Compuesto γ‑AlO(OH)/MgAl‑LDH: adsorción récord de naranja de metilo y reutilización sostenible

Resumen

Reportamos una síntesis hidrotérmica en un solo paso que inserta nanoneedles de γ‑AlO(OH) en capas de MgAl‑LDH, produciendo una heteroestructura con adsorción excepcional de naranja de metilo (MO). El espaciado interlaminar se expande de 7.6 Å a 8.77 Å, mientras que abundantes grupos –OH mejoran la cinética de quimisorción. El compuesto elimina completamente 1000 mg L⁻¹ de MO en 210 min, alcanzando una capacidad Langmuir de 4681.40 mg g⁻¹ —la más alta reportada para cualquier adsorbente basado en LDH. Tras cuatro ciclos de adsorción-desorción, la capacidad permanece sobre 760 mg g⁻¹, demostrando robusta reciclabilidad.

Introducción

Los colorantes orgánicos, ubicuos en textiles, cuero y pinturas, representan graves amenazas ambientales al descargarse en cuerpos de agua. Su alta polaridad, baja volatilidad y resistencia a la biodegradación dificultan su eliminación. Métodos convencionales (fotocatálisis, oxidación biológica, filtración por membranas) son intensivos en energía o costosos. La adsorción física, especialmente con hidróxidos dobles laminares (LDH), ofrece una alternativa simple y rentable debido a su alta capacidad de intercambio aniónico y área superficial ajustable.

Avances recientes muestran que insertar especies orgánicas o inorgánicas entre capas LDH puede potenciar aún más la adsorción. γ‑AlO(OH), con su alta área superficial específica y abundantes grupos hidroxilo, es candidato ideal para intercalación. Aquí demostramos su exitosa integración en MgAl‑LDH, produciendo un compuesto que combina espaciado interlaminar expandido y actividad –OH mejorada, resultando en rendimiento de adsorción récord.

Métodos

Preparación de γ‑AlO(OH)/MgAl‑LDH

Mg(NO₃)₂·6H₂O (4.615 g) y Al(NO₃)₃·9H₂O (3.376 g) se disolvieron en 50 mL agua DI. NaOH (2.516 g) se disolvió en 25 mL agua DI para mantener pH 10. Las dos soluciones se añadieron gota a gota a 25 mL agua DI bajo agitación vigorosa a 60 °C, luego se sellaron y calentaron a 140 °C por 10 h. El slurry resultante se lavó, liofilizó y almacenó. MgAl‑LDH puro y γ‑AlO(OH) se sintetizaron idénticamente para comparación.

Caracterización

Identificación de fase: XRD (Cu Kα, 5–80°). Morfología: FESEM (S4800, 5 kV) y TEM (JEM‑2100F, 200 kV). Química superficial: FTIR (4000–400 cm⁻¹) y XPS (ESCALAB 250Xi). Porosidad: adsorción-desorción N₂ (BET, BJH). Propiedades ópticas: UV–Vis y fotoluminiscencia (Varian). Estudios cinéticos e isotermas emplearon ecuaciones estándar para modelos pseudo-primer/segundo orden y Langmuir/Freundlich.

Experimentos de Adsorción

50 mg de adsorbente se agitaron en 50 mL de solución MO 1000 mg L⁻¹ (pH 3). En tiempos predeterminados, alícuotas de 3 mL se centrifugaron; absorbancia del sobrenadante se midió a 463 nm. Capacidades de adsorción de equilibrio e instantánea se calcularon mediante qₜ = (C₀–Cₜ)V/m y qₑ = (C₀–Cₑ)V/m.

Desorción y Regeneración

Tras adsorción, muestras se lavaron con agua DI, luego con etanol 30 %, y liofilizaron. Ciclos repetidos de adsorción-desorción evaluaron reciclabilidad.

Resultados y Discusión

Caracterización Estructural

XRD confirmó la presencia de tanto MgAl‑LDH como γ‑AlO(OH). El pico (003) se desplazó de 11.63° (7.6 Å) a 10.09° (8.77 Å), indicando espaciado interlaminar expandido. FESEM/TEM revelaron nanohojas de MgAl‑LDH entremezcladas con nanoneedles de γ‑AlO(OH). Franjas de red HRTEM (0.235 nm, 0.152 nm) corresponden a γ‑AlO(OH) (031) y MgAl‑LDH (110). Mapeo EDX mostró distribución elemental homogénea.

Efecto del pH

La adsorción óptima ocurrió a pH 3; la capacidad disminuyó a pH mayor por reducción de atracción electrostática. A pH 3, la solución se volvió clara tras 210 min, confirmando eliminación completa del colorante.

Cinética de Adsorción

Todas las muestras mostraron captura inicial rápida. γ‑AlO(OH)/MgAl‑LDH alcanzó capacidad de equilibrio de 1000 mg g⁻¹ (concentración MO 1000 mg L⁻¹) versus 183.3 y 155.5 mg g⁻¹ para γ‑AlO(OH) y MgAl‑LDH, respectivamente. Ajuste pseudo-segundo-orden (R² > 0.99) indicó quimisorción como etapa determinante de velocidad.

Análisis de Isotermas

Ajustes Langmuir dieron qₘ = 4681.40 mg g⁻¹, K_L = 4.62 × 10⁵ L mg⁻¹ para el compuesto, superando ampliamente γ‑AlO(OH) (1492.5 mg g⁻¹) y MgAl‑LDH (769.2 mg g⁻¹). Constantes Freundlich confirmaron además fuerte afinidad de adsorción.

Mecanismo de Adsorción

Áreas superficiales BET (MgAl‑LDH = 14.1 m² g⁻¹; γ‑AlO(OH) = 95.9 m² g⁻¹; compuesto = 34.1 m² g⁻¹) muestran que la capacidad no se impulsa solo por área superficial. En cambio, el plano (003) expandido permite aniones MO intercalar vía intercambio iónico, evidenciado por nuevos picos XRD y aumento de 3.22 Å en espaciado interlaminar tras adsorción. Medidas zeta-potencial (γ‑AlO(OH)/MgAl‑LDH = +43 mV a pH 3) indican superficie altamente cargada positivamente que atrae fuertemente colorantes aniónicos. Análisis FTIR y XPS revelan enlace hidrógeno y quimisorción en sitios –OH, consistente con cinética pseudo-segundo-orden.

Reciclabilidad

Tras cuatro ciclos de adsorción-desorción, el compuesto retuvo 762 mg g⁻¹ capacidad (>76 % de inicial), confirmando rendimiento duradero.

Conclusión

Hemos diseñado una heteroestructura γ‑AlO(OH)/MgAl‑LDH vía ruta hidrotérmica en un solo paso que entrega adsorción sin precedentes de naranja de metilo, alcanzando capacidad Langmuir de 4681.40 mg g⁻¹ y eliminación completa del colorante en 210 min. El crecimiento sinérgico "confinado en espacio" de γ‑AlO(OH) y abundantes grupos hidroxilo sustentan la cinética y capacidad superiores. El material permanece altamente reciclable, reteniendo >76 % capacidad tras cuatro ciclos. Su fuerte carga superficial positiva y estructura robusta lo hacen candidato prometedor para tratar contaminantes de colorantes aniónicos y potencialmente servir como soporte para fotocatalizadores.