Efek Ruang-Terbatas Sintesis Satu Pot Heterostruktur -AlO(OH)/MgAl-LDH dengan Kinerja Adsorpsi Yang Sangat Baik
Abstrak
Di sini, -AlO(OH) sebagai anorganik berhasil dimasukkan ke dalam lapisan MgAl-LDH dengan sintesis satu pot, komposit sebagai adsorben untuk menghilangkan jingga metil (MO) dari air limbah. Struktur dan kinerja adsorpsi -AlO(OH)/MgAl-LDH dikarakterisasi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa bidang ekspansi (003) dan sisi aktif hidroksil -AlO(OH)/MgAl-LDH masing-masing dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi dan kinetika adsorpsi. Oleh karena itu, -AlO(OH)/MgAl-LDH menunjukkan kinerja adsorpsi super, yang sepenuhnya menyerap MO pada konsentrasi 1000 mg g
−1
. Selain itu, kapasitas adsorpsi maksimum MO adalah 4681,40 mg g
−1
menurut model Langmuir. Hasil ini menunjukkan bahwa -AlO(OH)/MgAl-LDH merupakan adsorben yang potensial untuk menghilangkan zat warna organik dalam air.
Pengantar
Pewarna organik banyak digunakan pada banyak produk seperti tekstil, kulit, cat, dan karet [1,2,3]. Zat warna ini mudah dibuang ke air [4], menyebabkan masalah lingkungan yang serius seperti merugikan organisme akuatik, mengkonsumsi oksigen terlarut, dan menodai air [3, 5]. Selain itu, sebagian besar pewarna organik sangat polar, tidak mudah menguap, dan sulit terurai. Diamati bahwa air limbah pewarna sangat merugikan kesehatan manusia. Oleh karena itu, pengolahan air limbah pewarna adalah tugas yang mendesak. Saat ini, sebagian besar pengolahan air limbah pewarna menggunakan adsorpsi fisik, fotokatalisis, oksidasi biologi dan kimia, flokulasi, dan pemisahan membran [4, 6]. Diantaranya, metode adsorpsi fisik memiliki posisi khusus dalam bidang pengolahan air limbah karena kemampuannya untuk memperkaya senyawa tertentu secara selektif. Selain itu, metode adsorpsi memiliki karakteristik efek adsorpsi yang baik, operasi sederhana, dan jangkauan aplikasi yang luas dan telah banyak digunakan di bidang pengolahan air limbah pewarna [7, 8].
Hidroksida ganda berlapis (LDHs), tanah liat anionik umum, terdiri dari lapisan seperti brucite [9]. Rumus umumnya dapat dinyatakan sebagai [M
2+1 xA
3+x (OH)2 ][(An
)x /n ]·yH2 O, di mana M
2+
, M
3+
, dan An
mewakili kation bivalen, kation trivalen, dan n -valent anion, masing-masing [10]. LDH memiliki sifat adsorpsi yang sangat baik untuk pewarna karena kapasitas pertukaran anion yang tinggi dan luas permukaan yang besar. Misalnya, Lafi dkk. menyiapkan MgAl-LDH dengan metode kopresipitasi; kapasitas adsorpsi adsorben pada Congo red mencapai 111,111 mg g
−1
[11]. Zheng dkk. menyiapkan Zn-Mg-Al LDH juga melalui metode kopresipitasi, yang memiliki kapasitas adsorpsi yang sangat baik hingga 883,24 mg g
−1
untuk jingga metil pada kondisi pH =3 [12]. Jelas, untuk penyerap LDH, sebagian besar peneliti fokus pada mengejar kapasitas pertukaran ion yang tinggi dan luas permukaan spesifik yang besar. Sayangnya, nanokristalisasi LDH bukan tanpa batas. Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti telah menemukan bahwa penyisipan organik atau anorganik ke lapisan LDH dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi LDH. Misalnya, Mandal dkk. memasukkan natrium alginat di antara lapisan LDH untuk membentuk adsorben komposit. Natrium alginat membantu dalam memperlebar ruang interlayer LDH dan meningkatkan kapasitas adsorpsi adsorben untuk pewarna oranye II [13]. Bruna dkk. organik/LDH yang disintesis (organic anion dodecylsulfate (DDS) insert ke MgAl-LDH) sebagai adsorben hidrokarbon aromatik polisiklik dalam sistem air dan tanah-air [14]. Oleh karena itu, merupakan ide yang baik untuk merancang adsorben dengan memasukkan senyawa di antara lapisan LDH. Aluminium oksida hidroksida (γ-AlO(OH)) merupakan adsorben yang baik untuk pengolahan air limbah, karena luas permukaan spesifik yang tinggi dan jumlah gugus hidroksil yang banyak pada permukaan [15, 16]. Oleh karena itu, -AlO(OH) merupakan bahan interkalasi anorganik yang potensial untuk MgAl-LDH.
