Nanoesferas de caolinita con estructura jerárquica: rendimiento superior de adsorción de azul de metileno

Resumen

Nanoesferas de caolinita con estructuras jerárquicas se sintetizaron mediante técnica de deshidratación-rehidratación a través de ruta calcinación-hidrotérmica. La microestructura de las muestras se caracterizó y analizó mediante diversas técnicas. Los resultados muestran que tras el tratamiento hidrotérmico, las partículas de caolinita pseudo-hexagonales en capas se transformaron en nanoesferas con estructura jerárquica. Las estructuras jerárquicas exhiben una gran área superficial específica de 157,1 m² g⁻¹ y una distribución estrecha de tamaño de mesoporos. Las propiedades de adsorción de las nanoesferas de caolinita se investigaron sistemáticamente mediante la remoción de azul de metileno (MB) de agua. Se encontró que las nanoesferas pueden adsorber MB rápidamente con una mayor capacidad de adsorción (184,9 mg/g), y los datos de adsorción siguieron el modelo de isoterma de Langmuir y el modelo cinético de pseudo-segundo orden. Además, el adsorbente puede regenerarse lavando con solución de metanol-HCl y mostró una eficiencia de remoción superior al 95 % hasta 4 ciclos.

Introducción

Los colorantes son compuestos aromáticos sintéticos ampliamente utilizados en industrias textil, cuero, papel, plástico y otras [1]. Con el desarrollo industrial, la contaminación del agua se ha reconocido y se ha convertido gradualmente en una de las preocupaciones más serias de la era actual [2]. Muchos métodos de remediación de aguas contaminadas incluyen floculación, precipitación, intercambio iónico, filtración por membrana, destrucción electroquímica, irradiación y ozonación. La adsorción ha sido considerada durante mucho tiempo como un enfoque altamente eficiente para el control de la contaminación, y se han desarrollado diversos adsorbentes como carbones activados, cenizas volantes, minerales de arcilla y óxidos metálicos para la remoción de contaminantes de aguas residuales [3-7].

La caolinita (Kaol) de fórmula química Al₂Si₂O₅(OH)₄ es un filosilicato 1:1 dioctaédrico formado por superposición de láminas tetraédricas de silicio y láminas octaédricas de aluminio [8]. Basado en su abundante disponibilidad, bajo costo y estructura especial, la Kaol ha atraído mucha atención desde una perspectiva ambiental como un prometedor adsorbente de bajo costo [9, 10]. Sin embargo, la Kaol cruda exhibe una capacidad de sorción relativamente baja debido a la baja reactividad y área superficial específica. Los investigadores han comprobado que los nanomateriales y las nanotecnologías han estado moldeando el proceso de tratamiento de aguas residuales sin precedentes [11-14]. Para aumentar la reactividad y el área superficial específica de la Kaol, se desarrollaron diversos métodos como modificación orgánica, activación ácida o alcalina, delaminación y exfoliación [15-18]. Sin embargo, debido al espacio interlaminar inaccesible de la caolinita, estos métodos requieren muchos agentes químicos y repetidos procesos de intercalación-desintercalación o desplazamiento intercalativo de la Kaol durante días o semanas para obtener nanopartículas de Kaol [19, 20]. En la naturaleza, los minerales de arcilla del grupo caolinita se forman mediante procesos de alteración hidrotérmica o meteorización. Se ha prestado mucha atención a la formación de minerales Kaol usando geles aluminosilicatos como material de partida en laboratorio [21-24]. Un hallazgo interesante es que la Kaol formada hidrotérmicamente exhibe diversas nanoestructuras morfológicas [25]. Además, algunos minerales de arcilla nanoestructurados como hidrosodalita [26], nefelina [27], illita [28], minerales de arcilla dopados con metales [23, 29-31] y tobelita [32] se han fabricado mediante tecnología hidrotérmica empleando caolinita combinada con ácido silícico, nitrato de aluminio, NaOH, KOH o solución de NH₃.

