Nanosfer kaolinite dengan struktur hierarkis disintesis melalui teknik dehidrasi—rehidrasi melalui rute kalinasi—hidrotermal. Mikrostruktur sampel dikarakterisasi dan dianalisis oleh berbagai teknik. Hasil menunjukkan bahwa setelah perlakuan hidrotermal, partikel kaolinite pseudo-heksagonal berlapis berubah menjadi nanosfer struktur hierarkis. Struktur hierarkis menunjukkan luas permukaan spesifik besar sebesar 157,1 m2 g−1 dan distribusi ukuran mesopor sempit. Properti adsorpsi nanosfer kaolinite secara sistematis diselidiki melalui pengelolaan metilen biru (MB) dari air. Ditemukan bahwa nanosfer dapat dengan cepat mengadserpsi MB dengan kapasitas adsorpsi yang lebih tinggi (184,9 mg/g), dan data adsorpsi mengikuti model isoterma Langmuir dan model kinetik orde kedua pseudo. Selain itu, penyerap dapat diregenerasi dengan mencuci menggunakan larutan metanol-HCl dan menunjukkan efisiensi pengelolaan lebih dari 95% hingga 4 siklus.
Pengantar
Warna adalah senyawa aromatik sintetis yang digunakan luas dalam industri tekstil, kulit, kertas, plastik, dan industri lainnya [1]. Seiring dengan perkembangan industri, pencemaran air telah disadari dan secara bertahap menjadi salah satu kekhawatiran serius di era ini [2]. Banyak metode rehabilitasi air tercemar termasuk flokulasi, presipitasi, pertukaran ion, filtrasi membran, penghancuran elektrokimia, iradiasi, dan ozonisasi. Adsorpsi lama dianggap sebagai pendekatan yang sangat efisien untuk kontrol pencemaran, dan berbagai penyerap seperti karbon aktif, abu terbang, mineral liat, dan oksida logam telah dikembangkan untuk penghapusan kontaminan dari limbah cair [3,4,5,6,7].
Kaolinite (Kaol) dengan rumus kimia Al2Si2O5(OH)4 adalah filositikat 1:1 dioktahedral yang dibentuk oleh superposisi lembaran tetrahedral silikon dan lembaran oktaheda aluminium [8]. Berdasarkan ketersediaan yang melimpah, biaya rendah, dan struktur khusus, Kaol telah menarik perhatian besar dari sudut pandang lingkungan sebagai penyerap biaya rendah yang menjanjikan [9, 10]. Namun, Kaol mentah menunjukkan kapasitas penyerapan yang relatif rendah karena reaktivitas dan luas permukaan spesifik yang rendah. Peneliti telah menyetujui bahwa nanomaterial dan nanoteknologi telah membentuk proses pengolahan limbah cair secara tak tertandingi [11,12,13,14]. Untuk meningkatkan reaktivitas dan luas permukaan spesifik Kaol, berbagai metode seperti modifikasi organik, aktivasi asam atau alkali, delaminasi, dan eksfoliasi telah dikembangkan [15,16,17,18]. Namun, karena ruang antar-lapis yang tidak dapat diakses kaolinite, metode ini membutuhkan banyak agen kimia dan langkah interkalasi-deinterkalasi berulang atau pergeseran interkalasi Kaol selama hari atau minggu untuk mendapatkan nanopartikel Kaol [19, 20]. Dalam alam, mineral liat kelompok kaolin terbentuk melalui proses alterasi hidrotermal atau pelapukan. Banyak perhatian telah diberikan terhadap pembentukan mineral Kaol menggunakan gel aluminosilikat sebagai bahan awal di laboratorium [21,22,23,24]. Temuan menarik adalah bahwa Kaol yang terbentuk hidrotermal menunjukkan morfologi nano struktur yang bervariasi [25]. Selain itu, beberapa mineral liat nano struktur seperti hydrosodalite [26], nefelin [27], illit [28], mineral liat doping logam [23, 29,30,31], dan tobelite [32] telah diproduksi melalui teknologi hidrotermal menggunakan kaolin yang digabungkan dengan asam silikat, nitrat aluminium, NaOH, kOH, atau larutan NH3.
