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Synthesis and characterization of chitosan bead/flakes for the removal of arsenic and vanadium oxyanions from aqueous solutions
Padilla-Rodríguez, Abigail
Padilla-Rodríguez, Abigail
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Abstract
Arsenic and vanadium oxyanions are contaminants that are toxic to humans, the environment and other living organisms from natural and anthropogenic sources. The Environmental Protection Agency (EPA) regulated a maximum arsenic level in drinking water of 0.010 mg/L, and vanadium is registered as a contaminant candidate list (CCL). Both contaminants have been removed using diverse techniques such as ion exchange, filtration, precipitation, electrochemicals and others. However, these techniques are expensive and their optimum conditions are not efficient for the removal of these oxyanions. Based on this, adsorption is considered as a removal technique for these contaminants at trace levels from aqueous solutions. The adsorbent used in our studies was chitosan, which is a natural, non-toxic, inexpensive, and effective material. This study uses diverse beads/flakes consisting of chitosan for the removal of V(III), V(IV), V(V), As(III) and As(V) oxyanions from aqueous solutions at trace levels. PCF removed a 99-100% for vanadium oxyanions, and 97% for As(V) oxyanion during the first two hours of contact when using 5 g/L of the adsorbent and an initial contaminant concentration of 0.500 mg/L at pH 6.0. On the other hand, Fe(III)-CB removed a 95 and 99% of As(III) and As(V) oxyanions respectively under the same conditions. These oxyanions were removed efficiently in presence of co-existing anions, such as chloride, carbonate, sulfate and phosphate. The adsorption of vanadium and arsenic species were fitted by Freundlich and Langmuir models, with Langmuir isotherm as the best fit. The maximum adsorption capacity (Q⁰) of the PCF were 12.22, 6.50, 2.58 and 5.43 mg/g for V(III), V(IV), V(V) and As(V), respectively. The protonation of the amine group in chitosan is responsible for the adsorption due to the occurring electrostatic attraction between the negative charge of the oxyanion and the positive charge of the adsorbent. The Q⁰ Langmuir parameters using Fe(III)-CB as adsorbent for As(III) and As(V) were 1.48 and 2.72 mg/g. The As(V) oxyanion adsorption is due to the formation of an inner and outer-sphere complex via ligand exchange and electrostatic attraction. On the other hand, As(III) oxyanion adsorption is due to the formation of an inner-sphere complex via ligand exchange. However, the adsorption of both arsenic species is principally for the immobilization of the ferric hydroxide onto the chitosan beads surface. Our results confirmed that PCF and Fe(III)-CB are simple, non-toxic, efficient, environmentally-friendly, reusable and cost effective adsorbents for vanadium and arsenic oxyanion removal at trace levels from aqueous solutions.
Oxianiones de arsénico y vanadio son contaminantes tóxicos a humanos, al ambiente y a otros organismos vivientes provenientes de fuentes naturales y antropogénicas. La Agencia de Protección Ambiental (EPA) reguló un nivel máximo de arsénico en aguas potables de 0.010 mg/L, y vanadio está registrado en la Lista de Contaminantes Candidatos a ser regulados por la EPA. Ambos contaminantes han sido removidos por diversas técnicas tales como intercambio de iones, filtración, precipitación, electroquímica y otros. Sin embargo, estas técnicas son caras y sus condiciones óptimas no son eficientes para la remoción de estos oxianiones. Basado en esto, consideramos adsorción como técnica de remoción de estos contaminantes a niveles traza de soluciones acuosas. El adsorbente usado en nuestro estudio fue quitina, cual es un material natural, económico y efectivo. En este estudio usamos diversos cuencas/hojuelas de quitina para la remoción de los oxianiones de V(III), V(IV), V(V), As(III) y As(V) de soluciones acuosas a niveles traza. PCF removió un 99-100% para los oxianiones de vanadio durante las primeras 2 horas de contacto cuando usamos 5 g/L del adsorbente y una concentración inicial del contaminante de 0.500 mg/L en pH 6.0. Por otro lado, Fe(III)-CB removió un 95 y 99% de los oxianiones de As(III) y As(V), respectivamente bajo las