Inspirados por las investigaciones anteriores, proponemos una técnica combinada de calcinación-hidrotérmica para preparar nanoesferas con estructura jerárquica usando Kaol como material de partida sin usar ningún agente químico. Los materiales obtenidos presentaron una superestructura única de caolinita tipo granada (denotada como PS-Kaol) compuesta por numerosas nanoesferas de caolinita con gran área superficial específica y abundantes mesoporos. Además, se midió el rendimiento de adsorción de PS-Kaol mediante la remoción de azul de metileno (MB) de agua.

Materiales y Métodos

Objetivos del Estudio

Para aumentar significativamente el área superficial específica de la caolinita y mejorar su capacidad de sorción de colorantes del agua, se prepararon nanoesferas de caolinita con estructura jerárquica mediante una técnica combinada de calcinación-hidrotérmica respetuosa con el medio ambiente sin ningún agente químico. Para evaluar preliminarmente su capacidad de absorción, se midió el rendimiento de adsorción de PS-Kaol mediante la remoción de MB del agua.

Materiales

La muestra usada en este estudio fue caolín natural de la provincia de Guangxi, China. Su composición química en % en peso es: 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, y pérdida al encendido 12,09. El MB se obtuvo de Tianjin ShengAo Chemical Reagents Company. Es un colorante catiónico, con fórmula molecular C₁₆H₁₈ClN₃S·3H₂O, masa molar 373,90 g mol⁻¹, y absorbancia máxima a 664 nm. El metanol y HCl se compraron a Beijing Chemical Reagents Company, China. Se usó agua destilada en todos los experimentos.

Preparación de Nanoesferas de Caolinita Jerárquicas

Las muestras crudas de Kaolin se purificaron por sedimentación en agua para eliminar los residuos sedimentados y luego la suspensión se secó por aspersión para formar agregados esféricos de caolinita. Los polvos de Kaol purificados se calcinaron luego a 600 °C durante 2 h en un horno de mufla bajo atmósfera de aire para obtener Kaol calcinado (denotado como C-Kaol). Durante este tratamiento de calcinación, la Kaol sufre una modificación importante y se vuelve mucho más reactiva [33]. El Kaol activado es un material de partida importante para el posterior tratamiento hidrotérmico. Típicamente, 5 g de C-Kaol y 60 ml de agua destilada se mezclaron y agitaron vigorosamente durante 30 min. Luego, esta mezcla se transfirió a un autoclave de acero inoxidable revestido de teflón de 100 ml y se trató hidrotérmicamente a 200 °C bajo agitación magnética durante 48 h y se enfrió a temperatura ambiente. Finalmente, el producto final se recogió por centrifugación y se secó a 100 °C durante 10 h.

Caracterización

Las morfologías y estructuras de las muestras se observaron mediante microscopía electrónica de barrido (HSEM Hitachi, SU8020) y microscopía electrónica de transmisión (TEM, JEM1200EX), respectivamente. Los patrones de difracción de rayos X (XRD) se registraron usando un instrumento Bruker D8 con objetivo de cobre. Los espectros de infrarrojo por transformada de Fourier (FT-IR) se registraron en pastillas de KBr con resolución de 2 cm⁻¹ en un espectrómetro Bruker Tensor 27. La espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) se realizó en un espectrómetro Thermo escalab 250Xi. La isoterma de adsorción-desorción de nitrógeno se tomó con un analizador Autosorb-iQ-MP (Quanta Chrome, USA).