Terinspirasi oleh penelitian di atas, kami mengusulkan teknik gabungan kalinasi-hidrotermal untuk menyiapkan nanosfer struktur hierarkis menggunakan Kaol sebagai bahan awal tanpa menggunakan agen kimia apa pun. Material yang dihasilkan menampilkan superstruktur kaolinite seperti delima (disebut PS-Kaol) yang terdiri dari banyak nanosfer kaolinite dengan luas permukaan spesifik besar dan mesopor melimpah. Selain itu, performa adsorpsi PS-Kaol diukur melalui pengelolaan metilen biru (MB) dari air.
Bahan dan Metode
Tujuan Studi
Untuk secara signifikan meningkatkan luas permukaan spesifik kaolinite dan meningkatkan kapasitas penyerapan warna dari air, nanosfer kaolinite struktur hierarkis disiapkan melalui teknik gabungan kalinasi-hidrotermal yang ramah lingkungan tanpa agen kimia apa pun. Untuk mengevaluasi awal serapnya, performa adsorpsi PS-Kaol diukur melalui pengelolaan MB dari air.
Bahan
Sampel yang digunakan dalam studi ini adalah kaolin alami dari provinsi Guangxi, Tiongkok. Komposisi kimianya dalam wt.% adalah SiO2 49,52, Al2O3 35,62, Fe2O3 0,62, MgO 0,23, CaO 0,41, Na2O 0,36, K2O 0,10, TiO2 0,12, P2O5 0,86, SO3 0,07, dan kehilangan pada pembakaran 12,09. MB diperoleh dari Tianjin ShengAo Chemical Reagents Company. Ini adalah warna kationik, dengan rumus molekuler C16H18ClN3S·3H2O, massa molar 373,90 g mol−1, dan absorpsi maksimum sama dengan 664 nm. Metanol dan HCl dibeli dari Beijing Chemical Reagents Company, Tiongkok. Air terdistilasi digunakan dalam semua eksperimen.
Pembuatan Nanosfer Kaolinite Hierarkis
Sampel Kaolin mentah difilter melalui sedimen dalam air untuk menghilangkan residu yang menempel dan kemudian suspensi slurry di-spray dry untuk membentuk agregasi berbentuk bola kaolinite. Bubuk Kaol yang difilter kemudian dikalsinasi pada 600 °C selama 2 jam dalam tongkat mufler di bawah lingkungan udara untuk mendapatkan Kaol kalinasi (disebut C-Kaol). Selama perlakuan kalinasi ini, Kaol mengalami modifikasi penting dan menjadi jauh lebih reaktif [33]. Kaol yang diaktifkan adalah bahan awal penting untuk perlakuan hidrotermal selanjutnya. Biasanya, 5 g C-Kaol dan 60 ml air terdistilasi dicampur dan diaduk dengan kuat selama 30 menit. Kemudian campuran ini dipindahkan ke autoclave stainless steel dilapis Teflon berkapasitas 100 ml dan diobati hidrotermal pada 200 °C di bawah pengadukan magnetik selama durasi 48 jam dan pendingin ke suhu kamar. Akhirnya, produk akhir dikumpulkan melalui sentrifugasi dan dikeringkan pada 100 °C selama 10 jam.
Karakterisasi
Morfologi dan struktur sampel diamati oleh mikroskopi elektron semaran (HSEM Hitachi, SU8020) dan mikroskopi elektron transmisi (TEM, JEM1200EX), masing-masing. Pola XRD direkam menggunakan instrumen Bruker D8 dengan target tembaga. Spektra inframerah transform Fourier (FT-IR) direkam pada pelet KBr dengan resolusi 2 cm−1 pada spektrometer Bruker Tensor 27. Spektroskopi fotoelektron X-ray (XPS) dilakukan pada spektrometer Thermo escalab 250Xi. Isoterm adsorpsi-desorpsi nitrogen diambil dengan analyzer Autosorb-iQ-MP (Quanta Chrome, AS).
