Synthèse à effet unique dans l'espace d'hétérostructures γ-AlO(OH)/MgAl-LDH avec d'excellentes performances d'adsorption

Introduction

Les colorants organiques sont largement utilisés dans de nombreux produits tels que les textiles, le cuir, la peinture et le caoutchouc [1,2,3]. Ces colorants sont facilement rejetés dans l'eau [4], provoquant de graves problèmes environnementaux tels que nuire aux organismes aquatiques, consommer de l'oxygène dissous et tacher l'eau [3, 5]. De plus, la plupart des colorants organiques sont hautement polaires, non volatils et difficiles à biodégrader. Il est observé que les eaux usées de teinture sont gravement préjudiciables à la santé humaine. Par conséquent, le traitement des eaux usées de teinture est une tâche urgente. À l'heure actuelle, la plupart des traitements des eaux usées de teinture utilisent l'adsorption physique, la photocatalyse, l'oxydation biologique et chimique, la floculation et la séparation membranaire [4, 6]. Parmi elles, la méthode d'adsorption physique occupe une place particulière dans le domaine du traitement des eaux usées en raison de sa capacité à enrichir sélectivement certains composés. De plus, la méthode d'adsorption présente les caractéristiques d'un bon effet d'adsorption, d'une opération simple et d'une large gamme d'applications et a été largement utilisée dans le domaine du traitement des eaux usées de teinture [7, 8].

Les hydroxydes doubles en couches (LDH), une argile anionique courante, sont constitués de couches ressemblant à de la brucite [9]. Sa formule générale peut être exprimée par [M ²⁺ _{1 - x} M ³⁺ _x (OH)₂ ][(Un ^{n −} )_{x /n} ]·yH₂ O, où M ²⁺ , M ³⁺ , et A ^{n −} représentent les cations bivalents, les cations trivalents et n anions -valents, respectivement [10]. Le LDH a d'excellentes propriétés d'adsorption pour les colorants en raison de sa grande capacité d'échange d'anions et de sa grande surface spécifique. Par exemple, Lafi et al. MgAl-LDH préparé par une méthode de coprécipitation ; la capacité d'adsorption de l'adsorbant sur rouge Congo atteint 111,111 mg g ⁻¹ [11]. Zheng et al. préparé Zn-Mg-Al LDH également via la méthode de coprécipitation, qui ont une excellente capacité d'adsorption jusqu'à 883,24 mg g ⁻¹ pour le méthylorange à la condition de pH =3 [12]. De toute évidence, pour les adsorbants LDH, la plupart des chercheurs se concentrent sur la recherche d'une capacité d'échange d'ions élevée et d'une grande surface spécifique. Malheureusement, la nanocristallisation des LDH n'est pas sans limites. Ces dernières années, les chercheurs ont découvert que l'insertion organique ou inorganique dans les couches de LDH peut augmenter la capacité d'adsorption de la LDH. Par exemple, Mandal et al. inséré de l'alginate de sodium entre les couches de LDH pour former un adsorbant composite. L'alginate de sodium contribue à élargir l'espace intercalaire de la LDH et augmente la capacité d'adsorption de l'adsorbant pour le colorant orange II [13]. Bruna et al. synthétisé organique/LDH (insert de dodécylsulfate d'anion organique (DDS) à MgAl-LDH) en tant qu'adsorbant d'hydrocarbures aromatiques polycycliques dans l'eau et les systèmes sol-eau [14]. Par conséquent, c'est une bonne idée de concevoir l'adsorbant en insérant un composé entre les couches de LDH. L'hydroxyde d'oxyde d'aluminium (γ-AlO(OH)) est un bon adsorbant pour le traitement des eaux usées, en raison de sa surface spécifique élevée et de sa grande quantité de groupes hydroxyle à la surface [15, 16]. Par conséquent, γ-AlO(OH) est un matériau d'intercalation inorganique potentiel pour MgAl-LDH.