Experimentos de Adsorción

La capacidad de adsorción de las muestras se evaluó usando MB como indicador típico. Se realizó una serie de experimentos de adsorción con tiempo de contacto variable, pH, concentración inicial de MB y reciclaje para investigar la capacidad de adsorción de los adsorbentes. Típicamente, 100 mg de adsorbente se mezclaron con 100 ml de solución acuosa de MB con diversas concentraciones en un matraz cónico de 250 ml mediante agitación magnética a 25 °C durante un tiempo determinado. La influencia del tiempo de contacto se probó de 5 a 120 min (a 25 °C, pH inicial ~ 6,5, MB 100 mg/L). Para evaluar el efecto del pH, se seleccionó el rango de 2 a 12 (tiempo de contacto: 12 h a 25 °C, MB 100 mg/L) y el pH de la solución se ajustó añadiendo HCl y NaOH (0,1 mol L⁻¹). Las concentraciones de 50, 80, 100, 150, 200, 300 y 400 mg/L se seleccionaron para estudiar los efectos de la concentración inicial de MB (a 25 °C, pH inicial sin ajuste, 12 h). Para investigar la reciclabilidad de los adsorbentes, los polvos se recogieron; después de que la adsorción alcanzó el equilibrio en solución de MB a 100 mg/L a 25 °C y pH inicial. Luego se lavaron con solución mezclada de metanol-HCl para desorción. Tras separar y secar, las muestras se reutilizaron para adsorber MB. El proceso de regeneración y reabsorción se repitió cuatro ciclos sucesivos. Para cada prueba de adsorción, la solución se tomó y centrifugó para remover el adsorbente. El sobrenadante de la solución centrifugada se analizó con un analizador de calidad de agua DR2800 (HACH, América). El rendimiento de adsorción se evalúa usando las siguientes expresiones:

Porcentaje de adsorción = (C₀−C_e)/C₀ × 100% (1)

q_e (mg/g) = (C₀−C_e)V/m (2)

q_t (mg/g) = (C₀−C_t)V/m (3)

donde C₀ (mg/L) es la concentración inicial de MB, C_e (mg/L) es la concentración de equilibrio de MB, C_t (mg/L) es la concentración de MB en la solución acuosa en el tiempo t (min), q_e (mg/g) es la capacidad de adsorción de equilibrio, q_t (mg/g) es la capacidad de adsorción en el tiempo t (min), V (L) es el volumen de la solución, y m (g) es la masa del adsorbente.

Resultados y Discusión

Caracterización del Material

La Figura 1a muestra los patrones XRD de las muestras preparadas, que son Kaol, C-Kaol y PS-Kaol, respectivamente. Para C-Kaol, los picos de difracción casi desaparecen y son reemplazados por un fondo ancho característico de metakaolinita. Tras el tratamiento hidrotérmico a 200 °C durante 48 h, los reflejos (001), (020) y (110) reaparecen claramente, lo que ilustra que la metakaolinita se rehidrata y se transforma en Kaol nuevamente. Sin embargo, los reflejos en el rango de 30–40° (2θ) de PS-Kaol son anchos comparados con Kaol, indicando que PS-Kaol está poco cristalizado.

a Patrones XRD, b espectros FTIR, c espectros XPS Al_2p, y d espectros XPS Si_2p de las muestras Kaol, caolinita calcinada (C-Kaol) y caolinita calcinada tratada hidrotérmicamente (PS-Kaol).

La Figura 1b muestra los espectros FTIR de caolinita original, C-Kaol y PS-Kaol. En comparación con el espectro de caolinita original, los picos de hidroxilo en el rango 3700–3600 cm⁻¹ son invisibles para C-Kaol, y las bandas relacionadas con vibraciones Si-O en los rangos 1110–1000 cm⁻¹ [34] se ensanchan visiblemente. Las bandas de vibración Al-O-Si a 795, 750 cm⁻¹ [34] también se ensanchan y el pico de aluminio octaédrico a 912 cm⁻¹ [35] desaparece. Estos resultados indican que la caolinita se ha transformado totalmente en metakaolinita amorfa tras 2 h de calcinación a 600 °C. Sin embargo, tras el tratamiento hidrotérmico, apareció una banda ancha de grupos hidroxilo en 3700–3600 cm⁻¹ para PS-Kaol. Además, la banda ensanchada de vibraciones Si-O se vuelve más aguda y el aluminio octaédrico a 912 cm⁻¹ reaparece comparado con C-Kaol. Los cambios anteriores para Kaol, C-Kaol y PS-Kaol revelan que tras el tratamiento hidrotérmico, la metakaolinita calcinada se rehidrata y vuelve a convertirse en caolinita con baja cristalización.

Para caracterizar aún más la propiedad superficial de las muestras preparadas, se determinó la energía de enlace de Al_2p y Si_2p para Kaol, C-Kaol y PS-Kaol mediante XPS (Fig. 1c, d). La estructura química observada de Si y Al en las muestras cambió tras la calcinación y el tratamiento hidrotérmico. La energía de enlace de Si_2p y Al_2p de C-Kaol aumentó en 0,16 y 0,67 eV comparado con Kaol, respectivamente. Tras el tratamiento hidrotérmico, la energía de enlace de Al_2p se mantuvo casi igual a la de C-Kaol, mientras que Si_2p aumentó further 0,26 eV. Estos resultados muestran que el entorno químico de Al y Si cambia bajo los tratamientos de calcinación e hidrotérmico. Las relaciones de área Si_2p/Al_2p y las correspondientes relaciones atómicas Si/Al obtenidas para todas las muestras se listan en la Fig. 1c, d. Nótese que ambas relaciones para C-Kaol son bastante similares a las de Kaol. Esto ilustra que el tratamiento de calcinación no cambia la distribución de Si y Al en la superficie de las muestras. En cambio, se encuentra una disminución notable en las relaciones atómicas Si/Al y de área Si_2p/Al_2p de PS-Kaol (1,05 y 1,68) respecto a Kaol (1,12 y 1,78). Esto sugiere que el tratamiento hidrotérmico promueve un enriquecimiento de aluminio en la superficie de la caolinita. Algunas investigaciones observaron el mismo fenómeno cuando el gangue de carbón fue modificado por molienda mecánica, y propusieron que esta nueva superficie enriquecida en aluminio exhibe una reactividad química mejorada [36].

Las morfologías de Kaol y PS-Kaol medidas por SEM y TEM se presentan en la Fig. 2. La agregación de Kaol secada por aspersión muestra estructura de microesferas con diámetro ~ 10 μm (Fig. 2a), que consiste en numerosas partículas en capas pseudo-hexagonales (Fig. 2b). Hay mucho espacio interpartículas en las microesferas de Kaol que permite el paso fácil de moléculas de agua a través de toda la microesfera. Para muestras calcinadas, la morfología es casi la misma que la de Kaol secado por aspersión (no mostrada). Durante el tratamiento de calcinación, el Al en la lámina octaédrica cambia de coordinación seis a cuatro, mientras que el Si permanece en coordinación cuatro en la lámina tetraédrica, y la Kaol retiene su estructura en capas [33]. Tras el tratamiento hidrotérmico, el C-Kaol cambió a microesferas con estructura tipo granada. La Fig. 2c, d muestra la imagen completa de PS-Kaol con diámetro ~ 10 μm, casi igual al diámetro de agregación de Kaol. La imagen SEM (Fig. 2e) con mayor aumento muestra información detallada de que PS-Kaol está constituido por muchas nanoesferas. Estas nanoesferas con contorno bien definido se coalescen y forman poros dentro de la superpartícula tipo granada. Estos resultados ilustran que las partículas de Kaol en capas pseudo-hexagonales se transformaron en nanoesferas sin colapso de las microesferas de agregación secadas por aspersión bajo el tratamiento hidrotérmico. Los resultados de XRD revelaron que estas nanoesferas eran Kaol (Fig. 1), y otros estudios también reconocieron este tipo de esferas como Kaol [22]. De los micrografías TEM (Fig. 2f–h), se observó que estas nanoesferas con diámetro promedio de 20 nm estaban construidas con láminas ultrafinas. La Fig. 2h reveló las láminas ultrafinas enrolladas alrededor de las nanoesferas. Estos resultados implican que las nanoesferas de caolinita se forman por agregación de láminas delgadas de caolinita y crecen con la cobertura continua de láminas delgadas. Algunos investigadores señalaron que la formación de caolinita sigue un proceso de disolución-precipitación [22, 37]. En el presente trabajo, la formación de PS-Kaol puede obedecer el siguiente proceso. Primero, las partículas pseudo-hexagonales de Kaol se agregaron para formar agregación esférica durante el secado por aspersión y fueron activadas por el posterior tratamiento de calcinación. Las partículas en placas de C-Kaol se disolvieron bajo tratamiento hidrotérmico y precipitaron in situ para formar láminas ultrafinas. Posteriormente, las láminas en crecimiento se transformaron en partículas esféricas debido a la tensión superficial del agua.

