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

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.authorTuutijärvi, Tanja
dc.contributor.departmentYhdyskunta- ja ympäristötekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Civil and Environmental Engineeringen
dc.contributor.labWater and Environmental Engineeringen
dc.contributor.schoolInsinööritieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Engineeringen
dc.contributor.supervisorVahala, Riku, Prof., Aalto University, Finland
dc.date.accessioned2013-03-01T09:30:06Z
dc.date.available2013-03-01T09:30:06Z
dc.date.defence2013-03-15
dc.date.issued2013
dc.description.abstractArsenic 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. en
dc.description.abstractArseeni 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.fi
dc.format.extent94 + app. 48
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.isbn978-952-60-5045-4 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-5044-7 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/8786
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-5045-4
dc.language.isoenen
dc.opnTuhkanen, Tuula, Prof., Tampere University of Technology, Finland
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[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.
dc.relation.haspart[Publication 2]: Tuutijärvi, T., Lu, J., Sillanpää, M., and Chen, G. (2010). Adsorption γ-Fe2O3 nanoparticles. Journal of Environmental Engineering, 136, pp. 897-905.
dc.relation.haspart[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.
dc.relation.haspart[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.
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries37/2013
dc.revColvin, Vicky L., Prof., Rice University, The United States
dc.revAllen, Stephen J., Prof., Queen's University of Belfast, The United Kingdom
dc.subject.keywordarsenic removalen
dc.subject.keywordmaghemiteen
dc.subject.keywordmagnetic nanoparticlesen
dc.subject.keywordnanoadsorbentsen
dc.subject.keywordadsorbentsen
dc.subject.keywordwater treatmenten
dc.subject.keywordarseenin poistofi
dc.subject.keywordmaghemiittifi
dc.subject.keywordmagneettinen nanohiukkanenfi
dc.subject.keywordnanoadsorbenttifi
dc.subject.keywordadsorbetitfi
dc.subject.keywordvedenpuhdistusfi
dc.subject.otherChemistryen
dc.subject.otherEnvironmental scienceen
dc.subject.otherHydrologyen
dc.titleArsenate removal from water by adsorption with magnetic nanoparticles (γ-Fe2O3)en
dc.titleArsenaatin poistaminen vedestä adsorptiolla magneettisilla nanohiukkasilla (γ-Fe2O3)fi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_64219
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526050454.pdf
Size:
951.78 KB
Format:
Adobe Portable Document Format