Synthesis and characterization of porous inorganic adsorbents for the removal of PPCPs via complexation and size exclusion principles

Abstract

Pharmaceutical and personal care products (PPCPs) are considered emerging contaminants that present great challenges for their remediation from water systems. Unfortunately, traditional water treatment methods are not suitable for the complete and efficient removal of PPCPs. Recent initiatives to overcome these limitations include, among other things, the removal of PPCPs using adsorption methods that could be easily implemented in traditional treatment facilities. The effort dedicated in the present work was focused on Faujasite synthetic zeolites (type Y) and inorganic-organic pillared clays (IOCs) adsorbents. Upon proper modification, these materials combined essential characteristics (i.e., hydrophobicity, stability, surface functionalization, etc.) in a synergistic way and suitable for the selective removal of groups of small to mid-size PPCPs. IOCs and Faujasite-type synthetic zeolite were modified via incorporation of transition metals (Co2+, Ni2+ or Cu2+) and a cationic surfactant (cetylpyridinium; CPY+) to induce enhanced adsorbate–adsorbent interactions at ambient temperature. In general, the incorporation of the transition metals onto IOCs enhanced the equilibrium adsorption capacities at acidic and natural pH, particularly at low PPCP concentrations. Moreover, non-equilibrium adsorption of salicylic acid, clofibric acid, carbamazepine and caffeine from water onto as-prepared and partially calcined transition metal containing IOCs fixed-beds revealed that both the multicomponent uptakes and selectivities were influenced by the type of transition metal employed and hydrophobicity of the adsorbate surface. For the modified zeolites, the adsorption equilibrium data showed that the best capacities were achieved when a transition metal/surfactant combination was employed. The salicylic acid equilibrium adsorption capacities, for example, increased as follows: (Ni2+, CPY+)-Y < (Na+, CPY+)-Y < (Co2+, CPY+)-Y < (Cu2+, CPY+)-Y. A remarkable selectivity toward salicylic acid over carbamazepine was evident in all cases, but the capacity for the latter also varied upon modification of the zeolite.

Productos farmacéuticos y de cuidado personal (PPCP) son considerados contaminantes emergentes que presentan grandes desafíos para su remediación en sistemas de agua. Desafortunadamente, los métodos tradicionales de tratamiento de agua no son adecuados para la eliminación completa y eficiente de los PPCP. Iniciativas recientes para superar estas limitaciones incluyen, entre otras cosas, la eliminación de PPCP utilizando métodos de adsorción que podrían implementarse fácilmente en instalaciones de tratamiento tradicionales. El esfuerzo dedicado en el presente trabajo se centra en adsorbentes como zeolitas sintéticas tipo faujasita (tipo Y) y inorgánicas-orgánicas arcillas pilarizadas (IOC). Bajo una modificación adecuada, estos materiales combinan las características esenciales (es decir, la hidrofobicidad , la estabilidad, la funcionalización de la superficie , etc) de una manera sinérgica y adecuado para la eliminación selectiva de los grupos de PPCPs de pequeño a mediano tamaño. IOC y la zeolita sintética tipo faujasita se modificaron a través de la incorporación de metales de transición (Co2 +, Ni2+ o Cu2+) y un surfactante catiónico (cetilpiridinio; CPY+) para inducir mejores interacciones adsorbato-adsorbente a temperatura ambiente. En general, la incorporación de los metales de transición en las IOC mejoro las capacidades de adsorción en equilibrio a pH ácido y natural, en particular a bajas concentraciones de PPCP. La adsorción en condiciones de no-equilibrio de ácido salicílico, ácido clofíbrico, carbamazepina y cafeína en agua sobre lechos fijos que contienen IOCs según preparadas y parcialmente calcinadas reveló que tanto las capacidades de absorción y selectividades en sistemas multi-componentes están influenciadas por el tipo de metal de transición empleado y la hidrofobicidad de la superficie del adsorbato. Para las zeolitas modificadas, los datos de equilibrio de adsorción mostraron claramente que se obtienen las mejores capacidades cuando se emplea una combinación de metal de transición/surfactante. Las capacidades de adsorción en equilibrio de ácido salicílico , por ejemplo , aumentaron de la siguiente manera : ( Ni2 +, CPY+ ) - Y < ( Na+, CPY + ) - Y < ( Co2 +, CPY+ )- Y < (Cu2 + , CPY+ )-Y . Una notable selectividad hacia el ácido salicílico sobre carbamazepina fue evidente en todos los casos, pero la capacidad de este último también varió sobre el tipo de modificación de la zeolita.