Dans cet article, γ-AlO(OH) a été inséré avec succès dans MgAl-LDH par une méthode hydrothermale. Ce composite présente d'excellentes propriétés d'adsorption pour le méthyl orange (MO). Les caractéristiques structurelles des composites γ-AlO(OH)/MgAl-LDH ont été évaluées par diffraction des rayons X sur poudre (XRD), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), microscopie électronique à balayage à émission de champ (FESEM), microscopie électronique à transmission ( MET) et la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM). Les propriétés d'adsorption des composites ont été évaluées via l'adsorption de MO, et des recherches approfondies sur le mécanisme synergique de γ-AlO(OH) et MgAl-LDH ont été menées.

Méthodes

Préparation de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH

Tous les réactifs chimiques étaient de qualité analytique et utilisés sans autre purification. Le composite γ-AlO(OH)/MgAl-LDH a été préparé par la méthode hydrothermale. Dans une synthèse typique, Mg(NO₃ )₂ ·6H₂ O (4,615 g) et Al(NO₃ )₃ ·9H₂ O (3,376 g) ont été dissous dans 50 ml d'eau déminéralisée (DI) (Mili-Q, 18,2 MΩ) pour former la solution 1. NaOH (2,516 g) a été dissous dans 25 ml d'eau déminéralisée dégazée, de sorte que la solution 2 a été produite . Les solutions 1 et 2 ont été ajoutées goutte à goutte dans un récipient de réaction contenant 25 ml d'eau désionisée, et l'agitation a été effectuée vigoureusement à une valeur de pH constante de 10 et une température de 60°C. Ensuite, la suspension résultante a été encore traitée dans des conditions hydrothermales à 140 °C pendant 10 h et refroidie à température ambiante. La -AlO(OH)/MgAl-LDH a été lavée plusieurs fois avec de l'eau désionisée et lyophilisée dans un lyophilisateur sous vide. A titre de comparaison, du MgAl-LDH pur et du -AlO(OH) ont été préparés par le même traitement hydrothermal (140 °C, 10 h).

Caractérisation

La structure de phase a été caractérisée par diffraction des rayons X sur poudre (XRD ; X’Pert PRO PANalytical) dans le 2θ plage de 5 à 80° avec un rayonnement Cu Kα à une longueur d'onde de 0,15406 nm. La morphologie de surface de l'échantillon a été imagée par FESEM (S4800) à 5 kV. La microstructure des échantillons a été analysée par HRTEM (JEM-2100F) à 200 kV. Les spectres IR ont été enregistrés dans la plage de 4000 à 400 cm ⁻¹ à l'aide d'un spectromètre FTIR (NEXUS 470, instruments Nicolet) avec une résolution optique de 4 cm ⁻¹ et une taille d'ouverture de 100 im. Des expériences d'adsorption-désorption d'azote pour la quantification de la surface et de la porosité ont été réalisées à − 196 °C avec un instrument NOVA-1200e. Avant l'analyse, les échantillons ont été prétraités à 80 °C pendant 12 h sous vide. Des mesures de spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS; ESCALAB 250Xi) ont été effectuées en utilisant le rayonnement Al Kα. L'énergie du balayage du spectre d'enquête était de 100 eV par la taille de pas de 1 eV. L'énergie du balayage à haute résolution était de 20 eV par pas de 0,1 eV. Le vide du test est de 10 ⁻¹⁰ mbar. Les spectres d'absorption UV-Vis des différents échantillons ont été obtenus à l'aide d'un spectrophotomètre UV-3600 équipé d'une sphère d'intégration. Les spectres de photoluminescence des matériaux ont été obtenus par un spectrophotomètre à fluorescence (VARIAN).