Eksperimen Adsorpsi
Kapasitas adsorptif sampel dievaluasi menggunakan MB sebagai indikator tipikal. Seri eksperimen adsorpsi dengan waktu kontak yang bervariasi, pH, konsentrasi awal MB, dan pengulangan dilakukan untuk menyelidiki kapasitas adsorpsi penyerap. Biasanya, 100 mg penyerap dicampur dengan 100 ml larutan air MB dengan berbagai konsentrasi dalam beker konis 250 ml dengan pengadukan magnetik pada 25 °C selama waktu tertentu. Pengaruh waktu kontak diuji dari 5 hingga 120 menit (pada 25 °C, pH awal ~ 6,5, MB 100 mg/L). Untuk mengevaluasi efek pH, rentang 2 hingga 12 dipilih (waktu kontak: 12 jam pada 25 °C, MB 100 mg/L) dan pH larutan disesuaikan dengan menambahkan HCl dan NaOH (0,1 mol L−1). Konsentrasi 50, 80, 100, 150, 200, 300, dan 400 mg/L dipilih untuk mempelajari efek konsentrasi MB awal (pada 25 °C, pH awal tanpa penyesuaian, 12 jam). Untuk menyelidiki kemampuan penggunaan ulang penyerap, bubuk dikumpulkan; setelah itu, adsorpsi mencapai kesetimbangan dalam larutan MB pada 100 mg/L pada 25 °C dan nilai pH awal. Kemudian dicuci dengan larutan campuran metanol-HCl untuk deadsorpsi. Setelah dipisahkan dan dikeringkan, sampel digunakan ulang untuk mengadserpsi MB. Proses regenerasi dan penyerapan ulang diulang empat siklus berturut-turut. Untuk setiap tes adsorpsi, larutan diambil dan di-sentrifugasi untuk menghilangkan penyerap. Supernatan larutan yang di-sentrifugasi dianalisis oleh analyzer kualitas air DR2800 (HACH, Amerika). Performa adsorpsi dievaluasi menggunakan ekspresi berikut:
di mana C0 (mg/L) adalah konsentrasi MB awal, Ce (mg/L) adalah konsentrasi MB kesetimbangan, Ct (mg/L) adalah konsentrasi MB dalam larutan air pada waktu t (menit), qe (mg/g) adalah kapasitas adsorpsi kesetimbangan, qt (mg/g) adalah kapasitas adsorpsi pada waktu t (menit), V (L) adalah volume larutan, dan m (g) adalah massa penyerap.
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi Material
Gambar 1a menunjukkan pola XRD dari sampel yang disiapkan, yaitu Kaol, C-Kaol, dan PS-Kaol, masing-masing. Untuk C-Kaol, puncak difraksi hampir hilang, dan digantikan oleh latar belakang lebar yang merupakan ciri metakaolinite. Setelah diobati hidrotermal pada 200 °C selama 48 jam, refleksi (001), (020), dan (110) muncul kembali dengan jelas yang menunjukkan bahwa metakaolinite di-rehidrasi dan berubah menjadi Kaol lagi. Namun, refleksi dalam rentang 30–40° (2θ) pada PS-Kaol lebih lebar dibandingkan Kaol, menunjukkan bahwa PS-Kaol tidak kristal dengan baik.
a Pola XRD, b Spektra FTIR, c Spektra XPS Al2p, dan d Spektra XPS Si2p dari sampel Kaol, kaolinite kalinasi (C-Kaol), dan kaolinite kalinasi perlakuan hidrotermal (PS-Kaol)
Gambar 1b menunjukkan spektra FTIR dari kaolinite asli, C-Kaol, dan sampel PS-Kaol. Dibandingkan dengan spektrum kaolinite asli, puncak hidroksil dalam rentang 3700–3600 cm−1 tidak terlihat untuk C-Kaol, dan pita yang terkait dengan getaran Si-O dalam rentang 1110–1000 cm−1 [34] terlihat lebar dengan jelas. Pita getaran Al-O-Si pada 795, 750 cm−1 [34] juga melebar dan puncak aluminium oktaheda pada 912 cm−1 [35] hilang. Hasil ini menunjukkan bahwa kaolinite telah berubah sepenuhnya menjadi metakaolinite amorf setelah kalinasi 2 jam pada 600 °C. Sementara, setelah perlakuan hidrotermal, pita lebar kelompok hidroksil dalam 3700–3600 cm−1 muncul untuk PS-Kaol. Selain itu, pita getaran Si-O yang melebar menjadi lebih tajam dan aluminium oktaheda pada 912 cm−1 muncul lagi dibandingkan C-Kaol. Perubahan di atas untuk Kaol, C-Kaol, dan PS-Kaol mengungkapkan bahwa setelah perlakuan hidrotermal metakaolinite yang dikalsinasi di-rehidrasi dan sedikit berubah kembali menjadi kaolinite dengan kristalisasi rendah.
