γ-AlO(OH)/MgAl-LDH-composiet: Recordhoge adsorptie van methyloranje en duurzame herbruikbaarheid

Samenvatting

We rapporteren een eenton hydrothermale synthese die nanonaldvormige γ-AlO(OH) in MgAl-LDH-lagen insluit, wat een heterostructuur oplevert met uitzonderlijke adsorptie van methyloranje (MO). De interlaagruimte vergroot van 7.6 Å naar 8.77 Å, terwijl overvloedige -OH groepen de chemisorptiekinetiek verbeteren. Het composiet verwijdert 1000 mg L⁻¹ MO volledig binnen 210 min, bereikend een Langmuir-capaciteit van 4681.40 mg g⁻¹ - de hoogste ooit gerapporteerde voor enig LDH-gebaseerd adsorptiemiddel. Na vier adsorptie-desorptiecycli blijft de capaciteit boven 760 mg g⁻¹, wat robuuste herbruikbaarheid aantoont.

Inleiding

Organische kleurstoffen, alomtegenwoordig in textiel, leer, en verf, vormen ernstige milieurisico's bij lozing in waterlichamen. Hun hoge polariteit, lage vluchtigheid, en weerstand tegen biologische afbraak maken ze moeilijk te verwijderen. Conventionele methoden (fotokatalyse, biologische oxidatie, membraanfiltratie) zijn energie-intensief of kostbaar. Fysische adsorptie, met name met gelaagde dubbele hydroxiden (LDH's), biedt een eenvoudige, kosteneffectieve alternatief vanwege hun hoge anionen-uitwisselingscapaciteit en instelbaar oppervlak.

Recente vooruitgang heeft getoond dat het invoegen van organische of anorganische soorten tussen LDH-lagen de adsorptie kan verbeteren. γ-AlO(OH), met zijn hoge specifieke oppervlakte en overvloedige hydroxylgroepen, is een ideaal kandidaat voor intercalatie. Hier demonstreren we de succesvolle integratie in MgAl-LDH, producerend een composiet dat uitgebreide interlaagruimte en verhoogde -OH activiteit combineert, wat resulteert in recordadsorptieprestaties.

Methoden

Bereiding van γ-AlO(OH)/MgAl-LDH

Mg(NO₃)₂·6H₂O (4.615 g) en Al(NO₃)₃·9H₂O (3.376 g) werden opgelost in 50 mL DI-water. NaOH (2.516 g) werd opgelost in 25 mL DI-water om pH 10 te handhaven. De twee oplossingen werden druppelgewijs toegevoegd aan 25 mL DI-water onder hevig roeren bij 60 °C, daarna geseald en verhit bij 140 °C gedurende 10 uur. De resulterende slib werd gewassen, vriesgedroogd, en opgeslagen. Zuiver MgAl-LDH en γ-AlO(OH) werden identiek gesynthetiseerd ter vergelijking.

Karakterisatie

Fase-identificatie: XRD (Cu Kα, 5-80°). Morfologie: FESEM (S4800, 5 kV) en TEM (JEM-2100F, 200 kV). Oppervlaktechemie: FTIR (4000-400 cm⁻¹) en XPS (ESCALAB 250Xi). Porositeit: N₂ adsorptie-desorptie (BET, BJH). Optische eigenschappen: UV-Vis en fotoluminescentie (Varian). Kinetische en isotherme studies gebruikten standaardvergelijkingen voor pseudo-eerste/tweede orde en Langmuir/Freundlich modellen.

Adsorptie-experimenten

50 mg adsorptiemiddel werd geroerd in 50 mL van 1000 mg L⁻¹ MO-oplossing (pH 3). Op vooraf bepaalde tijden werden 3 mL aliqouten gecentrifugeerd; supernataant absorbantie werd gemeten bij 463 nm. Evenwichts- en momentane adsorptiecapaciteiten werden berekend via qₜ = (C₀-Cₜ)V/m en qₑ = (C₀-Cₑ)V/m.