Expériences d'adsorption

Les performances d'adsorption des échantillons ont été testées pour l'adsorption de méthylorange (MO) en solution aqueuse. Un échantillon de 50 mg a été placé dans 50 ml de 1000 mg L ⁻¹ Solution MO sous agitation magnétique. La valeur du pH de la solution a été ajustée en utilisant 0,1 M HNO₃ solution d'acide ou de NaOH 1 M. Après un temps approprié, l'échantillon d'eau (3 ml) a été prélevé de la suspension. Le surnageant a été obtenu par centrifugation et la concentration de la solution a été mesurée à l'aide d'un spectrophotomètre UV-Vis (UV-3600). La quantité d'équilibre d'adsorption (q _e (mg g ⁻¹ )) et la quantité instantanée d'adsorption (q _t (mg g ⁻¹ )) ont été calculés par les équations suivantes :

où C ₀ (mg L ⁻¹ ) est la concentration initiale en MO ; C _e (mg L ⁻¹ ) et C _t (mg L ⁻¹ ) sont la concentration en MO à l'équilibre et au temps t (min), respectivement ; V (L) est le volume de la solution; et m (g) est la masse de l'adsorbant.

Expériences de désorption

L'expérience de désorption de MO a été réalisée en utilisant de l'eau DI comme agent perturbateur. Une portion de 50 mg des échantillons utilisés a été lavée doucement avec de l'eau pour éliminer tout MO non perturbé. De plus, les échantillons de MO chargés ont été agités vigoureusement avec une solution d'éthanol et centrifugés. Après centrifugation, les échantillons obtenus ont été lyophilisés. Ensuite, les échantillons de poudre résultants ont été soumis à des cycles successifs d'adsorption-désorption.

Résultats et discussion

Caractérisation des échantillons tels que synthétisés

Les modèles XRD des échantillons tels que synthétisés sont représentés sur la figure 1a. Pour γ-AlO(OH)/MgAl-LDH, on observe que les pics majeurs de diffraction sont à 10,09°, 19,95°, 34,40°, 60,56° et 61,48°, ce qui correspond aux (003), (006), (012), (110) et (113) plans de MgAl-LDH (JPCDS n° 89-0460), respectivement. De plus, les pics à 14,1°, 27,9°, 38,1° et 48,9° peuvent être attribués aux plans de diffraction (020), (120), (031) et (051) de γ-AlO(OH) (JPCDS n° 21-1307), respectivement. Ce résultat indique que le composite -AlO(OH)/MgAl-LDH a des phases MgAl-LDH et γ-AlO(OH). De plus, à titre de comparaison, le plan (003) de MgAl-LDH est situé à 2θ =11,63°, indiquant que lorsque γ-AlO(OH) a été inséré dans MgAl-LDH, l'espacement du plan (003) est passé de 7,6 Å (2θ =11,63°) à 8,77 (2θ =10,09°). Les paramètres des mailles unitaires sont indiqués dans le tableau 1. On observe que les axes « a » de MgAl-LDH et -AlO(OH)/MgAl-LDH n'ont pas changé.

Modèles XRD d'échantillons tels que synthétisés (a ). Les spectres FTIR d'échantillons tels que synthétisés à 400-4000 cm ⁻¹ (b )