Dalam makalah ini, -AlO(OH) berhasil disisipkan ke MgAl-LDH dengan metode hidrotermal. Komposit ini menunjukkan sifat adsorpsi yang sangat baik untuk jingga metil (MO). Karakteristik struktural komposit -AlO(OH)/MgAl-LDH dievaluasi menggunakan difraksi serbuk sinar-X (XRD), spektroskopi inframerah Fourier-transform (FTIR), mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FESEM), mikroskop elektron transmisi ( TEM), dan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM). Sifat adsorpsi komposit dievaluasi melalui adsorpsi MO, dan penelitian mendalam tentang mekanisme sinergis -AlO(OH) dan MgAl-LDH telah dilakukan.
Metode
Persiapan -AlO(OH)/MgAl-LDH
Semua reagen kimia adalah kelas analitis dan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Komposit -AlO(OH)/MgAl-LDH dibuat menggunakan metode hidrotermal. Dalam sintesis khas, Mg(NO3 )2 ·6H2 O (4,615 g) dan Al(NO3 )3 ·9H2 O (3,376 g) dilarutkan dalam 50 mL air deionisasi (DI) (Mili-Q, 18,2 MΩ) untuk membentuk larutan 1. NaOH (2,516 g) dilarutkan dalam 25 mL air deionisasi tanpa gas, sehingga dihasilkan larutan 2 . Larutan 1 dan 2 ditambahkan tetes demi tetes ke dalam bejana reaksi yang berisi 25 mL air deionisasi, dan pengadukan dilakukan dengan kuat pada nilai pH konstan 10 dan suhu 60 °C. Kemudian, bubur yang dihasilkan diolah lebih lanjut di bawah kondisi hidrotermal pada 140 °C selama 10 jam dan didinginkan hingga suhu kamar. -AlO(OH)/MgAl-LDH dicuci beberapa kali dengan air deionisasi dan diliofilisasi dalam pengering beku vakum. Sebagai perbandingan, MgAl-LDH dan -AlO(OH) murni dibuat dengan perlakuan hidrotermal yang sama (140 °C, 10 jam).
Karakterisasi
Struktur fasa dikarakterisasi dengan difraksi sinar-X serbuk (XRD; X'Pert PRO PANalytical) dalam 2θ kisaran 5–80 ° dengan radiasi Cu Kα pada panjang gelombang 0,15406 nm. Morfologi permukaan sampel dicitrakan oleh FESEM (S4800) pada 5 kV. Struktur mikro sampel dianalisis dengan HRTEM (JEM-2100F) pada 200 kV. Spektrum IR direkam dalam kisaran 4000–400 cm
−1
menggunakan spektrometer FTIR (NEXUS 470, instrumen Nicolet) dengan resolusi optik 4 cm
−1
dan ukuran aperture 100 im. Percobaan adsorpsi-desorpsi nitrogen untuk kuantifikasi permukaan dan porositas dilakukan pada -196 °C dengan instrumen NOVA-1200e. Sebelum analisis, sampel diperlakukan pada 80 ° C selama 12 jam di bawah vakum. Pengukuran spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS; ESCALAB 250Xi) dilakukan dengan menggunakan radiasi Al Kα. Energi pemindaian spektrum survei adalah 100 eV dengan ukuran langkah 1 eV. Energi pemindaian resolusi tinggi adalah 20 eV dengan ukuran langkah 0,1 eV. Kekosongan tes adalah 10
−10
mbar. Spektrum serapan UV-Vis dari sampel yang berbeda diperoleh dengan menggunakan spektrofotometer UV-3600 yang dilengkapi dengan bola pengintegrasi. Spektrum fotoluminesensi material diperoleh dengan spektrofotometer fluoresensi (VARIAN).
