oleh Fe₃ O₄ @C

Pb(II), Cd(II), Cu(II), dan Cr(VI) dipilih sebagai adsorbat untuk mempelajari daya serap Fe₃ O₄ @C, dan mereka dimasukkan ke dalam pH = 3 pada suhu kamar untuk melakukan eksperimen kinetik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, semua ion adsorpsi berhasil diserap oleh sampel yang disiapkan, efisiensi mencapai 100% untuk Pb (II), 99,2% untuk Cd (II), 96,6% untuk Cu(II), dan 94,8% untuk Cr(VI), masing-masing. Ini memegang aplikasi yang lebih luas dan efisiensi penghapusan yang lebih tinggi dari penelitian sebelumnya [42]. Efisiensi penyerapan yang tinggi ini dapat dikaitkan dengan keuntungan intrinsik dari struktur hibrida cangkang inti dengan luas permukaan spesifik yang tinggi, yang menyediakan Fe₃ O₄ @C sampel dengan situs yang lebih aktif untuk proses penghapusan. Selanjutnya, dapat dengan mudah dipulihkan setelah adsorpsi karena struktur partikel submikrometer yang relatif besar. Hal ini juga dapat dengan mudah dilihat bahwa Pb (II) menunjukkan tingkat tertinggi yang wajar karena adsorpsi biasanya dengan pertukaran ion, dan terdapat interaksi elektrostatik dari ion logam bebas dan permukaan adsorben. Jadi, Cd, Cu, dan Cr bersifat ringan dan mudah terdesorpsi setelah pertukaran ion, Pb(II) adalah kebalikannya [43,44,45,46,47,48,49].

Hubungan efisiensi penyisihan dengan waktu adsorpsi Pb(II), Cd(II), Cu(II), dan Cr(VI) oleh Fe₃ O₄ @C (400 mg L⁻¹ ) sampel pada konsentrasi awal ion logam berat sebagai 10 mg L⁻¹ , masing-masing

Spektra FTIR Fe yang Dimuat Logam Berat₃ O₄ @C

Gambar 6 menunjukkan sampel dengan Pb tertinggi²⁺ serapan pada awal dan akhir adsorpsi, yang digunakan dalam penelitian untuk mengetahui interaksi antara Fe₃ O₄ @C dan ion logam berat. Selanjutnya, getaran maju dan mundur gugus OH dari H₃ O⁺ melalui pertukaran ion atau fisisorpsi molekul air, yang menghasilkan pita vibrasi yang lebar pada 3475,26 cm⁻¹ . Puncaknya pada 2304,20 cm⁻¹ dianggap berasal dari perpanjangan getaran CO₂ , sedangkan puncaknya pada ca. 1625 cm⁻¹ biasanya disebabkan oleh kurva O-H. Puncaknya pada 1605,45 cm⁻¹ berasal dari gugus karboksil (−C=O−). Kontribusi utama puncak lainnya berkisar 400–1000 cm^− 1 biasanya terkait dengan ikatan logam O. Perbedaan posisi puncak dan intensitas logam O pada awal dan akhir adsorpsi Pb²⁺ menyiratkan bahwa Pb²⁺ dimuat di Fe₃ O₄ @C sampel dengan kuat.

Spektrum FTIR dari Fe₃ prepared O₄ @C sampel sebelumnya (a ) dan setelah (b ) adsorpsi Pb(II)

Kinetika Adsorpsi

Berbagai teks dilakukan untuk membahas kapasitas adsorpsi dan kinetika Fe₃ O₄ @C hybrid nanopartikel agregat di bagian ini. Pb²⁺ disiapkan untuk percobaan penghilangan dari larutan berair pada pH = 3. Setelah itu, siapkan volume 50 mL dari 10, 30, dan 50 mg L⁻¹ solusi awal, 20 mg adsorben, yang ditambahkan ke Pb²⁺ larutan dalam labu berbentuk kerucut 100 mL dalam adsorpsi masing-masing 30 °C. Dengan periode yang berbeda (0, 7, 14, 21, 28, 35, 60, 180, 480, dan 1440 menit), sekitar 1 mL diekstraksi dari masing-masing larutan, mereka akan digunakan untuk analisis AAS. persamaan (1) menunjukkan model laju kinetik orde dua semu [50]:

$$ \frac{t}{q_t}=\frac{1}{k_2{q}_e^2}+\frac{1}{q_e}t $$ (1)