Les spectres FTIR des échantillons tels que synthétisés sont présentés sur la figure 1b. Dans le spectre FTIR de MgAl-LDH, la bande à 3449 cm ⁻¹ peut être attribuée à la vibration d'étirement O–H [17]. Les bandes de 400 à 900 cm ⁻¹ sont dues à M–O, O–M–O et M–O–M (M =Mg ²⁺ et Al ³⁺ ) vibrations d'étirement [18], et la bande à 781 cm ⁻¹ est due à une vibration Al–OH [19]. Pour γ-AlO(OH), les bandes à 3111 et 3325 cm ⁻¹ appartiennent respectivement aux vibrations d'étirement υas(Al)O–H et υs(Al)O–H [20]. Les vibrations des liaisons hydrogène ont été observées à 1142 et 1066 cm ⁻¹ [21]. De plus, les pics à 481, 636 et 749 cm ⁻¹ peut être attribué aux liaisons Al–O [22]. Pour -AlO(OH)/MgAl-LDH, la plupart des bandes peuvent être facilement attribuées sur la base de la comparaison avec γ-AlO(OH) et MgAl-LDH. La bande forte à 3474 cm ⁻¹ peut être attribuée à la vibration d'étirement des groupes -OH dans γ-AlO(OH) et MgAl-LDH. Les bandes à 826, 669 et 445 cm ⁻¹ correspondent respectivement aux vibrations d'étirement métal-oxygène, métal-oxygène-métal et oxygène-métal-oxygène dans MgAl-LDH [18]. Par rapport au MgAl-LDH, la bande Al–OH est décalée de 781 à 826 cm ⁻¹ . De plus, la bande à 1064 cm ⁻¹ peut être attribué à la vibration de la liaison hydrogène dans γ-AlO(OH). Les bandes à 1618, 1633 et 1619 cm ⁻¹ dans MgAl-LDH, -AlO(OH) et γ-AlO(OH)/MgAl-LDH, respectivement, peuvent être attribués à la vibration de flexion des molécules d'eau. De plus, les bandes à 1360, 1385 et 1380 cm ⁻¹ dans MgAl-LDH, -AlO(OH) et -AlO(OH)/MgAl-LDH, respectivement, sont liés à CO₃ ²⁻ [23]. La bande de CO₃ ²⁻ dans γ-AlO(OH) indique que certains résidus à base de carbonate restent piégés à l'intérieur du monolithe cellulaire hautement poreux même après des lavages répétés [24].

La morphologie et la microstructure des échantillons ont été étudiées par microscopie électronique à balayage à émission de champ (FESEM) et microscopie électronique à transmission (MET). Comme le montre la figure 2a, on observe que l'échantillon de MgAl-LDH est constitué de nanofeuillets. L'épaisseur moyenne des nanofeuillets est estimée entre 140 et 150 nm. L'image FESEM de la figure 2b montre que γ-AlO(OH) est constitué de nanoaiguilles. L'échantillon de -AlO(OH)/MgAl-LDH montré sur la figure 2c a une morphologie constituée d'agglomérats floconneux plutôt que la morphologie de -AlO(OH). Dans le cas de la figure 2d, e, les images MET de MgAl-LDH et -AlO(OH), respectivement, montrent également des preuves solides de la morphologie de type nanofeuille de MgAl-LDH et de la morphologie de type nanoaiguille de γ- AIO(OH). Fait intéressant, il est clairement observé que l'échantillon γ-AlO(OH)/MgAl-LDH est constitué de nanofeuillets et de nanoaiguilles (Fig. 2f). De plus, dans l'image HRTEM de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH (Fig. 2g), l'espacement des mailles 0,235 nm et 0,152 nm correspondait au plan (031) de γ-AlO(OH) et (110) plan de MgAl-LDH. De plus, la cartographie EDX de la figure 2h, j'ai démontré la distribution uniforme des éléments C, O, Mg et Al dans les composites, indiquant que le composite γ-AlO(OH)/MgAl-LDH était mélangé de manière homogène.

Images FESEM de MgAl-LDH (a ), -AlO(OH) (b ), et -AlO(OH)/MgAl-LDH (c ). Images MET de MgAl-LDH (d ), -AlO(OH) (e ), et -AlO(OH)/MgAl-LDH (f ). Image HRTEM (g ) et la cartographie EDX (h , je ) de -AlO(OH)/MgAl-LDH

Les analyses XRD, FTIR, FESEM et HRTEM montrent que la nanoaiguille γ-AlO(OH) a été préparée avec succès dans les couches de MgAl-LDH par la méthode hydrothermale, qui tire parti de l'effet « confiné dans l'espace » de MgAl-LDH.

