Sorption of VOCs and PAHs onto recycled tire crumb rubber

Abstract

Sorption of Volatile Organic Compounds (VOCs) (ethylbenzene, toluene and xylene) and Poly Aromatic Hydrocarbons (PAHs) (acenaphthene, acenaphthylene and phenanthrene) by tire crumb rubber (TCR) and its main components were evaluated: carbon black (CB) and styrenebutadiene polymer (SBP). The initial concentrations of VOCs and PAHs in aqueous solutions ranged from 0.05 mg/L to 100.0 mg/L and 0.03 mg/L and 3.0 mg/L, respectively. The amounts of CB and SBP used in the sorption tests were determined considering their typical contents in tire crumb rubber (30% and 60% w/w, respectively). Freundlich’s isotherms and Scatchard plot parameters suggested a two-step sorption process when TCR was used as the sorbent; whereas a single-step route was apparent when the sorption experiments were carried out with CB or SBP. Freundlich’s ‘n’ parameters for toluene, xylene, acenaphthene and phenanthrene were estimated at 1.018, 0.90, 1.207 and 0.655, respectively using TCR. The maximum uptake capacities (Kf) calculated from Freundlich’s equation for toluene, xylene, acenaphthene and phenanthrene were 0.239 mg/g, 0.723 mg/g, 3.32 mg/g and 54.6 mg/g, respectively, using TCR as the sorbent. In a different set of experiments, the effect of TCR concentration in the sorption of VOCs such as ethylbenzene, toluene and xylene, and PAHs such as acenaphthene, acenaphthylene and phenanthrene was evaluated for single and multi-component experiments. The maximum uptake capacities (Kf) calculated from Freundlich’s equation for ethylbenzene, toluene and xylene for single component experiments were 1.8, 0.17 and 1.9 mg/g, respectively, and the (Kf) for multicomponent experiments were 0.67, 0.35 and 0.81 mg/g, respectively. The (Kf) for acenaphthene, acenaphthylene and phenanthrene for single component experiments were 10.2, 5.02 and 46.9 mg/g, respectively, and the (Kf) for multi-component experiments were 6.23, 4.38 and 11.1 mg/g, respectively. TCR also was used to remove gasoline components from aqueous solutions. The qualitative analysis showed that all components in the gasoline water samples of 30 mg/L were partially removed. The components with high molecular weight were almost completely removed using 5 g/L of TCR. A gas chromatographic analysis using Single Ion Monitoring (SIM) analysis allowed the quantification of the amount of toluene and o-xylene present in the gasoline water samples. The removal (after 6 hours of contact time) of total gasoline compounds was 96%, and the removal of toluene and o-xylene in the gasoline samples was 73% and 86%, respectively, using an initial concentration of 30 mg/L of gasoline and 5.0 g/L of TCR. A modified gas chromatograph and a column packed with 25 g of TCR (mesh 14-20) were used to remove toluene in gas phase. The toluene was injected using a constant syringe pump at rates between 0 and 30 µL/h. Sorption isotherms were constructed by changing the system pressure between 0 and 50 psi. The ‘n’ value and the uptake capacity (Kf) calculated from Freundlich’s equation were 1.19 and 0.54 mg/g, respectively. The uptake capacity for the removal of toluene in gas phase was higher than in the aqueous phase. A modification of TCR using microorganisms was studied. Pseudomona sp. was isolated and immobilized onto TCR to improve its removal capacity against phenanthrene. After 7 days, the modified TCR (1.0 g/L) adsorbed and degraded 92% of phenanthrene. The removal was due to the TCR sorption (90%) and microorganism biodegradation (10%). The sorption capacity and its low cost compared with commercially available sorbents make TCR a promising sorbent for VOCs, PAHs and gasoline components in aqueous and gas phases.

