Removal of cadmium (II), lead (II) and chromium (VI) in water with nanomaterials

Abstract

Resumen Un gran desafío para este siglo es el saneamiento de los residuos generados durante las actividades industriales, domésticas y agrícolas. El agua, como parte vital del ciclo de vida, está fuertemente afectada por estas actividades y finalmente se puede volver inutilizable. Entre los numerosos contaminantes que se encuentran en el agua, los metales pesados requieren atención especial ya que no son biodegradables y con frecuencia se acumulan en el medio ambiente causando efectos negativos, tanto a corto plazo como a largo plazo, incluso en bajas concentraciones. Los procesos de adsorción han demostrado ser economicament viables y eficientes en comparación con otras tecnologías, especialmente para la eliminación de contaminantes a partir de soluciones diluidas. Por consiguiente, el desarrollo de nuevos nanomateriales eficientes y de bajo coste para su aplicación en el tratamiento del agua y de las aguas residuales ha sido de gran interés en los últimos años, debido a las propiedades especiales, tales como alta reactividad y fuerte sorción. En este contexto, se ha estudiado la viabilidad de utilizar diferentes nanomateriales para la eliminación de cadmio (II), plomo (II) y cromo (VI) disueltos en agua. Los nanomateriales utilizados podrían agruparse en tres principales grupos: i) las nanopartículas (NPs) de óxidos metálicos (NMOs), óxido de cerio (CeO2), óxido de titanio (TiO2) y óxido de hierro (Fe3O4), ii) polímero, nanopartículas a base de catecol y iii) los nanomateriales con óxido de grafeno (GO) y NPs de CeO2 unidas a óxido de grafeno reducido (RGO). La viabilidad del uso de MNOs para la adsorción de Cd (II) disuelto se puso a prueba y se obtuvieron los parámetros cinéticos y de adsorción. Las NPs de CeO2 también se probaron con diferentes parámetros de funcionamiento, dos pH diferentes y en sistemas uni/multi componentes. Los experimentos de adsorción con las NPs de catecol se realizaron a la par con carbón activado, obteniéndose una mayor capacidad de adsorción con las NPs. También se realizaron ensayos con microorganismos bioluminiscentes y ensayos citotóxicos para evaluar la toxicidad del nanomaterial. Por último, se caracterizaron y utilizaron en procesos de adsorción GO y los nanomateriales CeO2/RGO. El ensamblaje de CeO2 en la superficie del GO siguió dos estrategias diferentes, el crecimiento in situ y el enfoque de auto-ensamblaje. En conclusión, los nanomateriales mostraron resultados prometedores en la eliminación de metales pesados, de esta manera se reafirma una vez más que los nanomateriales pueden ser utilizados como adsorbentes eficaces para el tratamiento de agua y de aguas residuales.

A great challenge for this century lies in cleaning-up the waste generated during industrial, domestic and agricultural activities. Water, as vital part of the life cycle is heavily affected by these activities and eventually, turns it unusable. Among the numerous contaminants found in water, heavy metals require special attention, as they are non-biodegradable, and often accumulate in the environment causing both short and long term adverse effects, even at low concentrations. The adsorption process proved to be economically feasible and efficient over other technologies, especially for removing pollutants from dilute solutions. In this sense new adsorbents based on nanomaterials are being extensively studied. With this in mind, the development of new, efficient and low cost nanomaterials for their application in water/wastewater has been of great interest in the last years, due to the special properties such as high reactivity and strong sorption. In this framework, the feasibility of using different nanomaterials for the removal of cadmium (II), lead (II) and chromium (VI) dissolved in water has been studied. The nanomaterials used could be grouped into three main groups: i) metal oxides nanoparticles (NMOs), cerium oxide (CeO2) titanium oxide (TiO2) and iron oxide (Fe3O4), ii) polymer, catechol-based nanoparticles (NPs) and iii) graphene oxide (GO)-based nanomaterials, CeO2 NPs attach to reduced graphene oxide (RGO). The viability of using NMOs for the adsorption of dissolved Cd (II) was tested obtaining the adsorption and kinetics parameters. CeO2 NPs also were tested with different operational parameters, two different pH and in single and multicomponent system. The catechol-based NPs adsorption experiments were performed at par with activated carbon, obtaining the higher adsorption capacity with the NPs. Bioluminescent test and cytotoxic assays also were performed in order to assess the toxicity of the nanomaterial. Finally, GO and CeO2/RGO nanomaterials were characterized and tested in adsorption process. The attachment of CeO2 to GO follow two different strategies, in situ-growth and self-assembly approach. In conclusion, nanomaterials showed promising results in the removal of heavy metals, and in this way is reaffirmed once again that nanomaterials can be used as effective adsorbents for water/wastewater treatment.