Waste Water Treatment Using Low Cost Natural Adsorbents

Heavy metals are major toxic pollutants with severe health effects on humans. They are released into the environment from a variety of industrial activities. Cadmium, lead, zinc, chromium and copper are the most toxic metals of widespread use in industries such as tanning, electroplating, electronic equipment manufacturing and chemical processing plants. Heavy metals contribute to a variety of adverse health environmental effects due to their acute and chronic exposure through air, water and food chain. Conventional treatment methods of metal removal are often limited by their cost and ineffectiveness at low concentrations. Adsorption, the use of inactivated biomass as adsorbents offers an attractive potential alternative to their conventional methods. Mango peel and Alisma plantago aquatica are naturally occurring and abundant biomass can offer an economical solution for metal removal.The Cd(II), Pb(II), Zn(II), Cr(III) and Cu(II) adsorption by milled adsorbents of mango peel and Alisma plantago aquatica were evaluated in batches.

“Catalysis by Nanocrystalline Ceria Modified with Transition Metals”

The objective of the present work is to improve the textural and structural properties of cerium oxide by the incorporation of transition metals as well as sulphate ions. We have incorporated tungsten, molybdenum and chromium oxide into pure as well as sulphated cerium oxide and the catalytic systems thus prepared were characterised using various techniques. lndustrially important reactions such as acetalization and deacetalization, oxidative dehydrogenation of ethylbenzene, MTBE synthesis and Beckmann rearrangement of cinnamaldoxime and salicylaldoxime have been selected for the measurement of the catalytic activity of the systems. The work is presented in eight chapters

Toxic Metal Distribution in the Core Sediment of Cochin Estuarine System (CES)

This article present the result from a study of two sediment cores collected from the environmentally distinct zones of CES. Accumulation status of five toxic metals: Cadmium (Cd), Chromium (Cr), Cobalt (Co), Copper (Cu) and Lead (Pb) were analyzed. Besides texture and CHNS were determined to understand the composition of the sediment. Enrichment Factor (EF) and Anthropogenic Factor (AF) were used to differentiate the typical metal sources. Metal enrichment in the cores revealed heavy load at the northern (NS1 ) region compared with the southern zone (SS1). Elevation of metal content in core NS1 showed the industrial input. Statistical analyses were employed to understand the origin of metals in the sediment samples. Principal Component Analysis (PCA) distinguishes the two zones with different metal accumulation capacity: highest at NS1 and lowest at SS1. Correlation analysis revealed positive significant relation only in core NS1, adhering to the exposition of the intensified industrial pollution

Studies on Landfill Leachate Transportation and Its Impact on Soil Characteristics

Leachate from an untreated landfill or landfill with damaged liners will cause the pollution of soil and ground water. Here an attempt was made to generate knowledge on concentrations of all relevant pollutants in soil due to municipal solid waste landfill leachate and its migration through soil and also to study the effect of leachate on the engineering properties of soil. To identify the pollutants in soil due to the leachate generated from municipal solid waste landfill site, a case study on an unlined municipal solid waste landfill at Kalamassery has been done. Soil samples as well as water samples were collected from the site and analysed to identify the pollutants and its effect on soil characteristics. The major chemicals in the soil were identified as Ammonia, Chloride, Nitrate, Iron, Nickel, Chromium, Cadmium etc.. Engineering properties of field soil samples show that the chemicals from the leachate of landfill may have effect on the engineering properties of soil. Laboratory experiments were formulated to model the field around an unlined MSW landfill using two different soils subjected to a synthetic leachate. The Maximum change in chemical concentration and engineering property was observed on soil samples at a radial distance of 0.2 m and at a depth of 0.3 m. The pollutant (chemicals) transport pattern through the soil was also studied using synthetic leachate. To establish the effect of pollutants (chemicals) on engineering properties of soil, experiments were conducted on two types soils treated with the synthetic chemicals at four different concentrations. Analyses were conducted after maturing periods of 7, 50, 100 and 150 days. Test soils treated with maximum chemical concentration and matured for 150 days were showing major change in the properties. To visualize the flow of pollutants through soil in a broader sense, the transportation of pollutants through soil was modeled using software ‘Visual MODFLOW’. The actual field data collected for the case study was used to calibrate the modelling and thus simulated the flow pattern of the pollutants through soil around Kalamassery municipal solid waste landfill for an extent of 4 km2. Flow was analysed for a time span of 30 years in which the landfill was closed after 20 years. The concentration of leachate beneath the landfill was observed to be reduced considerably within one year after closure of landfill and within 8 years, it gets lowered to a negligible level. As an environmensstal management measure to control the pollution through leachate, permeable reactive barriers are used as an emerging technology. Here the suitability of locally available materials like coir pith, rice husk and sugar cane bagasse were investigated as reactive media in permeable reactive barrier. The test results illustrates that, among these, coir pith was showing better performance with maximum percentage reduction in concentration of the filtrate. All these three agricultural wastes can be effectively utilized as a reactive material. This research establishes the influence of leachate of municipal solid waste landfill on the engineering properties of soil. The factors such as type of the soil, composition of leachate, infiltration rate, aquifers, ground water table etc., will have a major role on the area of influence zone of the pollutants in a landfill. Software models of the landfill area can be used to predict the extent and the time span of pollution of a landfill, by inputting the accurate field parameters and leachate characteristics. The present study throws light on the role of agro waste materials on the reduction of the pollution in leachate and thus prevents the groundwater and soil from contamination