Effet du pH de la solution initiale

Le pH de la solution joue un rôle important dans le processus d'adsorption en raison de la charge de surface de l'adsorbant [25]. La figure 3 montre les performances d'adsorption de l'échantillon γ-AlO(OH)/MgAl-LDH sur MO sous différentes valeurs de pH, avec la concentration initiale de MO à 1000 mg L ⁻¹ . Il est observé que l'adsorption la plus élevée se produit lorsque le pH initial =3, et la capacité d'adsorption diminue avec l'augmentation du pH, indiquant que l'échantillon tel que synthétisé est plus efficace pour adsorber MO en solution acide. De plus, les structures des matériaux stratifiés avec des feuilles d'hydroxyde disparaissent lorsque le pH est inférieur à 3 [26]. Par conséquent, le pH initial de la solution utilisée dans cette étude est suggéré d'être 3. Des photographies de l'échantillon de -AlO(OH)/MgAl-LDH adsorbant MO à différentes valeurs de pH sont également présentées sur la figure 3 (encart). On observe qu'à pH =3, après que le MO ait été adsorbé pendant 210 min, la couleur de la solution était claire, indiquant que le MO était complètement adsorbé. Au fur et à mesure que le pH augmentait, la couleur de la solution devenait plus foncée.

Effet des valeurs de pH de la solution initiale sur l'adsorption de MO de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH (concentration initiale de MO :1000 mg L ⁻¹ , dosage adsorbant :1 g L ⁻¹ , temps de contact :210 min), en médaillon :les photographies optiques de la solution MO après adsorbée à différents pH

Effet du temps de contact et de la cinétique d'adsorption

L'effet du temps de contact sur l'adsorption de MO par les échantillons est montré sur la figure 4. Pour tous les adsorbants, les taux initiaux d'adsorption sont très rapides. Par rapport au -AlO(OH) et au MgAl-LDH purs, le -AlO(OH)/MgAl-LDH présente des performances d'adsorption améliorées en termes de vitesse et de capacité d'adsorption. Lorsque la concentration initiale de MO était de 1000 mg L ⁻¹ pour γ-AlO(OH)/MgAl-LDH et 200 mg L ⁻¹ pour γ-AlO(OH) et MgAl-LDH, la capacité d'adsorption expérimentale maximale à l'équilibre de 1000 mg g ⁻¹ a été obtenu en utilisant γ-AlO(OH)/MgAl-LDH, qui était supérieur à celui de γ-AlO(OH) (183,3 mg g ⁻¹ ) et MgAl-LDH (155,5 mg g ⁻¹ ). Comme le montre la figure 4 (encadré), on observe que la solution de -AlO(OH)/MgAl-LDH est totalement incolore après équilibrage. Cependant, les couleurs des solutions pures de γ-AlO(OH) et MgAl-LDH restent très profondes.

Effet du temps de contact sur l'adsorption de MO, en médaillon :les photographies optiques d'équilibre de la solution de MO après adsorption

Pour comprendre les mécanismes d'adsorption des échantillons, des modèles cinétiques de pseudo-premier ordre et pseudo-second ordre ont été utilisés pour ajuster les données expérimentales. Les lois de taux de pseudo-premier ordre et de pseudo-second ordre sont calculées à partir des équations. (3) et (4) [27], respectivement :

où q _t (mg g ⁻¹ ) et q _e (mg g ⁻¹ ) sont la quantité de MO adsorbée au temps t (min) et à l'équilibre, respectivement, et k ₁ (min ⁻¹ ) et k ₂ (g mg ⁻¹ min ⁻¹ ) sont les constantes de vitesse d'adsorption des modèles cinétiques de pseudo-premier ordre et de pseudo-second ordre [28], respectivement.

Le tableau 2 montre les deux modèles de cinétique d'adsorption et les coefficients de corrélation. A partir du coefficient de corrélation R ² dans le tableau 2, on observe que l'adsorption des échantillons était mieux ajustée par le modèle de pseudo-second ordre que par le modèle de pseudo-premier ordre. De plus, les valeurs théoriques calculées (q _e,cal ) du modèle de pseudo-second ordre sont plus proches des valeurs expérimentales (q _e,exp ) que celles du modèle de pseudo-premier ordre. Par conséquent, sur la base de l'hypothèse d'une cinétique de pseudo-second ordre, les taux d'adsorption de MgAl-LDH, -AlO(OH) et γ-AlO(OH)/MgAl-LDH sont contrôlés par des interactions chimiques [29].