Eksperimen Adsorpsi
Kinerja adsorpsi sampel diuji untuk adsorpsi jingga metil (MO) dalam larutan berair. Sampel 50 mg ditempatkan dalam 50 mL 1000 mg L
−1
larutan MO dengan pengadukan magnet. Nilai pH larutan diatur menggunakan 0,1 M HNO3 asam atau larutan NaOH 1 M. Setelah waktu yang tepat, sampel air (3 mL) diambil dari suspensi. Supernatan diperoleh dengan sentrifugasi, dan konsentrasi larutan diukur menggunakan spektrofotometer UV-Vis (UV-3600). Jumlah kesetimbangan adsorpsi (qe (mg g
−1
)) dan jumlah adsorpsi sesaat (qt (mg g
−1
)) dihitung dengan persamaan berikut:
dimana C0 (mg L
−1
) adalah konsentrasi MO awal; Ce (mg L
−1
) dan Ct (mg L
−1
) adalah konsentrasi MO pada kesetimbangan dan pada waktu t (menit), masing-masing; V (L) adalah volume larutan; dan m (g) adalah massa adsorben.
Eksperimen Desorpsi
Percobaan desorpsi MO dilakukan dengan menggunakan air DI sebagai zat pengganggu. Bagian 50 mg dari sampel yang digunakan dicuci dengan lembut dengan air untuk menghilangkan MO yang tidak terganggu. Selain itu, sampel MO yang dimuat diaduk dengan kuat dengan larutan etanol dan disentrifugasi. Setelah sentrifugasi, sampel yang diperoleh diliofilisasi. Kemudian, sampel bubuk yang dihasilkan mengalami siklus adsorpsi-desorpsi berturut-turut.
Hasil dan Diskusi
Karakterisasi Sampel As-Synthesized
Pola XRD dari sampel yang disintesis ditunjukkan pada Gambar. 1a. Untuk -AlO(OH)/MgAl-LDH, diamati bahwa puncak difraksi utama berada pada 10,09°, 19,95°, 34,40°, 60,56°, dan 61,48°, yang sesuai dengan (003), (006), (012), (110), dan (113) bidang MgAl-LDH (JPCDS No. 89-0460), masing-masing. Selain itu, puncak pada 14,1°, 27,9°, 38,1°, dan 48,9° dapat dikaitkan dengan bidang difraksi (020), (120), (031), dan (051) dari -AlO(OH) (JPCDS 21-1307), masing-masing. Hasil ini menunjukkan bahwa komposit -AlO(OH)/MgAl-LDH memiliki fasa MgAl-LDH dan -AlO(OH). Selain itu, sebagai perbandingan, bidang (003) MgAl-LDH terletak di 2θ =11,63°, menunjukkan bahwa ketika -AlO(OH) dimasukkan ke dalam MgAl-LDH, jarak bidang (003) meningkat dari 7,6 (2θ =11,63°) hingga 8,77 (2θ =10,09°). Parameter sel satuan ditunjukkan pada Tabel 1. Terlihat bahwa sumbu “a” dari MgAl-LDH dan -AlO(OH)/MgAl-LDH tidak berubah.
Pola XRD dari sampel yang disintesis (a ). Spektrum FTIR sampel hasil sintesis pada 400–4000 cm
−1
(b )
Spektrum FTIR dari sampel yang disintesis ditunjukkan pada Gambar. 1b. Pada spektrum FTIR MgAl-LDH, pita pada 3449 cm
−1
dapat dikaitkan dengan getaran peregangan O-H [17]. Pita dari 400 hingga 900 cm
−1
disebabkan oleh M–O, O–M–O, dan M–O–M (M =Mg
2+
dan Al
3+
) getaran peregangan [18], dan pita pada 781 cm
−1
disebabkan oleh getaran Al-OH [19]. Untuk -AlO(OH), pita pada 3111 dan 3325 cm
−1
masing-masing termasuk dalam vibrasi ulur as(Al)O–H dan s(Al)O–H [20]. Getaran ikatan hidrogen diamati pada 1142 dan 1066 cm
−1
[21]. Selain itu, puncak pada 481,636, dan 749 cm
−1
dapat ditugaskan untuk ikatan Al-O [22]. Untuk -AlO(OH)/MgAl-LDH, sebagian besar pita dapat dengan mudah ditentukan berdasarkan perbandingan dengan -AlO(OH) dan MgAl-LDH. Pita kuat pada 3474 cm
−1
dapat dikaitkan dengan vibrasi ulur gugus –OH pada -AlO(OH) dan MgAl-LDH. Pita pada 826, 669, dan 445 cm
−1
sesuai dengan getaran peregangan logam-oksigen, logam-oksigen-logam, dan oksigen-logam-oksigen di MgAl-LDH, masing-masing [18]. Dibandingkan dengan MgAl-LDH, pita Al–OH bergeser dari 781 menjadi 826 cm
−1
. Selain itu, pita pada 1064 cm
−1
dapat diberikan pada vibrasi ikatan hidrogen pada -AlO(OH). Pita pada 1618, 1633, dan 1619 cm
−1
dalam MgAl-LDH, -AlO(OH), dan -AlO(OH)/MgAl-LDH, masing-masing, dapat ditetapkan untuk getaran lentur molekul air. Selain itu, pita pada 1360, 1385, dan 1380 cm
−1
dalam MgAl-LDH, -AlO(OH), dan -AlO(OH)/MgAl-LDH, masing-masing, terkait dengan CO3
2−
[23]. Pita CO3
2−
dalam -AlO(OH) menunjukkan bahwa beberapa residu berbasis karbonat tetap terperangkap di dalam monolit seluler yang sangat berpori bahkan setelah pencucian berulang [24].
