Anchorage of lanthanum oxyhydroxides on activated carbon to increase its fluoride removal from water

Fluoride is beneficial to humans health at a concentration of 0.7 mg L-1, but it is considered dangerous when ingested at concentrations above 1.5 mg L-1, which is the limit concentration recommended by the World Health Organization (WHO). Water pollution by fluorides occurs in many places around the world. Therefore, more efficient materials and technology are required to overcome this environmental problem. The objective of this research was to anchor lanthanum oxides on a commercial granular activated carbon (GAC) to remove fluorides from water. The modified GAC was characterized by FT-IR, XRD, SEM, pKa’s distribution, and point of zero charge (PZC) in order to suggest how lanthanum anchors on the activated carbon surface and also to propose the fluoride adsorption mechanism on the modified carbon. Adsorption experiments were carried out in batch to study the effect of pH, presence of co-existing anions, and the maximum adsorption capacity in aqueous solution. These results showed that the adsorption capacity of the modified carbon (GAC-La) increased 5 times compared to the commercial GAC at an initial concentration of 20 mg L-1 of F- at pH 7 and 25° C. Finally, the presence of co-existing anions has no effect on the fluoride adsorption capacity at concentrations below 30 mg L-1.El flúor es beneficioso para la salud humana a una concentración de 0.7 mg L-1, pero se considera peligroso cuando es ingerido a concentraciones superiores a 1.5 mg L-1, el cual es el límite recomendado por la Organización Mundial de la Salud (OMS). La contaminación del agua por fluoruros es un problema que se encuentra presente a nivel mundial. Por lo tanto, se requiere invertir en el desarrollo de nuevos materiales y tecnología más eficientes para la remoción de contaminantes prioritarios. El objetivo de esta investigación fue anclar óxidos de lantano sobre un carbón activado granular (CAG) comercial para remover fluoruros presentes en el agua. El CAG modificado con lantano se caracterizó mediante FT-IR, XRD, SEM, distribución de pKa´s y punto de carga cero (PCC) con la finalidad de elucidar el posible mecanismo de anclaje del lantano sobre la superficie del carbón activado y el mecanismo de adsorción de fluoruros en el carbón modificado. realizaron experimentos de adsorción en batch para estudiar el efecto del pH, de la presencia de aniones co-existentes, y la capacidad máxima de adsorción en solución acuosa. Los resultados mostraron que la capacidad de adsorción del carbón modificado con lantano (CAG-La) aumentó 5 veces con respecto al CAG comercial a una concentración inicial de F- de 20 mg L-1, a pH 7 y 25 °C. La presencia de aniones co-existentes no tiene ningún efecto en la capacidad de adsorción del fluoruro a concentraciones menores de 30 mg L-1

Iron-modified carbon paste electrodes and their application as sensors in As(V) detection

La detección electroquímica de arsénico(V) fue evaluada en un electrodo de pasta de carbón modificado con partículas de hidro(óxidos) de hierro en medio electrolítico de NaNO3. El polvo de grafito modificado se preparó fácilmente utilizando el método “slurry”. El material resultante fue caracterizado mediante la determinación de su distribución de carga superficial y punto de carga cero, distribución de pKa’s de los grupos funcionales superficiales, área superficial y distribución de tamaño del poro mediante la ecuación de Brunauer- Emmett-Teller (BET) y la identificación de las formas cristalinas de los compuestos de hidro(óxidos) de hierro por difracción de rayos X. Adicionalmente, se encontró que el material modificado exhibió una buena capacidad de remoción de As(V), incluso en el medio electrolítico. Para la detección de As(V), se utilizó la técnica de voltamperometría de pulso diferencial, para la cual se aplicó un potencial de reducción/acumulación de -1.10 V(vs. Ag/AgCl/KCl (sat.) por 180 segundos a pH 2.5. La caracterización fisicoquímica de los materiales modificados y el análisis electroquímico, permitió proponer un mecanismo de reducción de As(V) sobre la superficie del electrodo. El límite de detección (LOD) de As(V) alcanzado fue de 19.40 μg/L, por lo cual este electrodo podría ser potencialmente aplicado como sensor en la detección de este contaminante en muestras de aguaThe electrochemical detection of arsenic (V) [As(V)] was evaluated on a carbon paste electrode modified with iron hydro(oxide) particles in the presence of NaNO3 salt used as electrolytic media in the experiments. The modified graphite powder was easily prepared using the slurry method. The resulting material was examined by surface charge and pKa’s distribution, point of zero charge, Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area and pore size distribution, potentiometric titration and X-ray diffraction. Adsorption experiments with the modified materials exhibited good As(V) removal capacity even in the presence of electrolytic media. For the As(V) detection, differential pulse voltammetry technique was used by the application of reduction potential of -1.10 V for 180 s at pH 2.5. The detailed physicochemical characterization of modified materials and electrochemical analysis allowed to propose a reduction mechanism of As(V) on the electrode surface. Detection limit of 10 μg/L can be achieved for As(V), therefore this electrode could potentially be applied as a sensor for the detection of this pollutant in water sample