Imágenes SEM de muestras a diferentes aumentos. a, b Kaol. c–e Metakaolinita tratada hidrotérmicamente (PS-Kaol). f–h Imágenes TEM de PS-Kaol.

El área superficial y la estructura de poros de Kaol, C-Kaol y PS-Kaol se investigaron por adsorción-desorción de nitrógeno, y los resultados se muestran en la Fig. 3. Se puede ver que la isoterma de Kaol es muy similar a una isoterma tipo II, indicando que Kaol es un agregado macroporoso. Tras la calcinación, la isoterma de C-Kaol es casi la misma que la de Kaol. Sin embargo, el tratamiento hidrotérmico muestra un fuerte efecto en la estructura de las muestras resultantes. La cantidad de adsorción de N₂ para PS-Kaol aumenta bruscamente. La isoterma de adsorción-desorción de nitrógeno de PS-Kaol muestra una característica de tipo IV con un bucle de histéresis aparente en presión relativa de 0,40 a 0,99, sugiriendo la presencia de abundantes mesoporos. Las curvas de distribución de tamaño de poro (Fig. 3b) de las muestras evaluadas usando el modelo de teoría funcional de densidad (DFT) muestran una distribución de tamaño de poro en la región de 2,0–10,0 nm con un pico máximo a 5,0 nm. El área superficial específica BET para PS-Kaol es 157,1 m² g⁻¹, mucho mayor que la de Kaol (29,3 m² g⁻¹) y C-Kaol (27,5 m² g⁻¹).

Isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno (a) y curvas de distribución de tamaño de poro DFT (b) de Kaol, caolinita calcinada (C-Kaol) y caolinita calcinada tratada hidrotérmicamente (PS-Kaol).

Rendimiento de Adsorción de MB

Influencia del Tiempo de Contacto

La capacidad de adsorción de las muestras se evaluó usando MB como indicador típico. La Figura 4a muestra la evolución de MB con el tiempo de contacto. La tasa de remoción de MB de soluciones acuosas por PS-Kaol alcanzó rápidamente más del 92 % en solo 5 min, y luego aumentó ligeramente con el tiempo de contacto llegando al 99,1 % a 120 min. Para Kaol, la tasa de remoción más alta (57,6 %) se alcanzó a 10 min, y luego disminuyó ligeramente a 52,3 % con el aumento del tiempo de contacto. Para C-Kaol, la tasa de remoción más alta (38,1 %) se alcanzó a 30 min y luego disminuyó bruscamente a 16,1 % con el aumento del tiempo de contacto. Estos resultados comparativos mostraron que el tratamiento hidrotérmico mejoró enormemente la capacidad de adsorción de PS-Kaol y aumentó la afinidad de adhesión entre la superficie de partículas de PS-Kaol y moléculas de MB.

a Tasas de sorción de muestras Kaol, C-Kaol y PS-Kaol, 25 °C. b Eficiencia de absorción de MB de muestra PS-Kaol a varios pH iniciales de solución. c Isotermas de adsorción de muestra PS-Kaol. d Eficiencia de absorción de MB de muestra PS-Kaol a diferentes concentraciones iniciales de MB.