Desorptie en Regeneratie

Na adsorptie werden monsters gewassen met DI-water, dan met 30% ethanol, en vriesgedroogd. Herhaalde adsorptie-desorptiecycli beoordeelden herbruikbaarheid.

Resultaten en Discussie

Structurele karakterisatie

XRD bevestigde de aanwezigheid van zowel MgAl-LDH als γ-AlO(OH). De (003) piek verschuifde van 11.63° (7.6 Å) naar 10.09° (8.77 Å), wat uitgebreide interlaagruimte aangeeft. FESEM/TEM onthulde nanosheet MgAl-LDH-lagen verstrooid met nanonaldvormige γ-AlO(OH). HRTEM roosterfranjes (0.235 nm, 0.152 nm) corresponderen met γ-AlO(OH) (031) en MgAl-LDH (110). EDX-kartografie toonde homogene elementverdeling.

Effect van pH

Optimale adsorptie trad op bij pH 3; capaciteit daalde bij hogere pH door verminderde elektrostatische aantrekking. Bij pH 3 werd de oplossing helder na 210 min, wat complete kleurstofverwijdering bevestigt.

Adsorptiekinetiek

Alle monsters vertoonden snelle initiële opname. γ-AlO(OH)/MgAl-LDH bereikte een evenwichts capaciteit van 1000 mg g⁻¹ (MO-concentratie 1000 mg L⁻¹) versus 183.3 en 155.5 mg g⁻¹ voor γ-AlO(OH) en MgAl-LDH, respectievelijk. Pseudo-tweede-orde fitting (R² > 0.99) wijst op chemisorptie als de snelheidsbepalende stap.

Isotherm-analyse

Langmuir-fits leverden qₘ = 4681.40 mg g⁻¹, K_L = 4.62 × 10⁵ L mg⁻¹ voor het composiet, ver boven γ-AlO(OH) (1492.5 mg g⁻¹) en MgAl-LDH (769.2 mg g⁻¹). Freundlich-constanten bevestigden verder sterke adsorptieaffiniteit.

Adsorptiemechanisme

BET oppervlaktes (MgAl-LDH = 14.1 m² g⁻¹; γ-AlO(OH) = 95.9 m² g⁻¹; composiet = 34.1 m² g⁻¹) tonen aan dat capaciteit niet alleen gedreven wordt door oppervlakte. In plaats daarvan stelt het uitgebreide (003) vlak MO-anionen toe te intercaleren via ijonuitwisseling, zoals bewijzen nieuwe XRD-pieken en een 3.22 Å interlaagtoename na adsorptie. Zeta-potentiaalmetingen (γ-AlO(OH)/MgAl-LDH = +43 mV bij pH 3) wijzen op een hoog positief geladen oppervlak dat anionische kleurstoffen sterk aantrekt. FTIR en XPS analyses onthullen waterstofbinding en chemisorptie op -OH plaatsen, consistent met pseudo-tweede-orde kinetiek.

Herbruikbaarheid

Na vier adsorptie-desorptiecycli behield het composiet 762 mg g⁻¹ capaciteit (>76% van initiële), wat duurzame prestaties bevestigt.

Conclusie

We hebben een γ-AlO(OH)/MgAl-LDH heterostructuur ontwikkeld via een eenton hydrothermale route die ongekende adsorptie van methyloranje levert, bereikend een Langmuir-capaciteit van 4681.40 mg g⁻¹ en volledige kleurstofverwijdering binnen 210 min. De synergistische "ruimte-beperkte" groei van γ-AlO(OH) en overvloedige hydroxylgroepen vormen de basis voor de superieure kinetiek en capaciteit. Het materiaal blijft hoog herbruikbaar, met >76% capaciteit behoud na vier cycli. De sterke positieve oppervlaktelading en robuuste structuur maken het een veelbelovende kandidaat voor het behandelen van anionische kleurstofverontreiniging en potentieel als ondersteuning voor fotokatalysatoren.