Posta a punt, automatització i validació d’una tècnica analítica per a la determinació de crom (VI) en continu mitjançant espectroscòpia d’absorció molecular

La determinació de Cr(VI) en l’aigua per espectroscòpia d’absorció molecular a la regió visible es realitza mitjançant una tècnica colorimètrica per reacció amb un reactiu cromogènic. El Cr(VI) reacciona amb la 1,5-Difenilcarbacida formant un complex de color vermell-violeta que absorbeix radiació a la longitud d’ona de 540 nm. Tradicionalment, la determinació de Cr(VI) per colorimetria es realitza de forma manual i discontínua, essent un mètode repetitiu i laboriós que té implícit un cost de mà d’obra i de temps considerable, tant pel que es refereix a la preparació de les mostres i dels patrons, com al propi acte de la mesura a l’aparell. Aquest projecte s’ha realitzat sota la idea que les determinacions de Cr(VI) per colorimetria, poden complir els requisits bàsics operacionals dels mètodes d’anàlisi de flux en continu. Partint d’aquesta base, s’ha desenvolupat un nou equip de mesura per realitzar les determinacions de Cr(VI) amb una presa de mostres automatitzada, i un règim de treball en continu. L’objectiu d’aquest projecte és la posta a punt, automatització, i validació de la tècnica d’anàlisi instrumental de determinació de crom (VI) en continu per espectroscòpia molecular visible

Les Deixalles contra el crom

La nova alquímia consisteix a trobar un producte a les deixalles que sigui útil per transformar un residu contaminant en un altre d’innocu. D’alguna manera els científics busquen convertir el plom en or

Construcció d'un elèctrode d'ió selectiu amb membrana de PVC i marro de cafè com a ionòfor

Els elèctrodes són instruments d’anàlisi molt emprats per la seva gran eficiència, fàcil utilització, de resposta “in situ” i que ocupen poc espai. Tot i això, existeix una problemàtica actual dels elèctrodes, que és la no comercialització d’elèctrodes per tots els metalls que trobem dissolts en solucions d’interès analític. Per aquest motiu s’estudien possibles substàncies dins la formació de la membrana dels elèctrodes, ionòfors, que reaccionin amb espècies iòniques amb inexistència d’elèctrodes comercials. S’han dut a terme estudis amb residus vegetals com a ionòfors. Algunes dels biomaterials estudiats són la rapa i la iohimbe per a la detecció del Cr(VI) i l’Hg(II). Aquestes han sigut les motivacions que han dut a construir un elèctrode de ió selectiu amb membrana de PVC i marro de cafè com a ionòfor, i seguidament avaluar-ne la seva resposta

Adsorció de crom (VI) i crom (III) en solució amb closca de cranc

En l’eliminació del crom en suspensió de les aigües residuals de les indústries es realitzen dos processos: una precipitació en medi àcid on es redueix el crom (VI) a crom (III) en què s’elimina la major part del crom, i el següent tractament es fa per bescanvi iònic o per adsorció. Els adsorbents emprats actualment tenen un elevat cost i s’està estudiant nous adsorbents, com a substituts dels tradicionals, de baix cost. Dins d’aquest adsorbents de baix cost es troben els bioadsorbents, biomaterials amb gran capacitat d’adsorció. L’objectiu del projecte es va centrar en l’estudi de l’adsorció de crom trivalent i hexavalent en solucions aquoses utilitzant com a adsorbent el residu industrial de closca de cranc, provinent d’una indústria alimentària de barretes de cranc

Aprofitament de residus vegetals per a la concentració i separació d'ions metàl·lics de solucions aquoses