Influencia del pH

Como se muestra en la Fig. 4b, la eficiencia de absorción de PS-Kaol para MB aumentó de 95,10 a 99,15 % al aumentar el valor de pH de 2 a 12. Observaciones similares se han reportado en adsorción de MB sobre arcilla mesoporosa modificada [38] y caolinita [39]. El efecto del pH en la adsorción de colorantes puede explicarse por la interacción electrostática entre adsorbente y moléculas de colorante. El MB es un colorante catiónico conocido y con carga positiva en solución, mientras que la carga superficial de la caolinita es fuertemente influenciada por el pH de la solución. Para la caolinita, a medida que el pH de la solución aumenta, el número de sitios cargados negativamente aumenta y el de sitios cargados positivamente disminuye [40]. Por tanto, la extensión de colorantes adsorbidos en caolinita tiende a aumentar con el aumento de valores de pH. Para PS-Kaol, la eficiencia de absorción para MB también aumenta con el aumento de valores de pH, mientras que en el amplio rango de pH (de 2 a 12) la eficiencia de absorción para MB solo aumenta ligeramente de 95,10 a 99,15 %. Resultados similares se obtuvieron para la remoción de MB por caolinita tratada con ácido [15]. Este comportamiento de adsorción de PS-Kaol a varios pH sugiere que puede aplicarse potencialmente en un amplio rango de pH.

Influencia de la Concentración Inicial de MB

El efecto de una concentración inicial de colorante en la adsorción de MB se determinó preparando diferentes concentraciones de 50 a 400 mg/L. Las isotermas de sorción obtenidas (Fig. 4c) revelan que la capacidad de adsorción de MB aumenta bruscamente de 49,8 a 184,9 mg/g, indicando un potencial significativo de PS-Kaol para la adsorción de colorantes catiónicos. Además, la Fig. 4d muestra que la eficiencia de absorción de PS-Kaol supera el 96 % en concentraciones iniciales de MB de 50 a 150 mg/L y luego cae lentamente al valor (46 %) a 400 mg/L, sugiriendo la alta aplicabilidad de PS-Kaol en un amplio rango de concentración de MB en aguas residuales.

Modelos Cinéticos y de Isoterma de Adsorción

Para investigar further las características de adsorción de PS-Kaol hacia el colorante MB, se proponen los modelos cinéticos (pseudo-primer orden y pseudo-segundo orden) e isotérmicos (ecuaciones de Langmuir y Freundlich) según los datos experimentales (Fig. 4). Las ecuaciones correspondientes son:

Pseudo-primer orden: ln(q_e − q_t) = ln q_e − K₁t (4)

Pseudo-segundo orden: t/q_t = 1/(K₂q_e²) + t/q_e (5)

Langmuir: C_e/q_e = 1/(K_Lq_m) + C_e/q_m (6)

Freundlich: ln q_e = ln K_F + (1/n) ln C_e (7)

donde K₁ (min⁻¹) y K₂ (g mg⁻¹ min⁻¹) son las constantes de velocidad de pseudo-primer y pseudo-segundo orden, respectivamente. q_m (mg/g) y K_L (L/mg) son coeficientes de la isoterma de Langmuir; K_F (mg/g) y n son constantes de Freundlich.

La cinética de adsorción se realizó para evaluar la velocidad y el mecanismo de transferencia de moléculas de colorante desde la solución líquida a la superficie de PS-Kaol. Los datos y ajustes de los modelos cinéticos de pseudo-primer y pseudo-segundo orden se muestran en la Fig. 5a, b, respectivamente. Los valores de R² de los modelos de pseudo-primer y pseudo-segundo orden fueron 0,54 y 0,999, respectivamente. Además, los valores de q_e,cal (99,21) para el modelo de pseudo-segundo orden también resultaron muy cercanos a los valores observados experimentalmente q_e,exp (99,2). Estos resultados muestran claramente que la adsorción de MB sobre PS-Kaol está dominada por el mecanismo de adsorción de pseudo-segundo orden, e indican la naturaleza de quimisorción de MB en la superficie de PS-Kaol. La constante de velocidad de adsorción K₂ de PS-Kaol hacia MB es 0,037 g/(mg min) según el modelo cinético de pseudo-segundo orden.

a, b Modelos cinéticos de pseudo-primer y pseudo-segundo orden para la adsorción de colorante MB sobre PS-Kaol, respectivamente. c, d Modelos de isoterma de Langmuir y Freundlich para la adsorción de colorante MB sobre PS-Kaol, respectivamente.