Isothermes d'adsorption

La figure 5 montre les isothermes d'adsorption des échantillons tels que synthétisés. Parmi les trois échantillons, le q _e la valeur de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH a affiché l'augmentation la plus rapide avec C _e . De plus, les données de l'expérience d'adsorption ont été analysées via les modèles de Langmuir et Freundlich pour évaluer la relation entre MO et adsorbants à l'équilibre [30]. Les équations sont les suivantes :

Les isothermes d'adsorption à l'équilibre des échantillons

où C _e (mg L ⁻¹ ) est la concentration d'équilibre du MO, q _e (mg g ⁻¹ ) est la quantité de MO adsorbée par unité de masse des adsorbants, et q _m (mg g ⁻¹ ) est la capacité d'adsorption monocouche. K _L (L mg ⁻¹ ) est la constante de Langmuir liée à la vitesse d'adsorption. K _F [(mg g ⁻¹ ) (L mg ⁻¹ ) ^1/n ] et n ⁻¹ (sans dimension) sont des constantes de Freundlich liées respectivement à la capacité d'adsorption et à la force d'adsorption.

Les paramètres correspondants des isothermes d'adsorption simulés des échantillons sont répertoriés dans le tableau 3. On observe que la capacité d'adsorption maximale de MO sur γ-AlO(OH)/MgAl-LDH était significativement plus élevée que celle sur γ-AlO(OH) et MgAl-LDH. De plus, par rapport au modèle de Freundlich, le modèle de Langmuir correspond mieux aux données expérimentales et a un R plus élevé ² . Le q _m de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH (4681,40 mg g ⁻¹ ) de l'équation de Langmuir est beaucoup plus élevé que ceux de γ-AlO(OH) (1492,5 mg g ⁻¹ ) et MgAl-LDH (769,2 mg g ⁻¹ ). De plus, le plus grand K _F de l'équation de Freundlich indique également que γ-AlO(OH)/MgAl-LDH a une affinité accrue pour MO. Étonnamment, la capacité d'adsorption de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH était beaucoup plus élevée que la plupart de celles rapportées (comme le montre le tableau 4).

Le mécanisme d'adsorption de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH pour MO

La figure 6a, b montre le N₂ isothermes d'adsorption-désorption et distribution de la taille des pores BJH des échantillons. Selon la classification IUPAC, les isothermes peuvent être classées comme des courbes IV avec des boucles d'hystérésis H3 à haute pression relative. Il est prouvé que les adsorbants ont les propriétés des matériaux mésoporeux. La distribution de la taille des pores calculée par la méthode BJH est illustrée à la figure 6b. Par rapport au MgAl-LDH, -AlO(OH) et γ-AlO(OH)/MgAl-LDH ont des courbes de distribution de taille de pores plus larges. Comme le montre le tableau 1, les résultats de l'analyse BET de MgAl-LDH, -AlO(OH) et -AlO(OH)/MgAl-LDH étaient de 14,1 m ² g ⁻¹ , 95,9 m ² g ⁻¹ , et 34,1 m ² g ⁻¹ , respectivement. Les résultats ont démontré que l'excellente performance d'adsorption de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH ne dépend pas de la grande surface spécifique. Les photographies optiques des échantillons avant et après adsorption pour MO sont présentées sur la figure 6c (avant centrifugation). D'après les photographies optiques avant adsorption, le volume d'origine de l'échantillon était γ-AlO(OH)/MgAl-LDH <γ-AlO(OH) −1 ), il était évident que le volume des poudres avait changé. Le taux d'expansion volumique des échantillons était le suivant :-AlO(OH)/MgAl-LDH> γ-AlO(OH)> MgAl-LDH. Par conséquent, on pourrait en déduire que le taux d'expansion volumique de l'adsorbant a une grande influence sur les performances d'adsorption du MO.

