Arsenate removal from water by adsorption with magnetic nanoparticles (γ-Fe2O3)

Thumbnail Image
Files
isbn9789526050454.pdf (951.78 KB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-03-15
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2013
Department
Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan laitos
Department of Civil and Environmental Engineering
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
94 + app. 48
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 37/2013
Abstract
Arsenic is a poisonous and carcinogenic heavy metal that exists naturally on the earth’s crust, from where it can leach into the groundwater – a common water source worldwide. Therefore, arsenic-rich areas pose the risk of chronic exposure, which is prevented by removing arsenic from water using various technologies. Adsorption with conventional adsorbents, as activated alumina and iron-based adsorbents, is commonly applied for arsenic removal. This study introduces a nanoscale adsorbent, maghemite-magnetic nanoadsorbent, for arsenic removal. The overall aim of the study was to compile fundamental information on novel maghemite nanoparticles and their suitability for arsenic removal from water with laboratory—scale batch experiments. The study was conducted with three kinds of maghemites: sol-gel, mechanochemical, and commercial maghemite. Sol-gel maghemite was the main research target; the others were studied for reference. The research consisted of the preparation of maghemite nanoparticles and their characterization, the study of adsorption kinetics, an investigation of arsenate adsorption properties on maghemite, a determination of the adsorption mechanism, and the evaluation of maghemite stability and regeneration properties. The results indicated the applicability of sol-gel maghemite for arsenic removal by adsorption. The reasons are several: sol-gel maghemite synthesis is fast, convenient to work with and produces repeatedly high-quality particles, adsorbs arsenate satisfactorily, and there is no need for preliminary treatments prior to adsorption experiments: it is easy to handle and separate via an external magnet, it maintains its initial arsenate uptake capacity after six regeneration cycles, and it is stable, which are important factors for cost-effectiveness. And it produces only a small amount of “arsenate-maghemite” waste. Moreover, sol-gel maghemite is competitive with activated alumina in adsorbent properties. Both adsorbents need careful monitoring due to pH control, interference of other ions, and regeneration. Activated alumina can remove slightly more arsenate than sol-gel maghemite, but sol-gel maghemite is more stable, forms less waste, and is separated simply and rapidly by external magnet. 

Arseeni on myrkyllinen ja karsinogeeninen raskasmetalli, jota esiintyy kallio- ja maaperässä. Sieltä arseenia voi liueta pohjaveteen, joka on yleinen juomaveden lähde maailmanlaajuisesti. Arseenipitoisilla pohjavesialueilla kroonisen altistumisen riski on merkittävä ja altistumisen estämiseksi arseenia poistetaan juomavedestä erilaisilla tekniikoilla. Adsorptio perinteisillä adsorbenteillä, kuten aktivoidulla alumiinilla ja rautapohjaisilla adsorbenteillä, on yleisesti käytössä oleva arseenin poistomenetelmä. Tässä tutkimuksessa esitetään nanomittakaavan adsorbentti – maghemiitti – magneettinen nanoadsorbentti – arseenin poistoon. Tutkimuksen tavoitteena oli koota perustietoa uudesta maghemiittinanohiukkasesta ja sen soveltuvuudesta arsenaatin (As(V)), poistoon vedestä laboratoriomittakaavan kokeilla. Tutkimus tehtiin kolmella erilaisella maghemiitilla, jotka erosivat toisistaan käytetyssä synteesitekniikassa: sooli-geeli, mekanokemiallinen ja kaupallinen maghemiitti, joista sooli-geelitekniikalla valmistettu maghemiitti oli päätutkimuskohde. Muut maghemiitit olivat tutkimuksessa mukana vertailutasona. Tutkimuksessa valmistettiin ja karakterisoitiin maghemiittinanohiukkasia, tutkittiin adsorptio- ja desorptiokinetiikkaa sekä arsenaatin adsorptio-ominaisuuksia maghemiittiin, määritettiin adsorptiomekanismi ja arvioitiin maghemiitin stabiiliutta ja uudelleen regeneroitavuutta. Tulokset osoittivat sooli-geelisynteesillä valmistettujen maghemiittinanohiukkasten soveltuvan arseenin poistoon adsorptiotekniikalla. Maghemiitin syntetisointi sooli-geelitekniikalla on nopeaa, työskentely sujuvaa ja tuloksena on toistuvasti korkealaatuisia nanohiukkasia. Sooli-geeli maghemiitti adsorboi arsenaattia hyvin eikä esikäsittelyä tarvita ennen adsorptiokokeita, sitä on helppo käsitellä ja erottaa vedestä ulkoisella magneetilla. Maghemiitilla on useita taloudellisesti ja ympäristön kannalta tärkeitä ominaisuuksia: maghemiitti säilyttää alkuperäisen arseeniin adsoptiokyvyn kuuden regeneroinnin jälkeen, on stabiili ja tuottaa vain pienen määrän arseeni-maghemiitti jätettä. Lisäksi sooli-geeli maghemiitti on kilpailukykyinen adsorptio-ominaisuuksiltaan aktivoidun alumiinin kanssa. Molempien adsorbenttien käyttö vaatii huolellista valvontaa johtuen pH:n säätötarpeesta, vedessä olevien muiden ionien häiritsevästä vaikutuksesta ja regeneroinnista. Aktivoitu alumiini pystyy poistamaan hieman enemmän arsenaattia kuin sooli-geeli maghemiitti, mutta sooli-geeli maghemiitti on puolestaan stabiilimpi, muodostaa vähemmän jätettä ja erotus vedestä tapahtuu helposti ja nopeasti ulkoisella magneetilla.
Description
Supervising professor
Vahala, Riku, Prof., Aalto University, Finland
Keywords
arsenic removal, maghemite, magnetic nanoparticles, nanoadsorbents, adsorbents, water treatment, arseenin poisto, maghemiitti, magneettinen nanohiukkanen, nanoadsorbentti, adsorbetit, vedenpuhdistus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Tuutijärvi, T., Lu, J., Sillanpää, M., and Chen, G. (2009). As(V) adsorption on maghemite nanoparticles. Journal of Hazardous Materials, 166, pp. 1415-1420.
  • [Publication 2]: Tuutijärvi, T., Lu, J., Sillanpää, M., and Chen, G. (2010). Adsorption γ-Fe2O3 nanoparticles. Journal of Environmental Engineering, 136, pp. 897-905.
  • [Publication 3]: Tuutijärvi, T., Vahala, R., Sillanpää, M., and Chen, G. (2012). Maghemite nanoparticles for As(V) removal: desorption characteristics and adsorbent recovery. Environmental Technology, 33, pp. 1927-1936.
  • [Publication 4]: Tuutijärvi, T., Repo, E., Vahala, R., Sillanpää, M., and Chen, G. (2012). Effect of competing anions on arsenate adsorption onto maghemite nanoparticles. Chinese Journal of Chemical Engineering, 20, pp. 505-514.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-5045-4
Collections
[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG