Zeolitic based adsorbents for the removal of siloxanes and derivatives from water

Abstract

Low molecular weight siloxanes and derivatives have been identified as problematic compounds in different environments, especially those detected in water bodies. The elimination of these contaminants is essential as it has been determined that they can cause negative impacts on health and the environment. In this matter, two zeolitic based adsorbents were synthesized to verify their potential for the removal of trimethylsilanol (TMS), dimethylsilanediol (DMSD) monomethylsilanetriol (MMST), and dimethyl sulfone (DMSO2). These adsorbent materials possess microporous structures but differ considerably in framework composition (i.e., pure silica zeolite (PSZ) vs. aluminosilicate-AC hierarchical composite). The first adsorbent material was selected for the test based on computational studies on structural interactions between PSZs and siloxanes, a large unidimensional microporous silicate, UTD-1(DON). On the other hand, a functionalized hierarchical Faujasite zeolite/carbon composite (CFAU) was synthesized, combining the hydrophobicity of a carbon phase with a zeolite phase for the effective removal of a series of siloxanes and a derivative. In order to provide electronic fields and enhance specific interactions between de surface and the contaminants, the zeolitic phase of the composite was modified with transition metal cations. The successful synthesis of transition metal functionalized hierarchical zeolites, and its high adsorption capacities toward contaminants from different environments are well documented. Both adsorbent materials (i.e., UTD-1 and CFAU) were fully characterized, and their performance in the siloxanes and derivatives adsorption was evaluated via single and multicomponent batch equilibrium adsorption tests at room temperature neutral pH conditions. Singles component adsorption data showed that UTD-1 has a large uptake capacity toward TMS, and its adsorption mechanism is mainly driven by the interaction with -OH groups present on the UTD-1 surface. Regarding the composite, in general, Ag+-CFAU showed a large uptake capacity toward TMS, DMSD, and DMSO2, but it shows a particular affinity toward DMSO2 mainly due to specific interactions between the metal and this molecule. The multicomponent equilibrium adsorption tests were conducted to understand the interactions between adsorbates and their competition for adsorption sites. These tests revealed that TMS enables significant uptake of other siloxanes and derivatives via co-adsorption.

Siloxanos de bajo peso molecular y derivativos se han identificado como compuestos problemáticos en diferentes ambientes, especialmente los detectados en cuerpos de agua. La eliminación de estos contaminantes es realmente importante, ya que se ha determinado que tienen impactos negativos en la salud y en el medio ambiente. Con esto en mente, dos adsorbentes zeolíticos se sintetizaron para evaluar su potencial en la eliminación de trimetilsilanol (TMS), dimetilsilanediol (DMSD), monometilsilanetriol (MMST) y dimetilsulfón (DMSO2). Ambos adsorbentes tienen estructuras microporosas, pero se diferencian considerablemente debido a la composición de su estructura (i.e., zeolita de sílice pura (PSZ) vs. Aluminosilicato/carbón compuesto jerárquico). El primero material adsorbente fue seleccionado en base a estudios computaciones sobre las interacciones estructurales entre PSZs y los siloxanos, este material llamado UTD-1(DON), es un silicato microporoso con un gran poro unidimensional. Por otra parte, un compuesto jerárquico funcionalizado de zeolita/carbón (CFAU) fue sintetizado, este material combina la hidrofobicidad de la fase carbonosa con una fase zeolítica de una serie de siloxanos y un derivativo de siloxano. Con el fin de proveer campos electrónicos y potencializar interacciones especificas entre adsorbente y contaminantes, la fase zeolíticos del compuesto fue modificada con cationes metálicos de transición. La síntesis de compuestos jerárquicos de zeolita-carbón funcionalizados con metales de transición y sus capacidades de absorción hacia contaminantes en diferentes ambientes esta bien documentada. Ambos materiales adsorbentes, UTD-1 y CFAU, fueron totalmente caracterizados y sus capacidades en la absorción de siloxanos y derivativos fue evaluada mediante pruebas de adsorción en equilibrio en sistemas unicomponente y multicomponente a temperatura ambiente y pH neutro. Los resultados mostraron que en sistemas unicomponentes UTD-1 tiene una alta capacidad de adsorción hacia TMS, y su mecanismo de adsorción podría estar mayormente dominado por interacción entre TMS y grupos hidroxilos (-OH) presentes en la superficie de UTD-1. En cuanto al material compuesto, en general Ag+-CFAU fue el material que mostro mayores capacidades de adsorción hacia TMS, DMSD, y DMSO2, entre estos tres la mayor afinidad fue con DMSO2 debido principalmente a interacciones especificas entre el sitio metálico y esta molécula. Las pruebas de adsorción en sistema multicomponente fueron realizadas con el fin de entender las interacciones que se dan entre los mismos contaminantes y la competencia por sitios de adsorción. En general, los resultados de esta prueba mostraron que TMS permite una adsorción significativa de otros siloxanos y derivados a través de coadsorción.