N₂ courbes isothermes adsorption-désorption (a ) et les courbes de distribution de la taille des pores (b ) d'échantillons. Les photographies optiques des échantillons avant et après adsorbés (c )

La figure 7a montre les profils XRD de -AlO(OH)/MgAl-LDH avant et après l'adsorption de MO. Par rapport à γ-AlO(OH)/MgAl-LDH, de nombreux nouveaux pics sont apparus dans les spectres de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH après adsorption de MO. De plus, à l'exception des plans (003) et (006) de MgAl-LDH, les autres plans n'étaient pas décalés vers un faible angle. Les nouveaux pics indiquent que les anions MO pénètrent dans la couche intermédiaire de -AlO(OH)/MgAl-LDH via un échange d'anions et conduisent à un déplacement du plan (003) vers le plan à angle mineur [8]. Plus important encore, le plan (003) de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH a augmenté de 3,22 de 8,77 à 11,99 après adsorption de MO. Fait intéressant, comme le montre la figure 7b, le degré correspondant au plan (003) de MgAl-LDH n'a pas changé après l'adsorption de MO, indiquant que MO ne peut pas être adsorbé dans les couches de MgAl-LDH. On observe que γ-AlO(OH) joue un rôle important dans la couche LDH, et l'effet d'adsorption sur MO est montré dans le schéma 1. D'une part, par l'effet « espace confiné », la nanoaiguille γ-AlO(OH ) peut être cultivé entre les couches MgAl-LDH pour étendre l'espacement plan (003), ce qui aide MO à entrer dans la couche intermédiaire MgAl-LDH par attraction électrostatique. D'autre part, MgAl-LDH a plus d'espace pour stocker MO, en raison de l'expansion entre les couches LDH.

Les modèles XRD de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH (a ) et MgAl-LDH (b ) avant et après MO adsorbé, respectivement

Le mécanisme de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH pour améliorer l'adsorption de MO

D'après la discussion ci-dessus, il est connu que -AlO(OH)/MgAl-LDH a une cinétique d'adsorption et des performances d'adsorption plus élevées que γ-AlO(OH) et MgAl-LDH. Pour mieux étudier le mécanisme d'amélioration des performances, les échantillons ont été soumis à un test de potentiel zêta. Comme le montre la figure 8a, la suspension des échantillons à pH =3 a montré une surface chargée positivement et la valeur de potentiel de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH (43,03 mV) était bien supérieure à celle de MgAl- LDH (13,88 mV) et -AlO(OH) (4,32 mV). Ce résultat indique que l'effet synergique peut être produit en raison de l'entrée de -AlO(OH) dans la couche MgAl-LDH, ce qui améliore le potentiel zêta de l'échantillon γ-AlO(OH)/MgAl-LDH. Comme le montre le schéma 1, la molécule MO peut être formée en C₁₄ H₁₄ N₃ SO₃ ⁻ et Na ⁺ dans l'eau. Parce que C₁₄ H₁₄ N₃ SO₃ ⁻ anion est chargé négativement, il est facilement adsorbé par γ-AlO(OH)/MgAl-LDH. On pourrait en déduire que la LDH présente une bonne capacité d'adsorption pour les colorants anioniques.

Potentiels des échantillons (0,2 mg mL ⁻¹ ) en solution aqueuse à pH =3 (a ). Spectres FTIR de MO, -AlO(OH)/MgAl-LDH avant et après MO adsorbé (b )

Les spectres FTIR de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH après adsorption de MO sont présentés sur la figure 8b. Par rapport à l'original γ-AlO(OH)/MgAl-LDH, les spectres FTIR de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH ont montré des changements évidents après absorption de MO. Les bandes à 1608 et 1520 cm ⁻¹ étaient dues à la vibration d'étirement N=N et à la vibration de flexion N–H. De plus, les bandes à 1183 et 1033 cm ⁻¹ étaient dues aux vibrations d'étirement asymétriques et symétriques du groupe acide sulfonique (–SO₃ ⁻ ), respectivement. La bande à 1122 cm ⁻¹ était due à la vibration d'étirement symétrique de O=S=O [36]. La bande à 1008 cm ⁻¹ était liée à la vibration de flexion dans le plan aromatique C–H [1]. De toute évidence, le pic O–H de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH a été déplacé de 3474 à 3843 cm ⁻¹ lorsque MO a été absorbé, indiquant que la liaison hydrogène participe au processus d'adsorption.