Bioreactors packed with activated carbon fibers as redox mediators in the anaerobic biotransformation of 4-Nitrophenol to 4-Aminophenol

The role of functional groups on the surface of activated carbons is of great interest in biological redox processes because they could improve the rate of biotransformation of toxic compounds and reduce costs of water treatment. In this study, we used activated carbon fibers (ACFs) as biological supports and redox mediators for the continuous biotransformation of 4-nitrophenol (4-NP) to 4-aminophenol (4-AP). Different ACFs were prepared from the original material (AW), including HNO3-treated ACF (AW-OX), and redox-active anthraquinone-2,6- disulfonate anchored on ACF surface (AW-AQDS). These ACFs were characterized by potentiometric titrations (point of zero charge and Boehm), FT-IR, and N2-adsorption (BET method). The ACF-packed bed bioreactors (AW, AW-OX and AW-AQDS) with anoxic granular biomass were evaluated for their ability to reduce 4-NF to 4-AP under continuous conditions, and compared to a control bioreactor with only anoxic granular biomass. Our results show that ACFs with a higher concentration of carbonyl groups AW-OX > AW-AQDS > AW (1.3 > 1.0 > 0.8 meq/g) improved the biotransformation of 4-NF by 2.11 > 1.97 > 1.47 – fold, respectively, as compared to the control bioreactor.La función de los grupos funcionales superficiales sobre los carbones activados es de gran interés en procesos biológicos con actividad redox porque tales grupos pueden incrementar la eficiencia de biotransformación de compuestos tóxicos y con esto reducir los costos del tratamiento de aguas. En este estudio se usaron fibras de carbón activado (FCAs) como soportes biológicos y mediadores redox para la biotransformación contínua de 4-nitrofenol (4-NF) hacia 4-aminofenol (4-AF) en condiciones anaerobias. Diversas FCAs se prepararon a partir del material original (AW) incluyendo FCAs tratadas con ácido nítrico (AW-OX) y modificadas con antraquinina- 2,6-disulfonato (AW-AQDS). Éstas FCAs fueron caracterizadas por titulaciones potenciométricas (punto de carga cero ó PCC, Boehm), FT-IR, y adsorción de N2 a bajas temperaturas (método BET). Los reactores empacados con FCAs (AW, AW-OX y AW-AQDS) y con biomasa granular anaerobia fueron evaluados por su capacidad para reducir continuamente el 4-NF a 4-AF. Estos resultados se compararon con el reactor control que carecía de FCAs en su interior y sólo contenía biomasa anaerobia granular. Los resultados muestran que las FCAs con una alta concentración de grupos carbonilo AW-OX > AW-AQDS > AW (1.3 > 1.0 > 0.8 meq/g) mejoraron la biotransformación de 4-NF por 2.11 > 1.97 > 1.47 – veces, respectivamente, comparando con el reactor control

Adsorbentes híbridos oxihidróxidos metálicos-carbón para remover contaminantes prioritarios del agua: fluoruro y arsénico