dimana q _e adalah Pb²⁺ teradsorpsi per satuan massa ketika adsorben berada pada kesetimbangan, q _t (mg g⁻¹ ) berarti Pb²⁺ teradsorpsi pada satuan massa selama waktu t (menit); k ₂ (g mg⁻¹ min⁻¹ ) adalah konstanta laju model kinetik, yang merupakan orde dua semu. Gambar 7a menunjukkan waktu reaksi Fe₃ O₄ @C sampel dalam Pb²⁺ penghilangan pada konsentrasi awal yang berbeda (10, 30, dan 50 mg L⁻¹ ), maka perbedaan efisiensi dapat dengan mudah diketahui. Hasilnya menunjukkan Fe₃ O₄ Sampel @C menunjukkan kinerja adsorpsi yang lebih tinggi, serta mudah dipisahkan. Gambar 7b menggambarkan laju adsorpsi pada konsentrasi Pb yang berbeda²⁺ (10, 30, dan 50 mg L⁻¹ ). Laju adsorpsi berhubungan negatif dengan konsentrasi awal. Kecenderungan ini dapat diungkapkan sebagai berikut, hanya ada bagian dari situs aktif permukaan yang digunakan selama adsorpsi. Yaitu dengan konsentrasi Pb²⁺ meningkat, adsorpsi dimulai dari situs energi tinggi terlebih dahulu, diikuti oleh situs energi rendah jenuh yang menyebabkan penurunan laju adsorpsi akhirnya [51]. Tabel 1 menunjukkan koefisien korelasi (R ² ) mencapai 0,999 dalam penelitian ini; ini menunjukkan dengan jelas proses adsorpsi sesuai dengan model orde dua semu.

a Hubungan efisiensi penyisihan dengan waktu adsorpsi Pb(II) oleh Fe₃ O₄ @C (20 mg) pada konsentrasi awal Pb2+ 10, 30, dan 50 mg L⁻¹ , masing-masing. b Kinetika orde dua semu untuk adsorpsi Pb2+ pada Fe₃ O₄ @C sampel (T = 30 °C; dosis penyerap =400 mg L⁻¹ ; Konsentrasi Pb2+:a = 10 mg L⁻¹ , b = 30 mg L⁻¹ , c = 50 mg L⁻¹ )

Isoterm Adsorpsi

Pada bagian ini, 20 mg adsorben ditambahkan ke 100 mL labu berbentuk kerucut, dan Pb²⁺ sampel larutan juga disiapkan (10–60 mg L⁻¹ , 50 mL, pH = 3). Pada suhu 30 °C, sampel labu berbentuk kerucut di atas disimpan dalam kondisi tertutup rapat dan ditempatkan dalam shaker termostatik (24 jam, 150 rpm) dan, setelah itu, melalui sentrifugasi untuk mendapatkan larutan supernatan yang diukur dengan AAS. Gambar 8a menunjukkan Fe₃ prepared yang telah disiapkan O₄ Kemampuan adsorpsi @C untuk Pb²⁺ . Isoterm Langmuir dan Freundlich diterapkan untuk menjelaskan kursus adsorpsi dalam penelitian ini. Proses tersebut terjadi pada lapisan tunggal yang terlokalisasi, tanpa interaksi antar molekul adsorbat [52]. Selain itu, situs untuk molekul adsorbat adalah yang pertama datang lebih dulu dilayani, tidak ada adsorpsi lebih lanjut di satu situs yang sama. Isoterm Langmuir digambarkan sebagai berikut:

a Isoterm adsorpsi Pb2+ pada Fe₃ O₄ @C sampel (T = 30 °C; dosis adsorben =400 mg L⁻¹ ; Konsentrasi Pb2+ =10–60 mg L⁻¹ ). b Plot linier Freundlich untuk isoterm adsorpsi Fe₃ O₄ @Csample tentang penghilangan Pb2+ pada 30 °C

$$ \frac{C_e}{q_e}=\frac{C_e}{q_{\mathrm{max}}}+\frac{1}{k_L{q}_{\mathrm{max}}} $$ (2 )

di mana kapasitas penyerapan monolayer maksimum teoretis direpresentasikan sebagai q _maks (mg g⁻¹ ), mengambil k _L untuk menyatakan konstanta Langmuir (L mg⁻¹ ), dan C _e adalah konsentrasi Pb(II) awalnya. Sedangkan, isoterm Langmuir tidak mencapai konsekuensi ideal untuk penelitian kami yang berarti tidak sesuai. Sesuai dengan bentuk linier sebagai Persamaan. (3) adalah model empiris umum lainnya sebagai isoterm Freundlich, yang memiliki hipotesis bahwa, seiring dengan meningkatnya tingkat pendudukan situs, situs pengikatan yang lebih kokoh diikat terlebih dahulu dan niatnya menurun secara bersamaan [52].