Los modelos de isoterma de Langmuir y Freundlich se usaron para el análisis de adsorción y los resultados de ajuste lineal se muestran en la Fig. 5c, d, respectivamente. Los datos se ajustan mejor a la isoterma de Langmuir con un coeficiente de correlación R² de 0,999 (Fig. 5c) que a la isoterma de Freundlich con coeficiente de correlación de 0,892 (Fig. 5d), indicando la adsorción en monocapa de MB en la superficie de PS-Kaol. El valor q_m de MB en PS-Kaol fue 185,87 mg/g, cercano al dato experimental (184,9 mg/g). Basado en la caracterización, rendimiento de adsorción y análisis de modelos de isoterma y cinética, la propiedad de adsorción mejorada de PS-Kaol podría atribuirse a la propiedad de área superficial específica altamente mejorada. Además, la estructura mesoporosa jerárquica de las nanopartículas también fue útil para la difusión y transporte de moléculas de MB (Fig. 3).

a Diferentes ciclos de reutilización de PS-Kaol para remover MB. b Imagen esquemática de la aplicación y regeneración de PS-Kaol para purificación de agua.

El potencial de reutilización del sorbente es un factor significativo para sus usos prácticos. Los contaminantes adheridos podrían desplazarse insertando moléculas de solvente adecuadas [41, 42]. En este estudio, el PS-Kaol utilizado se regeneró lavando con solución de metanol que contenía 0,1 mM HCl para la siguiente adsorción. Como se observa en la Fig. 6a, tras 4 ciclos, la eficiencia de absorción del adsorbente disminuyó ligeramente comparada con la eficiencia de remoción del 99,1 % del PS-Kaol original, y la eliminación de colorante tras 1 y 4 ciclos fue 98,09 % y 94,61 %, respectivamente. Así, con el aumento de ciclos de regeneración, la capacidad de adsorción recuperada disminuyó gradualmente. Como se ilustra en la Fig. 6b, tras adsorber colorante MB, el color blanco de PS-Kao cambió a azul oscuro, y el agua contaminada se remedió a agua limpia. El PS-Kao usado azul oscuro se regeneró por el desplazamiento de colorante MB mediante lavado con solución de metanol + HCl y cambió a color azul claro. Esto implicó que las moléculas de MB adsorbidas no fueron desplazadas totalmente por lavado con solvente, y fue la razón de la capacidad de adsorción disminuida gradualmente del PS-Kao reciclado. Algunos investigadores también observaron la disminución sucesiva de capacidad de adsorción al reciclar adsorbente por método de lavado con solvente [4, 42]. Aquí, el resultado interesante es que la regeneración por desorción con solvente del adsorbente PS-Kaol pudo retener alta eficiencia de remoción (recuperó más del 95 % de capacidad de adsorción) durante cuatro ciclos sucesivos. Por tanto, PS-Kaol con un excelente rendimiento de adsorción y propiedad de regeneración puede emplearse eficazmente para la remoción de colorantes de aguas residuales.

Conclusiones

En resumen, estructuras jerárquicas de Kaol tipo granada se prepararon exitosamente mediante enfoque calcinación-hidrotérmica usando caolín purificado como material de partida. Los resultados indican que las partículas en placas de C-Kaol se disuelven bajo condiciones hidrotérmicas y precipitan en láminas ultrafinas que se agregan para formar nanoesferas de Kaol debido a la tensión del agua. PS-Kaol con alta área superficial específica y abundantes mesoporos muestra un excelente rendimiento de adsorción con alta eficiencia de absorción de MB bajo amplias condiciones de pH, cinética de sorción rápida y eficiente regeneración del sorbente. Así, PS-Kaol muestra buenas perspectivas de aplicación para tratamientos de aguas residuales y remediación ambiental. Esto también proporciona una técnica de adaptación respetuosa con el medio ambiente para preparar materiales nanoestructurados funcionales basados en arcilla.

Abreviaturas

C-Kaol:

Caolinita calcinada

Kaol:

Caolinita

MB:

Azul de metileno

PS-Kaol:

Esferas de caolinita tipo granada