Untuk mengkarakterisasi lebih lanjut properti permukaan sampel yang disiapkan, energi ikatan Al2p dan Si2p untuk Kaol, C-Kaol, dan PS-Kaol ditentukan oleh XPS (Gambar 1c, d). Struktur kimia yang diamati Si dan Al dalam sampel berubah setelah kalinasi dan perlakuan hidrotermal. Energi ikatan Si2p dan Al2p dari C-Kaol meningkat sebesar 0,16 dan 0,67 eV dibandingkan dengan Kaol, masing-masing. Setelah perlakuan hidrotermal, energi ikatan Al2p hampir sama dengan C-Kaol, sementara Si2p meningkat lebih lanjut sebesar 0,26 eV. Hasil ini menunjukkan bahwa lingkungan kimia Al dan Si berubah di bawah perlakuan kalinasi dan hidrotermal. Rasio area Si2p/Al2p dan rasio atom Si/Al yang sesuai yang diperoleh untuk semua sampel tercantum pada Gambar 1c, d. Perhatikan bahwa kedua rasio untuk C-Kaol cukup sama dengan Kaol. Ini menunjukkan bahwa perlakuan kalinasi tidak mengubah distribusi Si dan Al pada permukaan sampel. Sementara penurunan yang menonjol ditemukan dalam rasio atom Si/Al dan rasio area Si2p/Al2p PS-Kaol (1,05 dan 1,68) dibandingkan dengan Kaol (1,12 dan 1,78). Ini menunjukkan bahwa perlakuan hidrotermal mempromosikan pengayaan aluminium pada permukaan kaolinite. Beberapa penelitian mengamati fenomena yang sama ketika abu batubara diubah secara mekanis, dan mengusulkan bahwa permukaan baru yang dipenyegat aluminium ini menunjukkan reaktivitas kimia yang ditingkatkan [36].
Morfologi Kaol dan PS-Kaol yang diukur oleh SEM dan TEM disajikan pada Gambar 2. Agregasi Kaol spray-dried menunjukkan struktur mikrosfer dengan diameter ~ 10 μm (Gambar 2a), yang terdiri dari banyak partikel berlapis pseudo-heksagonal (Gambar 2b). Ada banyak ruang antar-partikel dalam mikrosfer Kaol yang memungkinkan molekul air dengan mudah melewati seluruh mikrosfer. Untuk sampel yang dikalsinasi, morfologi hampir sama dengan Kaol spray-dried (tidak dicantumkan di sini). Selama perlakuan kalinasi, Al dalam lembar oktaheda berubah dari koordinasi enam ke empat, sementara Si tetap dalam koordinasi empat dalam lembra tetrahedral, dan Kaol mempertahankan struktur berlapisnya [33]. Setelah perlakuan hidrotermal, C-Kaol berubah menjadi mikrosfer struktur seperti delima. Gambar 2c, d menunjukkan gambar keseluruhan PS-Kaol dengan diameter ~ 10 μm yang hampir sama dengan diameter agregasi Kaol. Gambar SEM (Gambar 2e) dengan perbesar tinggi menunjukkan informasi rinci bahwa PS-Kaol terdiri dari banyak nanosfer. Nanosfer ini dengan garis bentuk yang terdefinisi dengan baik menggabung bersama dan membentuk pori di dalam superpartikel seperti delima. Hasil ini menunjukkan bahwa partikel berlapis pseudo-heksagonal Kaol berubah menjadi nanosfer tanpa runtuhnya mikrosfer agregasi spray-dried di bawah perlakuan hidrotermal. Hasil XRD mengungkapkan bahwa nanosfer ini adalah Kaol (Gambar 1), dan studi lain juga mengakui jenis bola ini sebagai Kaol [22]. Dari mikrogram TEM (Gambar 2f–h), diamati bahwa nanosfer ini dengan diameter rata-rata 20 nm dibangun dengan flake ultratikip. Gambar 2h mengungkapkan flake ultratikip yang menggulung di sekitar nanosfer. Hasil ini menyiratkan bahwa nanosfer kaolinite terbentuk oleh flake kaolinite tipis yang teragregasi dan tumbuh dengan pelapisan berkelanjutan flake tipis. Beberapa peneliti menyoroti bahwa pembentukan kaolinite mengikuti proses pelarutan-presipitasi [22, 37]. Dalam paper ini, pembentukan PS-Kaol mungkin mengikuti proses berikut. Pertama, partikel Kaol pseudo-heksagonal diagregasi untuk membentuk agregasi bola selama spray drying dan diaktifkan oleh perlakuan kalinasi yang berikutnya. Partikel plat C-Kaol larut di bawah perlakuan hidrotermal dan presipitasi in situ untuk membentuk flake ultratikip. Selanjutnya, flake yang tumbuh berubah menjadi partikel sfereoidis karena tegangan air.
