Environmental applications of functionalized activated carbon with iron oxyhydroxide nanoparticles.

Abstract

"Arsenic and sulfur are key pollutants whose presence determines the quality of water and air systems, respectively. Arsenic removal and desulfurization (of gas and diesel fuel) by activated carbon is an attractive option for pollution control. However, some limitations related to the capacity and selectivity of activated carbons must be overcome. The functionalization of activated carbon with iron oxyhydroxide has the potential of selectively removing those contaminants; however, a major challenge for material functionalization is the incorporation of reactive nanoparticles on its surface. This work demonstrated that it is possible to decrease the particle size, up to 2 nm, of iron oxyhydroxides anchored on activated carbon by using phosphate as a capping agent during ferric chloride forced hydrolysis, which in turn allowed the modified adsorbent to uptake arsenic and sulfur from liquid and gas phase. The modified material has a large surface area of 900 m2/g and a low iron content of about 1%, consisting of small nanoparticles of about 2 nm. The results demonstrated that phosphate is acting only as a capping agent, decreasing the particle size of iron oxyhydroxides and leaving the active sites on these available for adsorption of pollutants. The decrease in iron particle size from 30 to 2 nm, anchored on activated carbon led to an increase in arsenic(V) uptake of about 60%. It is also proposed that at pH 7 two arsenic(V) adsorption mechanisms can be carried out simultaneously in iron-modified activated carbons: a ligand interchange between arsenates and iron oxyhydroxide nanoparticles and electrostatic attraction between arsenate and the adsorbent basic surface groups. On the other hand, the functionalization of activated carbon with iron increased its reactive adsorption capacity of sulfur dioxide from gas phase. Iron nanoparticles provided highly dispersed adsorption sites for sulfur dioxide molecules and thus increased the adsorption capacity by about 80%. Furthermore, the incorporation of reactive iron oxyhydroxides enabled the formation of Fe2(SO4)3 on the adsorbents surface, which dismissed the acidification of the medium after sulfur dioxide elimination. The functionalization of activated carbons with iron nanoparticles was also effective for the adsorption and oxidation of sulfur compounds from model diesel fuel."

"El arsénico y el azufre son contaminantes prioritarios que determinan la calidad del agua y el aire. La remoción de arsénico y la desulfuración (de gas y diésel) mediante carbón activado es una opción atractiva como técnica de mitigación ambiental. Sin embargo, existen algunas limitaciones relacionadas con la capacidad y la selectividad de adsorción del carbón activado que deben ser superadas. La funcionalización del carbón activado con hidro(óxidos) de hierro tiene el potencial de remover selectivamente los contaminantes mencionados, sin embargo, el mayor reto durante la funcionalización del material es el anclaje de nanopartículas reactivas sobre su superficie. Este trabajo demostró que es posible reducir el tamaño de partícula de hidro(óxidos) de hierro anclados en carbón activado hasta 2 nm, mediante el uso de fosfato como agente acomplejante durante la hidrólisis forzada del cloruro férrico, que a su vez, permite que el material modificado adsorba arsénico y azufre de las fases líquida y gas. El material modificado tiene una elevada área específica de 900 m2/g y aproximadamente 1% de hierro, en la forma de pequeñas nanopartículas de hidro(óxidos) de aproximadamente 2 nm. Los resultados demostraron que el fosfato actúa únicamente como un agente acomplejante, disminuyendo el tamaño de partícula de los hidro(óxidos) de hierro y dejando los sitios activos disponibles para la adsorción de moléculas. La disminución en el tamaño de partículas (30 a 2 nm) ancladas en el carbón activado incrementó 60% la capacidad de adsorción de arsénico(V). Se propone que a pH 7, dos mecanismos de adsorción de arsénico(V) operan simultáneamente en materiales modificados con hierro: 1. intercambio de ligandos entre los arsenatos y las nanopartículas de hidro(óxidos) de hierro y 2. atracción electrostática entre arsenato y grupos superficiales básicos del adsorbente. Por otra parte, la funcionalización del carbón activado con hierro aumentó su capacidad de adsorción reactiva de dióxido de azufre en una corriente gaseosa. Nanopartículas de hierro brindaron una alta concentración de sitios de adsorción para las moléculas de dióxido de azufre y con esto, se incrementó la capacidad de adsorción en un 80%. Además, la incorporación de las nanopartículas de hidro(oxido) de hierro permitió la formación de Fe2(SO4)3 en la superficie del adsorbente, lo que contribuyó a una menor acidificación del medio después de la eliminación del dióxido de azufre."