Komposit γ‑AlO(OH)/MgAl‑LDH: Adsorpsi Metil Oranye Rekor dan Penggunaan Berkelanjutan
Abstrak
Kami melaporkan sintesis hidrothemal satu tongkat yang memasukkan jarum nano γ‑AlO(OH) ke dalam lapisan MgAl‑LDH, menghasilkan heterostruktur dengan adsorpsi metil oranye (MO) yang luar biasa. Jarak antar lapis meluas dari 7,6 Å menjadi 8,77 Å, sedangkan grup –OH yang melimpah meningkatkan kinetika kimiasorpsi. Komposit ini menghapus 1000 mg L⁻¹ MO sepenuhnya dalam 210 menit, mencapai kapasitas Langmuir 4681,40 mg g⁻¹ – yang tertinggi yang pernah dilaporkan untuk adsorben berbasis LDH. Setelah empat siklus adsorpsi–desorpsi, kapasitas tetap di atas 760 mg g⁻¹, menunjukkan daya daur ulang yang kuat.
Pendahuluan
Warna organik, yang serangkaian dalam tekstil, kulit, dan cat, mengancam lingkungan secara parah jika dibuang ke dalam tubuh air. Polaritas tinggi, volatilitas rendah, dan ketahanan terhadap biodegradasi membuatnya sulit untuk dihilangkan. Metode konvensional (fotokatalisis, oksidasi biologis, filtrasi membran) membutuhkan energi tinggi atau mahal. Adsorpsi fisik, terutama dengan hidrokoksida berlapis ganda (LDH), menawarkan alternatif yang sederhana dan hemat biaya karena kapasitas pertukaran anion yang tinggi dan luas permukaan yang dapat disesuaikan.
Perkembangan terbaru telah menunjukkan bahwa penyisipan spesies organik atau anorganik di antara lapisan LDH dapat meningkatkan adsorpsi lebih lanjut. γ‑AlO(OH), dengan luas permukaan spesifik yang tinggi dan banyak grup hidroksil, adalah kandidat ideal untuk interkalasi. Di sini kami menunjukkan integrasi yang berhasil ke dalam MgAl‑LDH, menghasilkan komposit yang menggabungkan jarak antar lapis yang diperluas dan aktivitas –OH yang ditingkatkan, menghasilkan performa adsorpsi rekor.
Metode
Persiapan γ‑AlO(OH)/MgAl‑LDH
Mg(NO₃)₂·6H₂O (4,615 g) dan Al(NO₃)₃·9H₂O (3,376 g) dilarutkan dalam 50 mL air DI. NaOH (2,516 g) dilarutkan dalam 25 mL air DI untuk mempertahankan pH 10. Keduanya ditambahkan secara titik-titik ke dalam 25 mL air DI di bawah pengadukan kuat pada 60 °C, kemudian dipecat dan dipanaskan pada 140 °C selama 10 jam. Lumpur yang dihasilkan dicuci, dilyofilisasi, dan disimpan. MgAl‑LDH murni dan γ‑AlO(OH) disintesis secara identik untuk perbandingan.
Karakterisasi
Pengidentifikasi fasa: XRD (Cu Kα, 5–80°). Morfologi: FESEM (S4800, 5 kV) dan TEM (JEM‑2100F, 200 kV). Kimia permukaan: FTIR (4000–400 cm⁻¹) dan XPS (ESCALAB 250Xi). Porositas: Adsorpsi–desorpsi N₂ (BET, BJH). Sifat optik: UV–Vis dan fotoluminescens (Varian). Studi kinetik dan isotermal menggunakan persamaan standar untuk model pseudo‑pertama/kedua urutan dan Langmuir/Freundlich.
Eksperimen Adsorpsi
50 mg adsorben diaduk dalam 50 mL larutan MO 1000 mg L⁻¹ (pH 3). Pada waktu yang ditetapkan, aliquot 3 mL diusir; absorbansi soprakan diukur pada 463 nm. Kapasitas adsorpsi seimbang dan segera dihitung melalui qₜ = (C₀–Cₜ)V/m dan qₑ = (C₀–Cₑ)V/m.