Gambar SEM sampel pada berbagai perbesar. a, b Kaol. c–e Metakaolinite perlakuan hidrotermal (PS-Kaol). f–h Gambar TEM PS-Kaol
Luas permukaan dan struktur pori Kaol, C-Kaol, dan PS-Kaol diselidiki oleh adsorpsi-desorpsi nitrogen, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 3. Terlihat bahwa isoterm Kaol sangat mirip dengan isoterm tipe II yang menunjukkan bahwa Kaol adalah agregasi makroporos. Setelah dikalsinasi, isoterm C-Kaol hampir sama dengan Kaol. Namun, perlakuan hidrotermal menunjukkan efek yang kuat terhadap struktur sampel yang dihasilkan. Jumlah adsorpsi N2 untuk PS-Kaol meningkat secara tajam. Isoterm adsorpsi-desorpsi nitrogen PS-Kaol menunjukkan ciri tipe IV dengan histeresis yang jelas pada tekanan relatif antara 0,40 hingga 0,99, yang menunjukkan kehadiran mesopor yang melimpah. Kurva distribusi ukuran pori (Gambar 3b) dari sampel yang dievaluasi menggunakan model DFT menunjukkan distribusi ukuran pori di wilayah 2,0–10,0 nm dengan puncak maksimum pada 5,0 nm. Luas permukaan spesifik BET untuk PS-Kaol adalah 157,1 m2 g−1, yang jauh lebih tinggi dari Kaol (29,3 m2 g−1) dan C-Kaol (27,5 m2 g−1).
Isoterm adsorpsi-desorpsi nitrogen (a) dan kurva distribusi ukuran pori DFT (b) dari Kaol, kaolinite kalinasi (C-Kaol), dan kaolinite kalinasi perlakuan hidrotermal (PS-Kaol)
Performa Adsorpsi MB
Pengaruh Waktu Kontak
Kapasitas adsorptif sampel dievaluasi menggunakan MB sebagai indikator tipikal. Gambar 4a menunjukkan evolusi MB dengan waktu kontak. Laju pengelolaan MB dari larutan air oleh PS-Kaol dengan cepat mencapai lebih dari 92% hanya dalam 5 menit, dan kemudian meningkat sedikit dengan waktu kontak dan mencapai 99,1% untuk 120 menit. Untuk Kaol, laju pengelolaan tertinggi (57,6%) dicapai pada 10 menit, dan kemudian sedikit menurun menjadi 52,3% dengan pemanjangan waktu kontak. Untuk C-Kaol, laju pengelolaan tertinggi (38,1%) dicapai pada 30 menit dan kemudian menurun tajam menjadi 16,1% dengan peningkatan waktu kontak. Hasil perbandingan ini menunjukkan bahwa perlakuan hidrotermal sangat meningkatkan kemampuan adsorpsi PS-Kaol dan meningkatkan efek接着 antara permukaan partikel PS-Kaol dan molekul MB.
