Characterization of adsorption processes for the removal of metal ions from waste effluents using biosorbents and graphene-based sorbents. Studies in Batch and in fixed-bed column

Abstract

Wastewater discharged from industrial and agricultural activities contains relatively large amounts of toxic metal ions, especially including Cd(II), Cu(II), Pb (II), and Cr(VI). The removal of these pollutants is of great interest from both health and environmental perspectives. Arsenic contamination, generally associated with the geochemical environment, is a global threat due to its acute toxicity and carcinogenicity. The oxidation of different mineral species due to the redox conditions causes arsenic to become soluble and enter into the surrounding environment through drainage water. Conventional technologies for wastewater treatment and water purification such as precipitation, coagulation-flocculation, membrane processes, electrodialysis and ion-exchange are of limited utility due to their high cost, inefficiency in removing low metal concentrations, and sometimes also because they can generate large volumes of sludge. Adsorption is an attractive alternative due to its simplicity, its ability to remove trace amounts of metal ions, low cost, short operation time, and for the capacity for the material to be reused. Sorption processes are based on physical adsorption, chemical adsorption and ion exchange mechanisms. Among the different sorbent materials, activated carbon is the most widely used despite its high initial cost together with its regeneration costs. In the search for highly efficient, eco-friendly and economic adsorbents, agricultural waste and by-products from forest industries, including tea waste, coffee, hulls and shells from different nuts, sawdust, barks, cellulosic and lignocellulosic waste, corncobs, rice hulls, olive cake, fruit peels, sugar beet pulp, palm fruit bunch, maize leaves, among others, have been evaluated as biosorbents. They all typically have a good capacity to adsorb metal ions due to their porous structure and the fact that they have having carboxyl, hydroxyl, and other functional groups on their surface. The type of functional groups and chemical components of lignocellulosic materials makes them a good alternative adsorbent to treat contaminated effluents. The costs of these treatments will be low if the most suitable locally available biosorbents are used. Hence, in our case, we have evaluated lignocellulosic agroindustrial waste that is available in the Mediterranean region, such as olive stones and pine cones, as efficient biosorbents for the removal of toxic metal ions such as Pb(II), Cu(II), Cd(II) and Cr(VI)

Les aigües residuals generades per activitats agrícoles i industrials diverses contenen quantitats relativament grans d’ions metàl·lics tòxics, entre els què s’inclouen els ions Cd(II), Cu(II), Pb(II) i Cr(VI). L’eliminació d’aquests contaminants té un gran interès tant des de la perspectiva de la salut com del medi ambient. La contaminació per arsènic, generalment associada a l’entorn geoquímic, és un problema mundial a causa de la seva aguda toxicitat i carcinogenicitat. L'oxidació de diferents espècies minerals a causa de les condicions redox del medi aquàtic fa que l'arsènic sigui soluble i entri al medi ambient a través de l'aigua de drenatge. Les tecnologies convencionals per tractar les aigües residuals i depurar les aigües, com la precipitació, la coagulació-floculació, els processos de membrana, l’electrodiàlisi i l’intercanvi iònic, són d’utilitat limitada pel seu alt cost, la seva ineficiència en l’eliminació de baixes concentracions de metalls i, de vegades, també perquè poden generar grans volums de fangs. L’adsorció és un tractament alternatiu d’interès atesa la seva simplicitat, la seva capacitat d’eliminar ions metàl·lics a nivell de traces, el seu baix cost, curt temps d’operació i la potencial reutilització dels adsorbents. L’adsorció es pot basar en processos d’adsorció física, adsorció química i d’intercanvi iònic. Entre els diferents materials absorbents, el carbó actiu és el més utilitzat malgrat el seu preu elevat i els costos de regeneració. Com adsorbents alternatius, eficients i ecològics s’ha proposat l’ús de residus agrícoles i subproductes derivats de les indústries forestals, entre els que cal esmentar, entre d’altres, els residus de te i cafè, closques de diferents fruits secs, serradures, escorces, panotxes de blat de moro, pellofes d’arròs, pells de fruita, polpa de remolatxa sucrera, raïm de palma, fulles de blat de moro, i, en general, tot tipus de residus cel·lulòsics i lignocel·lulòsics. Molts d’aquests biosorbents han mostrat tenir una bona capacitat d’adsorció d’ions metàl·lics atesa la seva estructura porosa i la presència de grups funcionals carbonil, carboxil, hidroxil i d’altres tipus com amino o tiol en la superfície del biosorbent. . El tipus de grups funcionals i composició química dels materials lignocel·lulòsics fa que siguin una bona alternativa a altres adsorbents pel tractament d’efluents contaminats. Els costos d’aquests tractaments serien baixos si s’utilitzen els biosorbents adients disponibles localment. Per tant, en el nostre cas, s’han seleccionat residus agro-industrials lignocel·lulòsics disponibles a la regió mediterrània, com els pinyols d’oliva i les pinyes (estròbils), i s’ha avaluat la seva eficiència en l’eliminació d’ions metàl·lics tòxics com Pb(II), Cu(II), Cd(II) i Cr(VI)