Morfologi dan struktur mikro sampel diselidiki dengan mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FESEM) dan mikroskop elektron transmisi (TEM). Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2a, diamati bahwa sampel MgAl-LDH terdiri dari nanosheet. Ketebalan rata-rata nanosheet diperkirakan antara 140 dan 150 nm. Gambar FESEM pada Gambar 2b menunjukkan bahwa -AlO(OH) terdiri dari nanoneedles. Sampel -AlO(OH)/MgAl-LDH yang ditunjukkan pada Gambar 2c memiliki morfologi yang terdiri dari gumpalan serpihan daripada morfologi -AlO(OH). Dalam kasus Gambar. 2d, e, gambar TEM dari MgAl-LDH dan -AlO(OH), masing-masing, juga menunjukkan bukti kuat dari morfologi seperti nanosheet dari MgAl-LDH dan morfologi seperti nanoneedle dari - AlO(OH). Menariknya, diamati dengan jelas bahwa sampel -AlO(OH)/MgAl-LDH terdiri dari lembaran nano dan jarum nano (Gbr. 2f). Selain itu, pada citra HRTEM dari -AlO(OH)/MgAl-LDH (Gbr. 2g), jarak kisi 0,235 nm dan 0,152 nm berhubungan dengan bidang (031) dari -AlO(OH) dan (110) bidang MgAl-LDH. Selain itu, pemetaan EDX pada Gambar 2h, saya menunjukkan distribusi unsur C, O, Mg, dan Al yang seragam dalam komposit, menunjukkan bahwa komposit -AlO(OH)/MgAl-LDH tercampur secara homogen.
Gambar FESEM dari MgAl-LDH (a ), -AlO(OH) (b ), dan -AlO(OH)/MgAl-LDH (c ). Gambar TEM dari MgAl-LDH (d ), -AlO(OH) (e ), dan -AlO(OH)/MgAl-LDH (f ). Gambar HRTEM (g ) dan pemetaan EDX (h , i ) dari -AlO(OH)/MgAl-LDH
Analisis XRD, FTIR, FESEM, dan HRTEM menunjukkan bahwa nanoneedle -AlO(OH) berhasil disiapkan dalam lapisan MgAl-LDH dengan metode hidrotermal, yang memanfaatkan efek "ruang terbatas" dari MgAl-LDH.
Pengaruh pH Larutan Awal
PH larutan memegang peranan penting dalam proses adsorpsi karena adanya muatan permukaan dari adsorben [25]. Gambar 3 menunjukkan kinerja adsorpsi sampel -AlO(OH)/MgAl-LDH pada MO pada nilai pH yang berbeda, dengan konsentrasi awal MO pada 1000 mg L
−1
. Diamati bahwa adsorpsi tertinggi terjadi ketika pH awal =3, dan kapasitas adsorpsi menurun dengan meningkatnya pH, menunjukkan bahwa sampel yang disintesis lebih efektif dalam mengadsorpsi MO dalam larutan asam. Selanjutnya, struktur bahan berlapis dengan lembaran hidroksida menghilang ketika pH di bawah 3 [26]. Oleh karena itu, pH larutan awal yang digunakan dalam penelitian ini disarankan sebesar 3. Foto sampel -AlO(OH)/MgAl-LDH yang mengadsorpsi MO pada nilai pH yang berbeda juga ditunjukkan pada Gambar 3 (sisipan). Terlihat bahwa pada pH =3, setelah MO teradsorpsi selama 210 menit, warna larutan menjadi jernih, menunjukkan bahwa MO teradsorpsi sempurna. Saat pH meningkat, warna larutan menjadi lebih gelap.