De plus, XPS a été utilisé pour caractériser l'adsorbant avant et après l'adsorption de MO. Comme le montre la figure 9, l'élément S est apparu dans le spectre de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH après avoir adsorbé MO. Le spectre à haute résolution de S 2p situé à 167 eV, représenté sur la figure 9b, indique la présence de MO dans l'adsorbant. La figure 9c, d montre le spectre O 1s de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH avant et après l'adsorption MO, respectivement. Trois pics situés à 530,5, 531 et 531,8 eV sont illustrés à la Fig. 9c, d, et peuvent être attribués à l'O sous les formes d'oxyde métallique (M–O), le carbonate (CO₃ ²⁻ ), et le métal-hydroxyle (M–OH) de l'intercalaire MgAl-LDH [1]. Notamment, il y a des changements significatifs dans l'intensité et la composition de O 1s de l'adsorbant après l'adsorption de MO. Le pic nouvellement apparu situé à 531,6 eV sur la figure 9d pourrait être attribué au O dans le groupe sulfate (S–O). De plus, comme le montre le tableau 5, le CO₃ ²⁻ diminué de 27,2 à 18,1 %, en raison de l'échange d'ions. La proportion relative de M–O après adsorption de MO est augmentée de 9 à 26,4%, et la proportion relative de M–OH a diminué de 63,8 à 25,7%. Les résultats montrent que le site actif hydroxyle de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH joue un rôle important dans l'adsorption du méthylorange, indiquant que l'adsorption de MO est contrôlée par des interactions chimiques; ceci est cohérent avec le modèle cinétique de pseudo-second ordre.

Large spectre XPS de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH avant et après adsorption MO (a ), S 2p XPS étroit de -AlO(OH)/MgAl-LDH après MO adsorbé (b ), O 1s spectre de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH (c ), O 1s spectre de γ-AlO(OH)/MgAl-LDH après MO adsorbé (d )

Recyclage des adsorbants

Les performances de régénération de l'adsorbant γ-AlO(OH)/MgAl-LDH ont été étudiées via des cycles d'adsorption-désorption. Comme le montre la figure 10, la capacité d'adsorption de -AlO(OH)/MgAl-LDH est restée à 762 mg g ⁻¹ après 4 cycles, et l'efficacité d'élimination est restée supérieure à 76%. La diminution de capacité est due à la désorption incomplète de MO et à la perte de l'adsorbant lors de l'adsorption et du lavage des molécules de colorant. Ces résultats indiquent que le γ-AlO(OH)/MgAl-LDH peut être considéré comme un adsorbant efficace et recyclable pour l'élimination du MO de l'eau.

Adsorption cycle performance of γ-AlO(OH)/MgAl-LDH. Initial MO concentration:1000 mg L ⁻¹

Conclusion

The composite of γ-AlO(OH)/MgAl-LDH was synthesized by one-pot method. As an adsorbent, the composite exhibits an excellent adsorption performance for MO. On the one hand, based on the “space-confined” effect, γ-AlO(OH) nanoneedle was prepared between the MgAl-LDH layers. The expansion between the LDH layers leads to more space for storing MO. On the other hand, the hydroxyl active site results in a chemical interaction between γ-AlO(OH)/MgAl-LDH and MO, which promotes the adsorption kinetics. 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.

Disponibilité des données et des matériaux

The datasets generated during and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author on reasonable request.

Abréviations

DDS:

Organic anion dodecylsulfate

DI:

Deionized

FESEM:

Field-emission scanning electron microscopy

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

HRTEM :

High-resolution transmission electron microscopy

LDHs:

Layered double hydroxides

MO:

Methyl orange

TEM :

Transmission electron microscopy

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

XRD :

X-ray powder diffraction

γ-AlO(OH):

Aluminum oxide hydroxide