a Laju penyerapan sampel Kaol, C-Kaol, dan PS-Kaol, 25 °C. b Efisiensi penyerapan MB sampel PS-Kaol pada berbagai pH larutan awal. c Isoterm adsorpsi sampel PS-Kaol. d Efisiensi penyerapan MB sampel PS-Kaol pada berbagai konsentrasi MB awal
Pengaruh pH
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b, efisiensi penyerapan PS-Kaol untuk MB meningkat dari 95,10 menjadi 99,15% dengan meningkatnya nilai pH dari 2 hingga 12. Observasi serupa telah dilaporkan pada adsorpsi MB pada liat mesopor yang dimodifikasi [38] dan kaolin [39]. Efek pH pada adsorpsi warna dapat dijelaskan oleh interaksi elektrostatis antara penyerap dan molekul warna. MB adalah warna kationik yang dikenal dengan muatan positif dalam larutan, sementara muatan permukaan kaolinite sangat dipengaruhi oleh pH larutan. Untuk kaolinite, seiring dengan meningkatnya pH larutan, jumlah situs yang bermuatan negatif meningkat dan jumlah situs yang bermuatan positif berkurang [40]. Oleh karena it, tingkat warna yang diadserpsi pada kaolinite cenderung meningkat dengan meningkatnya nilai pH. Untuk PS-Kaol, efisiensi penyerapan untuk MB juga meningkat dengan meningkatnya nilai pH, sementara dalam rentang pH yang luas (dari 2 hingga 12) efisiensi penyerapan untuk MB hanya sedikit meningkat dari 95,10 menjadi 99,15%. Hasil serupa diperoleh untuk pengelolaan MB oleh kaolinite yang diobati asam [15]. Perilaku adsorpsi PS-Kaol pada berbagai pH ini menunjukkan bahwa potensialnya dapat diterapkan dalam rentang pH yang luas.
Pengaruh Konsentrasi MB Awal
Efek konsentrasi warna awal pada adsorpsi warna MB ditentukan dengan menyiapkan berbagai konsentrasi warna dari 50 hingga 400 mg/L. Isoterm penyerapan yang dihasilkan (Gambar 4c) mengungkapkan bahwa kapasitas adsorpsi MB meningkat tajam dari 49,8 menjadi 184,9 mg/g yang menunjukkan potensi signifikan PS-Kaol untuk adsorpsi warna kationik. Selain itu, Gambar 4d menunjukkan bahwa efisiensi penyerapan PS-Kaol melebihi 96% pada konsentrasi MB awal yang berkisar dari 50 hingga 150 mg/L dan kemudian perlahan menurun menjadi nilai (46%) pada 400 mg/L, yang menunjukkan penerapan tinggi PS-Kaol dalam rentang konsentrasi MB yang luas dalam limbah cair.
Model Kinetik dan Isoterm Adsorpsi
Untuk menyelidiki lebih lanjut karakteristik adsorpsi PS-Kaol terhadap warna MB, model kinetik adsorpsi (orde pertama pseudo dan orde kedua pseudo) dan isoterm (persamaan Langmuir dan Freundlich) diusulkan berdasarkan data eksperimental (Gambar 4). Persamaan yang sesuai diberikan:
di mana K1 (1min− 1) dan K2 (g/mg/min) adalah konstanta laju orde pertama pseudo dan orde kedua pseudo, masing-masing. qm (mg/g) dan KL (L/mg) adalah koefisien isoterm Langmuir; KF (mg/g) dan n adalah konstanta Freundlich.
Kinetik adsorpsi dilakukan untuk mengevaluasi laju dan mekanisme transfer molekul warna dari larutan cair ke permukaan PS-Kaol. Data dan pemasangan model kinetik orde pertama pseudo dan orde kedua pseudo ditunjukkan pada Gambar 5a, b, masing-masing. Nilai R2 dari model orde pertama pseudo dan orde kedua pseudo adalah 0,54 dan 0,999, masing-masing. Selain itu, nilai qe,cal (99,21) untuk model orde kedua pseudo juga tampak sangat dekat dengan nilai eksperimental yang diamati qe,exp. (99,2). Hasil ini secara jelas menunjukkan bahwa adsorpsi MB pada PS-kaol didominasi oleh mekanisme adsorpsi orde kedua pseudo, dan menunjukkan sifat kimia adsorpsi MB pada permukaan PS-Kaol. Konstanta laju adsorpsi K2 dari PS-Kaol terhadap MB adalah 0,037 g/(mg menit) berdasarkan model kinetik orde kedua pseudo.
