Mikropartikel Polianilin Berlubang untuk Penghapusan Cr(VI) sebesar 127,9 mg/g dalam Pengolahan Limbah Berkelanjutan

Abstrak

Kami melaporkan sintesis yang dapat diskala dari mikrosfer/mikrobola polianilin (PANI) berlubang melalui polimerisasi monomer dengan template lembut dalam medium alkaline menggunakan mikel Triton X-100. Nanostruktur yang dihasilkan menunjukkan penyerapan cepat dan berkapasitas tinggi dari kromium heksavalent (Cr(VI)) di seluruh spektrum pH yang luas, mencapai pengapusan maksimum sebesar 127,88 mg g⁻¹ pada pH 3. Regenerasi asam memulihkan performa bahan, menekankan kegunaan ulang praktisnya.

Latar Belakang

Cr(VI) adalah polutan karsinogenik yang dilepaskan oleh plating krom, pemurnian kulit, pemurnian logam, dan pembuatan tekstil. Mobilitas dan toksisitas tinggi menimbulkan risiko kesehatan yang parah, termasuk gagal ginjal dan kanker hati. Metode reduksi konvensional menggunakan sulfit atau garam besi menghasilkan limbah yang tidak dapat digunakan kembali, mendorong kebutuhan akan adsorben ramah lingkungan baru. Polimer konduktif, terutama polianilin (PANI), telah menarik perhatian untuk remediasi Cr(VI) karena sintesis yang mudah, biaya rendah, dan fungsional amina yang kaya yang dapat memberikan elektron untuk reduksi. Namun, PANI bulk menderita porositas terbatas, yang membatasi luas permukaan dan efisiensi penyerapan. Mikrobola PANI berlubang, dengan rongga internalnya, secara dramatis meningkatkan situs aktif yang tersedia, meningkatkan penyerapan Cr(VI). Pendekatan template keras yang ada memerlukan tenaga kerja yang banyak dan mengorbankan integritas struktural. Metode template lembut kami mengatasi kekurangan ini, menghasilkan mikrobola berlubang dengan hasil tinggi dan dapat direproduksi.

Metode

Tujuan

Untuk memproduksi bahan nano PANI berlubang yang dapat diskala dan digunakan kembali yang mampu menghapus Cr(VI) dari limbah industri.

Bahan

Anilin, NaOH, Triton X-100, dan persulfat ammonium (APS) digunakan sebagaimana adanya.

Sintesis

Dalam run tipikal, 32 mmol anilin, 32 mmol NaOH, dan 0,82 mmol Triton X-100 dispersi dalam 20 mL air tisu di bawah pengadukan magnetik selama 20 menit, didinginkan dalam mandi es, kemudian dicampur dengan 32 mmol APS (pre-dinginkan). Reaksi berlangsung selama 12 jam pada 0 °C. Produk dicuci berulang kali dengan air dan etanol hingga filtrat jernih, kemudian dikeringkan pada 60 °C selama 24 jam.

Karakterisasi

Morfologi: FESEM (Sirion 200) dan TEM (JEOL-2010). Struktur: XRD (Philips X’Pert) dan FTIR (JASCO FT-IR 410). Komposisi: ICP dan UV-Vis untuk kuantifikasi Cr; XPS (ESCALAB 250) untuk status oksidasi. Ukuran dan potensial zeta: Zetasizer 3000HS.

Uji Penghapusan Cr(VI)

Larutan bikromat kalium (awal 62,4 mg L⁻¹) disiapkan dan dicairkan ke konsentrasi yang diinginkan. 10 mg PANI dispersi dalam 20 mL larutan Cr(VI) pada pH tertentu (disesuaikan dengan NaOH/HCl), diaduk selama 3 jam, di sentrifugasikan, dan pH supernatant dibaca kembali menjadi 7,5–8,5. Kapasitas penyerapan setimbang (q_e) dihitung dengan q_e=((c₀−c_e)V)/m.

Kinetik

Penghapusan dipantau pada pH 3, 4, 5. Pada setiap titik waktu, larutan di sentrifugasikan dan c_e diukur oleh UV-Vis pada 350 nm. Data difit dengan persamaan pseudo-dua-urutan t/q_t=1/(k₂q_e²)+t/q_e.