mismas condiciones. Estos oxianiones fueron removidos eficientemente en presencia de aniones comunes, tales como cloruro, carbonato, sulfato y fosfato. La adsorción de las especies de vanadio y arsénico fueron ajustadas por los modelos de isotermas de Freundlich y Langmuir, logrando el mejor ajuste la isoterma de Langmuir. La capacidades máximas de adsorción (Q⁰) del PCF fueron 12.22, 6.50, 2.58 y 5.43 mg/g para V(III), V(IV), V(V) and As(V), respectivamente. La protonación del grupo amino en quitina es responsable de la adsorción debido a las atracciones electróstaticas entre la carga negativa de el oxianión y la carga positiva del adsorbente. Los parámetros de Langmuir usando Fe(III)-CB como adsorbente para As(III) y As(V) fueron 1.48 y 2.72 mg/g. La adsorción del oxianión de As(V) es debido a la formación de un complejo de esfera interna y externa a través de intercambio de ligando y atracciones electrostáticas. En cambio, la adsorción del oxianión de As(III) es debido a la formación de un complejo de esfera interna a través de intercambio de ligandos. Pero, la adsorción de ambas especies de arsénico es principalmente por la inmobilización del hidróxido férrico en la superficie de las cuencas de quitina. Nuestros resultados confirman que PCF y Fe(III)-CB son adsorbentes simples, no-tóxicos, eficientes, amigables al ambiente, reusables y costo efectivos para la remoción de los oxianiones de vanadio y arsénico de soluciones acuosas.
Oxianiones de arsénico y vanadio son contaminantes tóxicos a humanos, al ambiente y a otros organismos vivientes provenientes de fuentes naturales y antropogénicas. La Agencia de Protección Ambiental (EPA) reguló un nivel máximo de arsénico en aguas potables de 0.010 mg/L, y vanadio está registrado en la Lista de Contaminantes Candidatos a ser regulados por la EPA. Ambos contaminantes han sido removidos por diversas técnicas tales como intercambio de iones, filtración, precipitación, electroquímica y otros. Sin embargo, estas técnicas son caras y sus condiciones óptimas no son eficientes para la remoción de estos oxianiones. Basado en esto, consideramos adsorción como técnica de remoción de estos contaminantes a niveles traza de soluciones acuosas. El adsorbente usado en nuestro estudio fue quitina, cual es un material natural, económico y efectivo. En este estudio usamos diversos cuencas/hojuelas de quitina para la remoción de los oxianiones de V(III), V(IV), V(V), As(III) y As(V) de soluciones acuosas a niveles traza. PCF removió un 99-100% para los oxianiones de vanadio durante las primeras 2 horas de contacto cuando usamos 5 g/L del adsorbente y una concentración inicial del contaminante de 0.500 mg/L en pH 6.0. Por otro lado, Fe(III)-CB removió un 95 y 99% de los oxianiones de As(III) y As(V), respectivamente bajo las mismas condiciones. Estos oxianiones fueron removidos eficientemente en presencia de aniones comunes, tales como cloruro, carbonato, sulfato y fosfato. La adsorción de las especies de vanadio y arsénico fueron ajustadas por los modelos de isotermas de Freundlich y Langmuir, logrando el mejor ajuste la isoterma de Langmuir. La capacidades máximas de adsorción (Q⁰) del PCF fueron 12.22, 6.50, 2.58 y 5.43 mg/g para V(III), V(IV), V(V) and As(V), respectivamente. La protonación del grupo amino en quitina es responsable de la adsorción debido a las atracciones electróstaticas entre la carga negativa de el oxianión y la carga positiva del adsorbente. Los parámetros de Langmuir usando Fe(III)-CB como adsorbente para As(III) y As(V) fueron 1.48 y 2.72 mg/g. La adsorción del oxianión de As(V) es debido a la formación de un complejo de esfera interna y externa a través de intercambio de ligando y atracciones electrostáticas. En cambio, la adsorción del oxianión de As(III) es debido a la formación de un complejo de esfera interna a través de intercambio de ligandos. Pero, la adsorción de ambas especies de arsénico es principalmente por la inmobilización del hidróxido férrico en la superficie de las cuencas de quitina. Nuestros resultados confirman que PCF y Fe(III)-CB son adsorbentes simples, no-tóxicos, eficientes, amigables al ambiente, reusables y costo efectivos para la remoción de los oxianiones de vanadio y arsénico de soluciones acuosas.
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Date
2014