a, b Model kinetik orde pertama pseudo dan orde kedua pseudo untuk adsorpsi warna MB pada PS-Kaol, masing-masing. c, d Model isoterm Langmuir dan Freundlich untuk adsorpsi warna MB pada PS-Kaol, masing-masing
Model isoterm Langmuir dan Freundlich digunakan untuk analisis adsorpsi dan hasil pemasangan linier ditampilkan pada Gambar 6c, d, masing-masing. Data cocok lebih baik dengan isoterm Langmuir dengan koefisien korelasi R2 sebesar 0,999 (Gambar 5c) daripada dengan isoterm Freundlich dengan koefisien korelasi 0,892 (Gambar 5d), yang menunjukkan adsorpsi lapis tunggal MB pada permukaan PS-Kaol. Nilai qm dari MB pada PS-Kaol adalah 185,87 mg/g, dekat dengan data eksperimental (184,9 mg/g). Berdasarkan karakterisasi, performa adsorpsi, dan analisis model isoterm dan kinetik adsorpsi, properti adsorpsi yang ditingkatkan PS-Kaol dapat dikaitkan dengan properti luas permukaan spesifik yang ditingkatkan. Selain itu, struktur mesopor hierarkis nanopartikel juga membantu difusi dan transportasi molekul MB (Gambar 3).
a Berbagai siklus penggunaan ulang PS-Kaol untuk pengelolaan MB. b Gambar skematis aplikasi dan regenerasi PS-Kaol untuk pemurnian air
Potensi penggunaan ulang penyerap adalah faktor yang signifikan untuk penggunaan praktisnya. Polutan yang tersemat dapat dipindahkan dengan memasukkan molekul pelarut yang tepat [41, 42]. Dalam studi ini, PS-Kaol yang digunakan diregenerasi dengan mencuci menggunakan larutan metanol yang mengandung 0,1 mM HCl untuk pengiklanan berikutnya. Seperti yang dapat diamati pada Gambar 6a, setelah 4 siklus, efisiensi penyerapan penyerap berkurang sedikit dibandingkan dengan efisiensi pengelolaan 99,1% dari PS-Kaol asli, dan pengelolaan warna setelah 1 dan 4 siklus adalah 98,09% dan 94,61%, masing-masing. Jadi, seiring dengan peningkatan siklus regenerasi, kapasitas adsorpsi yang dipulihkan secara bertahap menurun. Seperti diilustrasikan pada Gambar 6b, setelah mengadserpsi warna MB, warna putih PS-kao berubah menjadi biru tua, dan air tercemar diobati menjadi air bersih. PS-kao biru tua yang digunakan diregenerasi dengan pemindahan warna MB melalui pencucian dengan larutan metanol + HCl dan berubah menjadi warna biru muda. Ini menyiratkan bahwa warna MB yang diadserpsi tidak terpindahkan sepenuhnya oleh pencucian pelarut, dan merupakan alasan untuk penurunan bertahap kapasitas adsorpsi PS-Kao yang direcycle. Beberapa peneliti juga mengamati penurunan bertahap kapasitas adsorpsi ketika mendaur ulang penyerap dengan metode pencucian pelarut [4, 42]. Di sini, hasil yang menarik adalah bahwa regenerasi desorpsi pelarut penyerap PS-Kaol dapat mempertahankan efisiensi pengelolaan tinggi (pulih lebih dari 95% kapasitas adsorpsi) selama empat siklus berturut-turut. Oleh karena itu, PS-Kaol dengan performa adsorpsi dan properti regenerasi yang unggul dapat digunakan secara efektif untuk pengelolaan warna dari limbah cair.
Kesimpulan
Ringkasan, struktur hierarkis Kaol seperti delima berhasil disiapkan melalui pendekatan kalinasi-hidrotermal menggunakan kaolin yang difilter sebagai bahan awal. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa partikel plat C-Kaol larut di bawah kondisi hidrotermal dan presipitasi menjadi flake ultratikip yang mengagregasi untuk membentuk nanosfer Kaol karena tegangan air. PS-Kaol dengan luas permukaan spesifik tinggi dan mesopor yang melimpah menunjukkan performa adsorpsi unggul dengan efisiensi penyerapan tinggi terhadap MB di bawah kondisi pH yang luas, kinetik penyerapan cepat, dan regenerasi penyerap yang efisien. Jadi, PS-Kaol menunjukkan peluang aplikasi yang baik untuk pengolahan limbah cair dan rehabilitasi lingkungan. Ini juga menyediakan teknik penyesuaian ramah lingkungan untuk menyiapkan material nano struktur fungsional berbasis liat.