$$ \lg {q}_e=\lg {k}_F+\frac{1}{n}\lg {C}_e $$ (3)

Ini, k _F berarti konstanta Freundlich (mg g⁻¹ )(L mg⁻¹ )^1/n , dan 1/n menyatakan faktor heterogenitas. Konten spesifik k _F dan 1/n , diidentifikasi dengan plot lg q _e versus lg C _e , ditunjukkan pada Gambar. 8b. Tabel 2 menunjukkan kondisi adsorpsi yang menguntungkan [52, 53]. Ini menunjukkan alasan bahwa eksponen Freundlich n lebih besar dari 1. Dapat disimpulkan bahwa efek adsorpsi Pb²⁺ bergantung pada struktur cangkang inti hibrida atau heterogenitas untuk permukaan Fe₃ O₄ @C sampel. Sementara itu, R ² , koefisien korelasi sampel mencapai 0,9712, yang menandakan bahwa model isoterm Freundlich sesuai untuk sumur analisis kesetimbangan eksperimental.

Analisis Termodinamika

Mempertimbangkan sistem terisolasi sebagai asumsi yang relevan, persamaan Arrhenius (Persamaan (4)) diambil untuk melakukan analisis termodinamika. Biasanya, dalam beberapa kondisi khusus pengocok termostatik, konsentrasi aslinya adalah 30 mg L⁻¹ dan volume adsorpsi 50 ml, kemudian 20 mg adsorben dimasukkan ke dalam labu takar berkapasitas 100 ml serta Pb²⁺ solusi pada lima kondisi suhu klasifikasi termasuk 30, 40, 50, 60, dan 70 °C. Dalam proses adsorpsi, sampel air dilakukan pengambilan sampel setelah berbagai ember waktu; selama periode ini, konsentrasi Pb yang konsisten²⁺ juga diukur berdasarkan AAS yang digunakan untuk menganalisis kinetika adsorpsinya menurut situasi suhu yang berbeda di atas. Selain itu, persamaan Arrhenius yang diberikan sebelumnya digunakan untuk mengevaluasi energi aktivasi yang merupakan prasyarat untuk penelitian adsorpsi.

$$ \ln {k}_2=1n\kern0.5em A-\frac{E_a}{RT} $$ (4)

Di sini, E _a adalah energi aktivasi Arrhenius (kJ mol⁻¹ ). A mewakili faktor Arrhenius; konstanta gas (8,314 J mol⁻¹ K⁻¹ ) dinyatakan dengan R , dan T mengacu pada suhu mutlak (K). Kemiringan yang sesuai adalah Ea /R , berdasarkan plot lnk ₂ melawan 1/T (Gbr. 9) untuk mendapatkan garis lurus.

Plot lnk2versus 1/T untuk adsorpsi Pb2+ pada Fe₃ O₄ @C sampel (TOC)

Dimensi energi aktivasi diambil untuk menentukan bentuk adsorpsi. Biasanya memiliki cakupan tertentu (0–40 kJ mol⁻¹ ) untuk energi aktivasi dalam proses fisisorpsi [54], rentang yang lebih panjang diperlukan dalam proses kemisorpsi sebaliknya. Energi aktivasinya adalah 34,92 kJ mol⁻¹ di sini. Hal ini menunjukkan bahwa proses adsorpsi Pb²⁺ ke Fe₃ O₄ @C diklasifikasikan ke dalam fisisorpsi.

Kesimpulan

Senyawa Fe kulit inti₃ O₄ Agregat nanopartikel hibrida @C dicapai dengan mengadopsi langkah pasif dan moderat secara lingkungan berdasarkan metode sintesis solvothermal dan memperoleh kalsinasi pada akhirnya pada 450 °C. Melalui struktur nano cangkang inti hibrida berbasis karbon, tingkat efisiensi paparan yang lebih besar dari situs adsorpsi dapat direalisasikan secara efisien untuk adsorbat bila dibandingkan dengan yang padat, yang akan memberikan sifat adsorpsi yang lebih baik untuk menghilangkan ion logam berat. Selain itu, inti berbasis besi membuat adsorben dipisahkan dengan mudah dari larutan berair. Di bawah perangkat ini (lebih murah, lebih sedikit keterlibatan, dan produktivitas lebih tinggi), pendekatan baru diklarifikasi bahwa bahan nano/fungsi mikro core-shell dapat disintesis dengan baik dalam skala besar yang digunakan di banyak bidang seperti remediasi lingkungan, katalis, dan energi.