Pengaruh nilai pH larutan awal terhadap adsorpsi MO -AlO(OH)/MgAl-LDH (konsentrasi MO awal:1000 mg L
−1
, dosis adsorben:1 g L
−1
, waktu kontak:210 menit), inset:foto-foto optik larutan MO setelah teradsorpsi pada pH yang berbeda
Pengaruh Waktu Kontak dan Kinetika Adsorpsi
Pengaruh waktu kontak pada adsorpsi MO oleh sampel ditunjukkan pada Gambar. 4. Untuk semua adsorben, laju awal adsorpsi sangat cepat. Dibandingkan dengan -AlO(OH) dan MgAl-LDH murni, -AlO(OH)/MgAl-LDH menunjukkan peningkatan kinerja adsorpsi dalam hal kecepatan dan kapasitas adsorpsi. Ketika konsentrasi awal MO adalah 1000 mg L
−1
untuk -AlO(OH)/MgAl-LDH dan 200 mg L
−1
untuk -AlO(OH) dan MgAl-LDH, kapasitas adsorpsi kesetimbangan eksperimental maksimum 1000 mg g
−1
diperoleh dengan menggunakan -AlO(OH)/MgAl-LDH, yang lebih tinggi dari -AlO(OH) (183,3 mg g
−1
) dan MgAl-LDH (155,5 mg g
−1
). Seperti ditunjukkan pada Gambar. 4 (inset), diamati bahwa larutan -AlO(OH)/MgAl-LDH benar-benar tidak berwarna setelah kesetimbangan. Namun, warna larutan murni -AlO(OH) dan MgAl-LDH tetap sangat dalam.
Pengaruh waktu kontak pada adsorpsi MO, inset:foto-foto optik kesetimbangan larutan MO setelah teradsorpsi
Untuk memahami mekanisme adsorpsi sampel, model kinetik orde satu semu dan orde dua semu digunakan agar sesuai dengan data eksperimen. Hukum laju orde satu semu dan orde kedua semu dihitung dari Persamaan. (3) dan (4) [27], masing-masing:
dimana qt (mg g
−1
) dan qe (mg g
−1
) adalah jumlah MO yang teradsorpsi pada waktu t (min) dan pada kesetimbangan, masing-masing, dan k1 (min
−1
) dan k2 (g mg
−1
min
−1
) adalah konstanta laju adsorpsi dari model kinetik orde satu semu dan orde dua semu [28], masing-masing.
Tabel 2 menunjukkan dua model kinetika adsorpsi dan koefisien korelasi. Dari koefisien korelasi R
2
pada Tabel 2, diamati bahwa adsorpsi sampel dipasang lebih baik dengan model orde dua semu daripada model orde satu semu. Selain itu, nilai teoretis yang dihitung (qe,cal ) dari model orde dua semu lebih dekat ke nilai eksperimental (qe,exp ) dibandingkan dengan model orde satu semu. Oleh karena itu, berdasarkan asumsi kinetika orde dua semu, laju adsorpsi MgAl-LDH, -AlO(OH), dan -AlO(OH)/MgAl-LDH dikendalikan oleh interaksi kimia [29].
Isoterm Adsorpsi
Gambar 5 menunjukkan isoterm adsorpsi dari sampel yang disintesis. Di antara tiga sampel, qe nilai -AlO(OH)/MgAl-LDH menunjukkan peningkatan tercepat dengan Ce . Selain itu, data percobaan adsorpsi dianalisis melalui model Langmuir dan Freundlich untuk mengevaluasi hubungan antara MO dan adsorben pada kesetimbangan [30]. Persamaannya adalah sebagai berikut:
dimana Ce (mg L
−1
) adalah konsentrasi kesetimbangan MO, qe (mg g
−1
) adalah jumlah MO yang teradsorpsi per satuan massa adsorben, dan qm (mg g
−1
) adalah kapasitas adsorpsi lapisan tunggal. KL (L mg
−1
) adalah konstanta Langmuir yang berhubungan dengan laju adsorpsi. KB [(mg g
−1
) (L mg
−1
)
1/n
] dan n
−1
(tanpa dimensi) adalah konstanta Freundlich yang berhubungan dengan kapasitas adsorpsi dan kekuatan adsorpsi.