Desorpsi dan Regenerasi
Setelah adsorpsi, sampel dicuci dengan air DI, kemudian dengan etanol 30 %, dan dilyofilisasi. Siklus adsorpsi–desorpsi berulang menilai daya daur ulang.
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi Struktural
XRD mengonfirmasi kehadiran MgAl‑LDH dan γ‑AlO(OH). Puncak (003) bergeser dari 11,63° (7,6 Å) menjadi 10,09° (8,77 Å), mengindikasikan jarak antar lapis yang diperluas. FESEM/TEM mengungkapkan lapisan nanosheet MgAl‑LDH yang dicampur dengan jarum nano γ‑AlO(OH). Tepi jaringan HRTEM (0,235 nm, 0,152 nm) berkorespondensi dengan γ‑AlO(OH) (031) dan MgAl‑LDH (110). Pemetaan EDX menunjukkan distribusi elemen yang homogen.
Efek pH
Adsorpsi optimal terjadi pada pH 3; kapasitas menurun pada pH yang lebih tinggi karena penurunan tarikan elektrostatis. Pada pH 3, larutan menjadi jernih setelah 210 menit, mengonfirmasi pengeliminasi warna sepenuhnya.
Kinetika Adsorpsi
Semua sampel menunjukkan penyerapan awal yang cepat. γ‑AlO(OH)/MgAl‑LDH mencapai kapasitas seimbang 1000 mg g⁻¹ (konsentrasi MO 1000 mg L⁻¹) versus 183,3 dan 155,5 mg g⁻¹ untuk γ‑AlO(OH) dan MgAl‑LDH, masing-masing. Pencocokan pseudo‑kedua urutan (R² > 0,99) mengindikasikan kimiasorpsi sebagai langkah yang menentukan laju.
Analisis Isotermal
Pencocokan Langmuir menghasilkan qₘ = 4681,40 mg g⁻¹, KL = 4,62 × 10⁵ L mg⁻¹ untuk komposit, jauh melebihi γ‑AlO(OH) (1492,5 mg g⁻¹) dan MgAl‑LDH (769,2 mg g⁻¹). Konstanta Freundlich lebih mengonfirmasi affinitas adsorpsi yang kuat.
Mekanisme Adsorpsi
Luas permukaan BET (MgAl‑LDH = 14,1 m² g⁻¹; γ‑AlO(OH) = 95,9 m² g⁻¹; komposit = 34,1 m² g⁻¹) menunjukkan bahwa kapasitas tidak didorong oleh luas permukaan saja. Sebaliknya, bidang (003) yang diperluas memungkinkan anion MO untuk interkalasi melalui pertukaran ion, seperti yang ditunjukkan oleh puncak XRD baru dan peningkatan jarak antar lapis 3,22 Å setelah adsorpsi. Pengukuran potensial zeta (γ‑AlO(OH)/MgAl‑LDH = +43 mV pada pH 3) mengindikasikan permukaan yang sangat bermuatan positif yang menarik secara kuat warna anionik. Analisis FTIR dan XPS mengungkapkan ikatan hidrogen dan kimiasorpsi pada situs –OH, konsisten dengan kinetika pseudo‑kedua urutan.
Daya Daur Ulang
Setelah empat siklus adsorpsi–desorpsi, komposit mempertahankan kapasitas 762 mg g⁻¹ (>76 % dari awal), mengonfirmasi performa yang tahan lama.
Kesimpulan
Kami telah merancang heterostruktur γ‑AlO(OH)/MgAl‑LDH melalui rute hidrotermal satu tongkat yang menghasilkan adsorpsi metil oranye yang tidak pernah terjadi sebelumnya, mencapai kapasitas Langmuir 4681,40 mg g⁻¹ dan pengeliminasi warna sepenuhnya dalam 210 menit. Pertumbuhan “terbatas ruang” sinergis dari γ‑AlO(OH) dan banyak grup hidroksil menjadi dasar dari kinetika dan kapasitas yang superior. Bahan ini tetap sangat dapat didaur ulang, mempertahankan >76 % kapasitas setelah empat siklus. Muatan permukaan positif yang kuat dan struktur yang kokoh menjadikannya kandidat yang menjanjikan untuk menangani polutan warna anionik dan potensialmente sebagai pendukung fotokatalis.