La adsorció sobre carbó actiu és un tractament habitual para a l'eliminació de metalls contaminants d'afluents aquosos. Amb la finalitat de reduir el cost dels tractament actuals s'està estudiant la utilització d'adsorbents de baix cost com a substituts dels sorbents convencionals que s'utilitzen usualment en els tractaments d'aigües. En aquesta tesi s'ha avaluat la possibilitat d'aprofitar diversos residus vegetals procedents de processos agrícoles o residus industrials, com a sorbents per a l'eliminació de metalls de solucions aquoses. En concret, el treball s'ha centrat en assolir dos grans objectius, primer de tot, conèixer la possibilitat d'utilitzar el pinyol d'oliva com a adsorbent de metalls divalents de solucions aquoses, com són el Cd(II), Cu(II), Ni(II) i Pb(II), i en segon lloc, avaluar la utilització de quatre residus vegetals (escorça de yohimbe, rapa de raïm, suro i pinyol d'oliva) per a l'extracció de Cr(VI) de solucions aquoses i utilitzar el residu vegetal més apropiat com a base per tal d'obtenir un nou sorbent, amb més bona morfologia per ser utilitzat en sistemes d'eliminació de Cr(VI) en continu. Les dades cinètiques d'adsorció es van tractar amb el model cinètic de pseudo-segon ordre, amb el que es van determinar la velocitat inicial d'adsorció dels metalls. Els models d'isotermes d'equilibri de Langmuir i Freundlich es van utilitzar per descriure els equilibris d'adsorció i calcular els paràmetres de les isotermes. En els assajos amb mescles binàries de metalls, els resultats es van tractar amb el model ampliat de Langmuir. En aquest treball s'ha determinat, primerament, que el pinyol d'oliva és un bon sorbent dels metalls divalents estudiats. S'ha determinat que l'adsorció dels metalls varia amb el pH de la solució i que la presència de sals en la solució provoca una davallada en l'adsorció. També es va determinar la competència en l'adsorció entre els metalls al realitzar assajos en mescles binàries. Amb els estudis d'extracció de Cr(VI) amb els quatre materials s'ha determinat que aquests vegetals poden adsorbir el Cr(VI) en solució, tot i que la rapa i la yohimbe són els materials que presenten unes capacitats d'adsorció més elevades. Les anàlisis amb espectroscòpia electrònica de Raig-X realitzats en la rapa de raïm i la yohimbe en contacte amb Cr(VI) varen demostrar la presència del metall en els dos estats d'oxidació, Cr(VI) i Cr(III), evidenciant la participació del mecanisme de reducció de Cr(VI) en l'adsorció del metall sobre els materials. Amb l'encapsulació de la rapa de raïm es va incrementar significativament la capacitat d'adsorció del metall respecta a la seva utilització en la forma original. Les dades experimentals es van tractar amb un model de difusió i es va determinar el coeficient de difusió en l'adsorció en el sorbent amb diferent percentatge de rapa en l'interior. Finalment s'han realitzat estudis preliminars d'adsorció de crom hexavalent en continu utilitzant columnes de petites dimensions farcides amb el sorbent format per boles de rapa encapsulada en alginat càlcic. En aquests assajos s'ha determinat l'efecte en l'adsorció de metall de diversos paràmetres d'operació, com la concentració inicial de metall, el cabal i l'alçada de llit. El model de transferència de matèria i difusió en columna emprat pel tractament de les dades experimentals va mostrar l'efecte de la concentració inicial i del cabal en els coeficients de difusió i transferència de matèria. El model BDST no va predir correctament el temps de servei en els diferents paràmetres d'operació experimentats a causa de la complexitat del procés d'adsorció. Amb aquests assajos preliminars s'han establert les bases de l'adsorció de Cr(VI) amb el nou sorbent en sistemes en continu amb la finalitat de realitzar estudis posteriors d'eliminació del metall en columnes de majors dimensions.

Avaluació de la toxicitat de metalls pesants i arsènic en diferents models biològics