Parameter yang sesuai dari simulasi isoterm adsorpsi sampel tercantum dalam Tabel 3. Terlihat bahwa kapasitas adsorpsi maksimum MO pada -AlO(OH)/MgAl-LDH secara signifikan lebih tinggi daripada pada -AlO(OH) dan MgAl-LDH. Selain itu, dibandingkan dengan model Freundlich, model Langmuir lebih cocok dengan data eksperimen dan memiliki R yang lebih tinggi.
2
. qm dari -AlO(OH)/MgAl-LDH (4681,40 mg g
−1
) dari persamaan Langmuir jauh lebih tinggi daripada -AlO(OH) (1492,5 mg g
−1
) dan MgAl-LDH (769,2 mg g
−1
). Selain itu, K . yang lebih besar B dari persamaan Freundlich juga menunjukkan bahwa -AlO(OH)/MgAl-LDH memiliki afinitas yang ditingkatkan untuk MO. Anehnya, kapasitas adsorpsi -AlO(OH)/MgAl-LDH jauh lebih tinggi daripada kebanyakan yang dilaporkan (seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4).
Mekanisme Adsorpsi -AlO(OH)/MgAl-LDH untuk MO
Gambar 6a, b menunjukkan N2 isoterm adsorpsi-desorpsi dan distribusi ukuran pori BJH sampel. Menurut klasifikasi IUPAC, isoterm dapat dikategorikan sebagai kurva IV dengan loop histeresis H3 pada tekanan relatif tinggi. Terbukti bahwa adsorben memiliki sifat material mesopori. Distribusi ukuran pori yang dihitung dengan metode BJH ditunjukkan pada Gambar. 6b. Dibandingkan dengan MgAl-LDH, -AlO(OH) dan -AlO(OH)/MgAl-LDH memiliki kurva distribusi ukuran pori yang lebih lebar. Seperti terlihat pada Tabel 1, hasil analisis BET MgAl-LDH, -AlO(OH), dan -AlO(OH)/MgAl-LDH adalah 14,1 m
2
g
−1
, 95,9 m
2
g
−1
, dan 34,1 m
2
g
−1
, masing-masing. Hasilnya menunjukkan bahwa kinerja adsorpsi yang sangat baik dari -AlO(OH)/MgAl-LDH tidak bergantung pada luas permukaan spesifik yang besar. Foto-foto optik sampel sebelum dan sesudah mengadsorpsi untuk MO ditunjukkan pada Gambar. 6c (sebelum sentrifugasi). Menurut foto optik sebelum adsorpsi, volume asli sampel adalah -AlO(OH)/MgAl-LDH <-AlO(OH)
−1
), Jelas bahwa volume bubuk telah berubah. Laju ekspansi volume sampel adalah sebagai berikut:-AlO(OH)/MgAl-LDH> -AlO(OH)> MgAl-LDH. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa laju ekspansi volume adsorben memiliki pengaruh yang besar terhadap kinerja adsorpsi MO.
N2 kurva isoterm adsorpsi-desorpsi (a ) dan kurva distribusi ukuran pori (b ) dari sampel. Foto-foto optik sampel sebelum dan sesudah diadsorpsi (c )
Gambar 7a menunjukkan pola XRD dari -AlO(OH)/MgAl-LDH sebelum dan sesudah adsorpsi MO. Dibandingkan dengan -AlO(OH)/MgAl-LDH, banyak puncak baru muncul dalam spektrum -AlO(OH)/MgAl-LDH setelah adsorpsi MO. Selain itu, kecuali bidang (003) dan (006) dari MgAl-LDH, bidang lainnya tidak digeser ke sudut rendah. Puncak baru menunjukkan bahwa anion MO memasuki interlayer -AlO(OH)/MgAl-LDH melalui pertukaran anion dan menyebabkan pergeseran bidang (003) ke bidang sudut minor [8]. Lebih penting lagi, bidang (003) -AlO(OH)/MgAl-LDH meningkat sebesar 3,22 dari 8,77 menjadi 11,99 setelah adsorpsi MO. Menariknya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7b, derajat yang sesuai dengan bidang (003) MgAl-LDH tidak berubah setelah mengadsorbsi MO, menunjukkan bahwa MO tidak dapat diadsorpsi dalam lapisan MgAl-LDH. Diamati bahwa -AlO(OH) memainkan peran penting dalam lapisan LDH, dan efek adsorpsi pada MO ditunjukkan pada Skema 1. Di satu sisi, dengan efek "ruang terbatas", nanoneedle -AlO(OH ) dapat ditumbuhkan di antara lapisan MgAl-LDH untuk memperluas jarak bidang (003), yang membantu MO memasuki lapisan perantara MgAl-LDH dengan daya tarik elektrostatik. Di sisi lain, MgAl-LDH memiliki lebih banyak ruang untuk menyimpan MO, karena perluasan antara lapisan LDH.