Water polluted with fluoride (F- ) and arsenic (As) is a problem of global relevance. The groundwater of several countries exceeds the allowable concentration limits for these compounds as recommended by the World Health Organization (WHO), thus posing a serious human health risk. For this reason, F- and As are considered priority pollutants that determine water quality. To eliminate or reduce the concentration of these contaminants, several processes have been implemented such as: ion exchange, precipitation– coagulation, electrodialysis, nano-filtration, reverse osmosis, and Donnan dialysis. However, most of these methods often involve high operating and maintenance costs. The use of adsorbents that are specifically designed for the removal of these elements represent a viable alternative for future water treatments system. An attractive option is the use of activated carbon (AC) as an adsorbent material. Nevertheless, limitations related to its capacity and selectivity must be overcome. The modification of the activated carbons surface with metal oxyhydroxides nanoparticles has the potential to selectively remove these contaminants. The biggest challenge is controlling the anchorage of the oxyhydroxide nanoparticles on the AC surface. Our research group has contributed in recent years to this research area by synthesizing hybrid adsorbents based on metal oxyhydroxides nanoparticles-AC with elevated adsorption capacities and chemical stability, this considering the relationship among surface area, charge distribution, functional groups, metal content, and contaminant uptake.La contaminación del agua por fluoruros (F- ) y arsénico (As) es un problema de importancia mundial, ya que el agua subterránea de varios países excede los límites permisibles establecidos por la Organización Mundial de la Salud (OMS), lo cual representa un riesgo para la salud humana. Por esta razón, el F- y el As se consideran contaminantes prioritarios que determinan la calidad del agua. Para eliminar o reducir la concentración de estos contaminantes se han implementado diversos procesos, tales como: intercambio iónico, precipitación-coagulación, electrodiálisis, nanofiltración, ósmosis inversa, y diálisis Donnan; sin embargo, la mayoría de estos métodos a menudo implican costos de operación elevados y mantenimiento continuo. El uso de adsorbentes diseñados específicamente para eliminar estos elementos representa una alternativa con gran potencial para ser aplicados a corto plazo en sistemas de tratamiento de agua. Una opción atractiva para mitigar la contaminación del agua por F- y As es el uso de carbón activado (CA) como material adsorbente. Sin embargo, este material tiene algunas limitaciones relacionadas con su capacidad y selectividad que deben ser superadas. La modificación de carbón activado con partículas de oxihidróxidos metálicos de tamaño nanométrico tiene el potencial de eliminar selectivamente estos contaminantes, sin embargo, el mayor reto es el anclaje de estos metales en la superficie del CA. Nuestro grupo de investigación ha contribuido en los últimos años a esta área de investigación mediante la síntesis de adsorbentes híbridos basados en oxihidróxidos metálicos-carbón con capacidad de adsorción elevada. Lo anterior considerando la relación entre el área específica, distribución de carga, grupos funcionales, contenido de metal y la capacidad de adsorción

Study of the adsorption-desorption of Cu2+, Cd2+ and Zn2+ in single and binary aqueous solutions using oxygenated carbons prepared by Microwave Technology

In the present work was studied the adsorption-desorption of heavy metals from aqueous solutions using carbonaceous materials prepared with a technology that combines radiant and microwave heating. Three optimum carbons O-Cu, O-Cd and O-Zn were prepared and characterized using elemental analysis, potentiometric titration, nitrogen adsorption isotherms at - 196 °C, SEM/EDX analysis, and temperature programmed desorption (TPD). The three optimum carbons had very high oxygen contents mainly ascribed to surface functional groups of acidic nature. In contrast, the porosity of the carbons was very limited with specific surface areas being < 50 m2/g. Liquid adsorption isotherms were carried out and capacities of the three optimum carbons were 67, 26 and 24 mg/g for Cu2 +, Cd2 + and Zn2 +, respectively. The higher capacity of the O-Cu carbon was explained in terms of the higher electronegativity of metallic Cu and the theory of hard and soft acids and bases (HSAB) defined by Pearson, when compared with both Cd and Zn atoms. Additionally, the desorption percentage of heavy metals was lower than 10%