En aquest estudi, la toxicitat de diversos metalls pesants i l'arsènic va ser analitzada utilitzant diferents models biològics. En la primera part d'aquest treball, el bioassaig de toxicitat Microtox, el qual està basat en la variació de l'emissió lumínica del bacteri luminiscent Vibrio fischeri, va ser utilitzat per establir les corbes dosi-resposta de diferents elements tòxics com el Zn(II), Pb(II), Cu(II), Hg(II), Ag(I), Co(II), Cd(II), Cr(VI), As(V) i As(III) en solucions aquoses. Els experiments es varen portar a terme a pH 6.0 i 7.0 per tal de mostrar que el pH pot influir en la toxicitat final mesurada d'alguns metalls degut als canvis relacionats amb la seva especiació química. Es varen trobar diferents tipus de corbes dosi-resposta depenent del metall analitzat i el pH del medi. En el cas de l'arsènic, l'efecte del pH en la toxicitat de l'arsenat i l'arsenit es va investigar utilitzant l'assaig Microtox en un rang de pHs comprès entre pH 5.0 i 9.0. Els valors d'EC50 determinats per l'As(V) disminueixen, reflectint un augment de la toxicitat, a mesura que el pH de la solució augmenta mentre que, en el cas de l'As(III), els valors d'EC50 quasi bé no varien entre pH 6.0 i 8.0 i només disminueixen a pH 9.0. HAsO42- i H2AsO3- es varen definir com les espècies més tòxiques. Així mateix, una anàlisi estadística va revelar un efecte antagònic entre les espècies químiques d'arsenat que es troben conjuntament a pH 6.0 i 7.0. D'altra banda, els resultats de dos mètodes estadístics per predir la toxicitat i les possibles interaccions entre el Co(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II) i Pb(II) en mescles binàries equitòxiques es varen comparar amb la toxicitat observada sobre el bacteri Vibrio fischeri. L'efecte combinat d'aquests metalls va resultar ser antagònic per les mescles de Co(II)-Cd(II), Cd(II)-Zn(II), Cd(II)-Pb(II) i Cu(II)-Pb(II), sinèrgic per Co(II)-Cu(II) i Zn(II)-Pb(II) i additiu en els altres casos, revelant un patró complex de possibles interaccions. L'efecte sinèrgic de la combinació Co(II)-Cu(II) i la forta disminució de la toxicitat del Pb(II) quan es troba en presència de Cd(II) hauria de merèixer més atenció quan s'estableixen les normatives de seguretat ambiental. La sensibilitat de l'assaig Microtox també va ser determinada. Els valors d'EC20, els quals representen la toxicitat llindar mesurable, varen ser determinats per cada element individualment i es va veure que augmenten de la següent manera: Pb(II) < Ag(I) < Hg(II)  Cu(II) < Zn(II) < As(V) < Cd(II)  Co(II) < As(III) < Cr(VI). Aquests valors es varen comparar amb les concentracions permeses en aigues residuals industrials establertes per la normativa oficial de Catalunya (Espanya). L'assaig Microtox va resultar ser suficientment sensible per detectar els elements assajats respecte a les normes oficials referents al control de la contaminació, excepte en el cas del cadmi, mercuri, arsenat, arsenit i cromat. En la segona part d'aquest treball, com a resultats complementaris dels resultats previs obtinguts utilitzant l'assaig de toxicitat aguda Microtox, els efectes crònics del Cd(II), Cr(VI) i As(V) es varen analitzar sobre la taxa de creixement i la viabilitat en el mateix model biològic. Sorprenentment, aquests productes químics nocius varen resultar ser poc tòxics per aquest bacteri quan es mesura el seu efecte després de temps d'exposició llargs. Tot i això, en el cas del Cr(VI), l'assaig d'inhibició de la viabilitat va resultar ser més sensible que l'assaig de toxicitat aguda Microtox. Així mateix, també va ser possible observar un clar fenomen d'hormesis, especialment en el cas del Cd(II), quan s'utilitza l'assaig d'inhibició de la viabilitat. A més a més, diversos experiments es varen portar a terme per intentar explicar la manca de toxicitat de Cr(VI) mostrada pel bacteri Vibrio fischeri. La resistència mostrada per aquest bacteri podria ser atribuïda a la capacitat d'aquest bacteri de convertir el Cr(VI) a la forma menys tòxica de Cr(III). Es va trobar que aquesta capacitat de reducció depèn de la composició del medi de cultiu, de la concentració inicial de Cr(VI), del temps d'incubació i de la presència d'una font de carboni. En la tercera part d'aquest treball, la línia cel·lular humana HT29 i cultius primaris de cèl·lules sanguínies de Sparus sarba es varen utilitzar in vitro per detectar la toxicitat llindar de metalls mesurant la sobreexpressió de proteines d'estrès. Extractes de fangs precedents de diverses plantes de tractament d'aigues residuals i diferents metalls, individualment o en combinació, es varen analitzar sobre cultius cel·lulars humans per avaluar el seu efecte sobre la taxa de creixement i la capacitat d'induir la síntesi de les proteïnes Hsp72 relacionades amb l'estrès cel·lular. No es varen trobar efectes adversos significatius quan els components s'analitzen individualment. Nogensmenys, quan es troben conjuntament, es produeix un afecte advers sobre tan la taxa de creixement com en l'expressió de proteins d'estrès. D'altra banda, cèl·lules sanguínies procedents de Sparus sarba es varen exposar in vitro a diferents concentracions de cadmi, plom i crom. La proteïna d'estrès HSP70 es va sobreexpressar significativament després de l'exposició a concentracions tan febles com 0.1 M. Sota les nostres condicions de treball, no es va evidenciar una sobreexpressió de metal·lotioneïnes. Nogensmenys, les cèl·lules sanguínies de peix varen resultar ser un model biològic interessant per a ser utilitzat en anàlisis de toxicitat. Ambdós models biològics varen resultar ser molt adequats per a detectar acuradament la toxicitat produïda per metalls. En general, l'avaluació de la toxicitat basada en l'anàlisi de la sobreexpressió de proteïnes d'estrès és més sensible que l'avaluació de la toxicitat realitzada a nivell d'organisme. A partir dels resultats obtinguts, podem concloure que una bateria de bioassaigs és realment necessària per avaluar acuradament la toxicitat de metalls ja que existeixen grans variacions entre els valors de toxicitat obtinguts emprant diferents organismes i molts factors ambientals poden influir i modificar els resultats obtinguts.