Isoterm

Penyerapan setimbang pada berbagai konsentrasi awal Cr(VI) dianalisis dengan model Langmuir: c_e/q_e=1/(q_mk_L)+c_e/q_m.

Hasil dan Pembahasan

Morfologi

Gambar FESEM menunjukkan mikrobola berlubang seragam (diameter 0,5–2 µm) dengan rongga pusat yang terlihat (Gambar 1a,b). TEM mengonfirmasi arsitektur berlubang.

Struktur

Spektra FTIR menunjukkan pita khas pada 1569 cm⁻¹ (C-N kuinoid), 1496 cm⁻¹ (C-N benzenoid) dan 1142 cm⁻¹ (N-Q-N), yang menunjukkan bentuk emeraldine yang mendominasi. XRD menunjukkan puncak tajam pada 20,2° dan 25,4°, mengonfirmasi kristalinitas tinggi.

Kinetik Penghapusan Cr(VI)

Desensitan cepat terjadi dalam 90 menit pada pH 3. Model pseudo-dua-urutan mencocokkan data dengan baik (R²>0,998), menghasilkan nilai q_e sebesar 80,65, 37,48 dan 21,56 mg g⁻¹ untuk pH 3, 4, 5 masing-masing.

Efek pH

Kapasitas penghapusan meningkat tajam seiring dengan penurunan pH dari 12 menjadi 2, mencapai 127,88 mg g⁻¹ pada pH 3. Di bawah pH 2, total Cr meningkat karena desorpsi Cr(III), kemungkinan dipicu oleh tolakan elektrostatik. Oleh karena itu, penghapusan optimal terjadi antara pH 2–4.

Analisis Isoterm

Fitting Langmuir (R²>0,998) menghasilkan kapasitas maksimum q_m sebesar 127,88 mg g⁻¹ (pH 3), 43,20 mg g⁻¹ (pH 4) dan 25,61 mg g⁻¹ (pH 5), mengonfirmasi adsorpsi monolaer pada permukaan homogen.

Mekanisme

Cr(VI) pertama-tama diserap elektrostatis sebagai HCrO₄⁻ pada emeraldine PANI yang protontasi, kemudian direduksi menjadi Cr(III) sementara PANI oksidasi menjadi pernigraniline. Cr(III) tetap terikat ionik pada permukaan PANI. XPS menunjukkan energi ikatan Cr 2p₃/₂ sebesar 577,4 eV, khas untuk Cr(III). Morfologi berlubang menyediakan luas permukaan yang luas (BET 32,8 m² g⁻¹) dan pori internal untuk transfer massa yang cepat.

Regenerasi

Pendamkan mikrobola yang telah digunakan dalam 1 M HCl selama 30 menit memulihkan keadaan emeraldine dan memulihkan sekitar 95 persen kapasitas asli, menunjukkan kegunaan ulang yang kuat.

Perbandingan dengan Literatur

Tabel 1 meringkas bahwa mikrobola PANI berlubang kami melebihi banyak adsorben yang dilaporkan dalam kapasitas dan kegunaan ulang.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan sintesis lembut template yang mudah dari mikrobola/mikrobola PANI berlubang yang mencapai penghapusan Cr(VI) sebesar 127,9 mg g⁻¹ pada pH 3, dengan kinetik cepat, perilaku adsorpsi monolaer, dan regenerasi asam yang sederhana. Atribut ini memosisikan bahan ini sebagai solusi yang menjanjikan dan berkelanjutan untuk remediasi Cr(VI) industri.

Singkatan

APS

Persulfat ammonium

B

Cincin benzenoid

EB

Emeraldine

FESEM

Mikroskopi elektron pemindai sinar emis

FTIR

Spektroskopi inframerah transformasi Fourier

ICP

Spektrometer plasma terhubung inductif

LB

Leucoemeraldine

PANI

Polianilin

PB

Pernigraniline

Q

Cincin kuinoid

TEM

Mikroskopi elektron transmisi

XPS

Spektroskopi fotoelektron sinar X

XRD

Difraksi sinar X