La ab/adsorción de compuestos orgánicos volátiles (VOCs) (etilbenceno, tolueno y xileno) e hidrocarburos poli aromáticos (PAHs) (acenapteno, acenaptileno and fenantreno) por partículas de goma de neumáticos (TCR) y sus principales componentes fueron evaluadas: negro de carbón (CB) y polímero de estireno-butadieno (SBP). Las concentraciones iniciales de VOCs y PAHs en soluciones acuosas estuvieron en el rango de 0.05 mg/L a 100.0 mg/L y 0.03 mg/L a 3.0 mg/L, respectivamente. Las cantidades de CB y SBP usadas en las pruebas de ab/adsorción fueron determinadas considerando su contenido típico en las partículas de goma de neumáticos (30% y 60% w/w respectivamente). Las isotermas de Freundlich y los parámetros de las gráficas de Scatchard sugieren un proceso de ab/adsorción de dos pasos cuando TCR fue usado como ab/adsorbente, mientras que una ruta de un solo paso fue aparente cuando los experimentos de ab/adsorción fueron llevados a cabo con CB y SBP. Los parámetros ‘n’ de Freundlich para tolueno, xileno, acenapteno y fenantreno fueron estimados de 1.018, 0.90, 1.207 and 0.655 respectivamente, usando TCR. Las máximas capacidades de carga (Kf) calculadas de la ecuación de Freundlich para tolueno, xileno, acenapteno y fenantreno fueron 0.239mg/g, 0.723mg/g, 3.32 mg/g y 54.6 mg/g respectivamente, usando TCR como ab/adsorbente. En un grupo de experimentos diferente, el efecto de la concentración de TCR en la absorción de VOCs tales como etilbenceneo, tolueno y xileno, y PAHs tales como acenapteno, acenaptileno and fenantreno, fue evaluada para experimentos de un solo componente y muticomponentes. Las máximas capacidades de carga (Kf) calculadas de la ecuación de Freundlich para etilbenceno, tolueno y xileno para experimentos de un solo componente fueron 1.8, 0.17 y 1.9 mg/g, respectivamente, mientras que los Kf para experimentos de multi-componente fueron 0.67, 0.35 and 0.81 mg/g, respectivamente. Los Kf para acenapteno, acenaptileno y fenantreno para experimentos de un solo componente fueron 10.2, 5.02 and 46.9 mg/g, respectivamente. Los Kf para los experimentos de multi-componente fueron 6.23, 4.38 and 11.1 mg/g, respectivamente. TCR además fue usado para remover los componentes de gasolina de soluciones acuosas. El análisis cualitativo mostró que todos los componentes en las muestras acuosas de gasolina de 30 mg/L fueron parcialmente removidos. Los componentes con alto peso molecular fueron completamente removidos usando 5 g/L de TCR. Un análisis de cromatografía usando monitoreo de un solo ion (SIM) permitió la cuantificación de la cantidad de tolueno y o-xileno presentes en las muestras acuosas de gasolina. La remoción (después de 6 horas de tiempo de contacto) de todos los compuestos de la gasolina fue 96%, y la remoción de tolueno y o-xileno en las muestras de gasolina fueron 73% y 86%, respectivamente, usando una concentración inicial de 30 mg/L de gasolina y 5 g/L de TCR. Un cromatógrafo de gas modificado y una columna empacada con 25g de TCR (mesh 14- 20) fueron usados para remover tolueno en fase gaseosa. El tolueno fue inyectado usando una bomba de jeringuilla constante a una proporción entre 0 y 30 µL/h. Isotermas de ab/adsorción fueron construidas cambiando la presión del sistema entre 0 y 50 psi. El valor ‘n’ y la capacidad de carga (Kf) calculadas fueron de 1.19 y 0.54 mg/g, respectivamente. La capacidad de carga para tolueno en fase gaseosa fue más grande que en fase acuosa. Una modificación de TCR usando microorganismos fue estudiada. Pseudmona sp. fue aislada e inmovilizada sobre TCR para mejorar su capacidad de remoción contra fenantreno. Después de 7 días, el TCR modificado (1.0 g/L) ab/adsorbió y degradó 92% de fenantreno. La remoción fue debida a la ab/adsorción de TCR (90) y a la biodegradación de los microorganismos (10%). La capacidad de ab/adsorción y su bajo costo, comparado con ab/adsorbentes disponibles comercialmente, hacen del TCR un ab/adsorbente prometedor para VOCs, PAHs y componentes de la gasolina en fase gaseosa y acuosa.