Pola XRD dari -AlO(OH)/MgAl-LDH (a ) dan MgAl-LDH (b ) sebelum dan sesudah teradsorpsi MO, masing-masing
Mekanisme -AlO(OH)/MgAl-LDH untuk meningkatkan adsorpsi MO
Dari pembahasan di atas diketahui bahwa -AlO(OH)/MgAl-LDH memiliki kinetika adsorpsi dan kinerja adsorpsi yang lebih tinggi dibandingkan -AlO(OH) dan MgAl-LDH. Untuk mempelajari mekanisme peningkatan kinerja dengan lebih baik, sampel menjadi sasaran uji potensi zeta. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 8a, suspensi sampel pada pH =3 menunjukkan permukaan bermuatan positif dan nilai potensial dari -AlO(OH)/MgAl-LDH (43,03 mV) jauh lebih besar daripada MgAl- LDH (13,88 mV) dan -AlO(OH) (4,32 mV). Hasil ini menunjukkan bahwa efek sinergis dapat dihasilkan karena -AlO(OH) memasuki lapisan MgAl-LDH, yang meningkatkan potensi zeta sampel -AlO(OH)/MgAl-LDH. Seperti yang ditunjukkan pada Skema 1, molekul MO dapat dibentuk menjadi C14 H14 N3 JADI3
−
dan Na
+
dalam air. Karena C14 H14 N3 JADI3
−
anion bermuatan negatif, mudah diadsorpsi oleh -AlO(OH)/MgAl-LDH. Dapat disimpulkan bahwa LDH menyajikan kapasitas adsorpsi yang baik untuk pewarna anionik.
-potensi sampel (0,2 mg mL
−1
) dalam larutan berair pada pH =3 (a ). Spektrum FTIR MO, -AlO(OH)/MgAl-LDH sebelum dan sesudah teradsorpsi MO (b )
Spektrum FTIR -AlO(OH)/MgAl-LDH setelah mengadsorpsi MO ditunjukkan pada Gambar 8b. Dibandingkan dengan -AlO(OH)/MgAl-LDH asli, spektrum FTIR -AlO(OH)/MgAl-LDH menunjukkan perubahan yang jelas setelah menyerap MO. Pita pada 1608 dan 1520 cm
−1
disebabkan oleh vibrasi regangan N=N dan vibrasi tekuk N-H. Selain itu, pita pada 1183 dan 1033 cm
−1
disebabkan oleh vibrasi ulur asimetris dan simetris dari gugus asam sulfonat (–SO3
−
), masing-masing. Pita pada 1122 cm
−1
disebabkan oleh vibrasi regangan simetris O=S=O [36]. Pita pada 1008 cm
−1
terkait dengan getaran lentur dalam bidang aromatik C-H [1]. Jelas, puncak O–H dari -AlO(OH)/MgAl-LDH bergeser dari 3474 menjadi 3843 cm
−1
ketika MO diserap, menunjukkan bahwa ikatan hidrogen berpartisipasi dalam proses adsorpsi.
