Synthesis and evaluation of alginate coated magnetite nanoparticles for the removal of dyes from wastewater

Abstract

The discharge of wastewater from the dyeing industry is an environmental concern across the world. These effluents are considered highly toxic since they contain high concentrations of synthetic dyes, which are a great environmental concern due to their non-degradability and toxicity. A variety of procedures have been used for the remediation of synthetic dyes from water; however most have low efficiencies and are expensive. Adsorption has emerged as a promising remediation strategy, due to its high efficiency, and ease and low cost of operation. Adsorbent materials such as iron oxide nanoparticles are considered highly effective in the adsorption of synthetic dyes due to their easy functionalization, which can help enhance their adsorption capacity. In our study, we developed an eco-friendly iron oxide nanoparticles synthesis using sodium alginate as stabilizing agent and explored the material’s application in the adsorption of synthetic dyes from aqueous solutions. The synthesis was optimized by exploring different alginate to iron ratios, while parameters such as contact time, adsorbent amount and pH were evaluated in order to optimize the sorption uptake conditions of the methylene blue (MB) dye. In addition, the effect of co-existing ionic species in the adsorption process and the reusability of the adsorbent material were studied. The results showed that the presence of hydroxyl and carboxyl groups in the sodium alginate polymer act as a stabilizing agent and that iron oxide nanoparticles with diameters around 5-10 nm were successfully prepared (Alg-Fe3O4). Characterization and adsorption studies showed that the optimum alginate to iron ratio for the nanoparticles synthesis was 0.25. The determination of the point of zero charge (PZC) showed that the Alg-Fe3O4 nanoparticles has a negatively charged surface in a wide pH range and suggested the adsorption mechanism of the MB dye is governed by electrostatic attractions. The optimum sorption conditions were 60 minutes of contact time, 45 mg of adsorbent, and pH values above 5. The adsorption isotherm was well interpreted by the Langmuir model, with a maximum MB adsorption capacity of 114.87 mg/g at pH 7 and 127.98 mg/g at pH 9.2. The reusability of the nanoparticles was studied in a quantitative manner and it showed that the material could be effectively regenerated with methanol for further use. The adsorption capacity of the Alg-Fe3O4 nanoparticles was mainly affected by increasing concentration of monovalent and divalent cations, and the anionic methylorange (MO) dye. Adsorption of the MO dye was achieved by the synthetized Alg-Fe3O4 nanoparticles in the presence of MB. Overall, the results reported here provide new insights into the potential application of iron oxide nanoparticles, synthetized in the presence of sodium alginate, in the removal of synthetic dyes from wastewater.

La descarga de aguas residuales de la industria del teñido es una preocupación ambiental alrededor del mundo. Estos efluentes se consideran altamente tóxicos ya que contienen altas concentraciones de colorantes sintéticos, los cuales son una gran preocupación ambiental debido a su baja degradabilidad y alta toxicidad. Se han utilizado una variedad de procedimientos para la remediación de estos tintes sintéticos del agua; sin embargo, la mayoría tienen poca eficiencia y son costosos. La adsorción ha surgido como una estrategia de remediación prometedora, debido a su alta eficiencia y facilidad y bajo costo de operación. Los materiales adsorbentes como las nanopartículas de óxido de hierro se consideran altamente efectivos en la adsorción de tintes sintéticos debido a su fácil funcionalización que puede ayudar a mejorar su capacidad de adsorción. En nuestro estudio, desarrollamos una síntesis de nanopartículas de óxido de hierro eco amigable, utilizando alginato de sodio como agente estabilizador y exploramos su aplicación en la adsorción de tintes sintéticos a partir de soluciones acuosas. La síntesis se optimizó mediante la exploración de diferentes proporciones de alginato a hierro, mientras que se evaluaron parámetros como el tiempo de contacto, la cantidad de adsorbente y el pH para optimizar las condiciones de adsorción del tinte azul de metileno (MB). Además, se estudió el efecto de las especies iónicas coexistentes en el proceso de adsorción y la reutilización del material adsorbente. Los resultados mostraron que los grupos hidroxilo y carboxilo en el polímero de alginato de sodio actúan como agente estabilizador y que se prepararon con éxito nanopartículas de óxido de hierro con diámetros de alrededor de 5-10 nm (Alg-Fe3O4). Los estudios de caracterización y adsorción mostraron que la razón óptima de alginato a hierro para la síntesis de nanopartículas fue de 0.25. La determinación del punto de cero carga (PZC) mostró que las nanopartículas Alg-Fe3O4 tienen una superficie negativa en un amplio rango de pH y sugirió que el mecanismo de adsorción de MB se rige por atracciones electrostáticas. Las condiciones óptimas de sorción fueron 60 minutos de tiempo de contacto, 45 mg de adsorbente y valores de pH superiores a 5. La isoterma de adsorción fue bien interpretada por el modelo de Langmuir, con una capacidad máxima de adsorción de 114.87 mg/g a pH 7 y 127.98 mg/g a pH 9.2 para MB. La reutilización de las nanopartículas se estudió de manera cuantitativa y mostró que el material se puede regenerar eficazmente con metanol. La capacidad de adsorción de las nanopartículas Alg-Fe3O4 se vio afectada principalmente por el aumento en concentración de cationes monovalentes y divalentes, y por el tinte aniónico anaranjado de metilo (MO). La adsorción de MO se logró mediante las nanopartículas sintetizadas en presencia de MB. En general, los resultados informados aquí brindan nuevos conocimientos sobre la posible aplicación de nanopartículas de óxido de hierro, sintetizadas en presencia de alginato de sodio, en la eliminación de tintes sintéticos de las aguas residuales.