Selain itu, XPS digunakan untuk mengkarakterisasi adsorben sebelum dan sesudah mengadsorpsi MO. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9, elemen S muncul dalam spektrum -AlO(OH)/MgAl-LDH setelah mengadsorpsi MO. Spektrum resolusi tinggi dari S2p yang terletak pada 167 eV, ditunjukkan pada Gambar 9b, menunjukkan adanya MO dalam adsorben. Gambar 9c, d menunjukkan spektrum O1s dari -AlO(OH)/MgAl-LDH masing-masing sebelum dan sesudah adsorpsi MO. Tiga puncak yang terletak di 530,5, 531, dan 531,8 eV ditunjukkan pada Gambar. 9c, d, dan dapat ditetapkan ke O dalam bentuk oksida logam (M–O), karbonat (CO3
2−
), dan logam-hidroksil (M-OH) dari interlayer MgAl-LDH [1]. Khususnya, ada perubahan signifikan dalam intensitas dan komposisi O1s dari adsorben setelah adsorpsi MO. Puncak yang baru muncul terletak di 531,6 eV pada Gambar. 9d dapat ditetapkan ke O dalam kelompok sulfat (S – O). Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 5, CO3
2−
menurun dari 27,2 menjadi 18,1%, karena pertukaran ion. Proporsi relatif M–O setelah mengadsorbsi MO meningkat dari 9 menjadi 26,4%, dan proporsi relatif M–OH menurun dari 63,8 menjadi 25,7%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sisi aktif hidroksil -AlO(OH)/MgAl-LDH berperan penting dalam adsorpsi jingga metil, menunjukkan bahwa adsorpsi MO dikendalikan oleh interaksi kimia; ini konsisten dengan model kinetik orde dua semu.
Spektrum XPS lebar -AlO(OH)/MgAl-LDH sebelum dan sesudah adsorpsi MO (a ), S 2p mempersempit XPS -AlO(OH)/MgAl-LDH setelah MO teradsorpsi (b ), spektrum O 1s dari -AlO(OH)/MgAl-LDH (c ), spektrum O 1s dari -AlO(OH)/MgAl-LDH setelah MO teradsorpsi (d )
Daur Ulang Adsorben
Kinerja regenerasi adsorben -AlO(OH)/MgAl-LDH dipelajari melalui siklus adsorpsi-desorpsi. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 10, kapasitas adsorpsi -AlO(OH)/MgAl-LDH tetap pada 762 mg g
−1
setelah 4 siklus, dan efisiensi penyisihan tetap di atas 76%. Penurunan kapasitas ini disebabkan oleh desorpsi MO yang tidak sempurna dan hilangnya adsorben selama adsorpsi dan pencucian molekul pewarna. Hasil ini menunjukkan bahwa -AlO(OH)/MgAl-LDH dapat dianggap sebagai adsorben yang efisien dan dapat didaur ulang untuk menghilangkan MO dari air.
Kinerja siklus adsorpsi -AlO(OH)/MgAl-LDH. Konsentrasi MO awal:1000 mg L
−1
Kesimpulan
Komposit -AlO(OH)/MgAl-LDH disintesis dengan metode satu pot. Sebagai adsorben, komposit menunjukkan kinerja adsorpsi yang sangat baik untuk MO. Di satu sisi, berdasarkan efek "ruang terbatas", nanoneedle -AlO(OH) disiapkan di antara lapisan MgAl-LDH. Ekspansi antara lapisan LDH mengarah ke lebih banyak ruang untuk menyimpan MO. Di sisi lain, situs aktif hidroksil menghasilkan interaksi kimia antara -AlO(OH)/MgAl-LDH dan MO, yang mendorong kinetika adsorpsi. Therefore, the γ-AlO(OH)/MgAl-LDH exhibits an excellent adsorption performance for MO, which can be completely adsorbed in 210 min at the initial concentration of 1000 mg L
−1
. After 4 cycles, the regenerated adsorbent can maintain an initial adsorption capacity of more than 76%. In addition, the maximum adsorption capacity of γ-AlO(OH)/MgAl-LDH reaches 4681.40 mg g
−1
according to the Langmuir adsorption model. Based on the positive zeta potential of γ-AlO(OH)/MgAl-LDH, the composite has stronger adsorption kinetics and adsorption properties for anionic dyes such as MO, Congo Red, and Acid Orange 7. These adsorbed dyes can be desorbed and reutilization, or incinerated directly. In addition, the composite is also a potential photocatalyst carrier. When the photocatalyst is loaded on γ-AlO(OH)/MgAl-LDH, the dyes will be rapidly absorbed around the catalyst, which improves the photocatalytic reaction kinetics. Therefore, γ-AlO(OH)/MgAl-LDH has great potential in water pollution treatment.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang dihasilkan selama dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