Valorisation of industrial wastes for the removal of metals and arsenic from aqueous effluents

En la presente tesis se han realizado estudios de eliminación de metales pesados y arsénico de aguas contaminadas mediante procesos de adsorción sobre materiales de bajo coste. Dichos materiales son, en todos los casos, subproductos de industrias agroalimentarias o metalúrgicas.La tesis consta de diferentes capítulos enmarcados en tres secciones: (i) Eliminación de cromo hexavalente y trivalente (ii) Eliminación de cationes divalentes de metales pesados en presencia de complejantes y en mezclas multimetálicas y (iii) Eliminación de arsénico utilizando un subproducto de la industria de cromados metálicos como adsorbente. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que ciertos residuos industriales pueden ser utilizados como adsorbentes en la detoxificación de efluentes contaminados con metales pesados. La tecnología propuesta representa una alternativa sostenible y de bajo coste frente a los tratamientos actuales más costosos y dependientes, en muchas ocasiones, de productos derivados del petróleo.

Development of chemical separation processes for the treatment and monitoring of metallic cations and oxoanions in polluted waters

The chemical contamination of natural waters is a global problem with a worldwide impact. Considering the relevance of this problem, this thesis is intended, on one hand, to develop different separation/preconcentration techniques based on membranes ability to permeate anions for the transport of toxic oxyanions of chromium(VI) and arsenic contained in aqueous matrices. In particular, we have investigated supported liquid membranes and polymer inclusion membranes, both of which contain the commercial quaternary ammonium salt Aliquat 336 as a carrier, as well as commercial anion exchange membranes. On the other hand, we have focused on the development of chemical sensors to facilitate the monitoring of several metals from different aqueous matrices. Thus, a selective optical sensor for Cr(VI) based on polymeric membranes containing Aliquat 336 as an ionophore has been designed. Additionally, mercury-based screen-printed electrodes have been evaluated for for cadmium, lead, copper and zinc detection.

Simulating metals and mine discharges in river basins using a new integrated catchment model for metals: pollution impacts and restoration strategies in the Aries-Mures river system in Transylvania, Romania

The INtegrated CAtchment (INCA) model has been developed to simulate the impact of mine discharges on river systems. The model accounts for the key kinetic chemical processes operating as well as the dilution, mixing and redistribution of pollutants in rivers downstream of mine discharges or acid rock drainage sites. The model is dynamic and simulates the day-to-day behaviour of hydrology and eight metals (cadmium, mercury, copper, zinc, lead, arsenic, manganese and chromium) as well as cyanide and ammonia. The model is semi-distributed and can simulate catchments, sub-catchment and in-stream river behaviour. The model has been applied to the Roia Montan Mine in Transylvania, Romania, and used to assess the impacts of old mine adits on the local catchments as well as on the downstream Aries and Mures river system. The question of mine restoration is investigated and a set of clean-up scenarios investigated. It is shown that the planned restoration will generate a much improved water quality from the mine and also alleviate the metal pollution of the river system.

Digestion, rumen fermentation and circulating concentrations of insulin, growth hormone and IGF-1 in steers given maize silages harvested at three stages of maturity

Advancing maturity of forage maize is associated with increases in the proportion of dry matter (DM) and starch and decreases in the proportions of structural carbohydrates in the ensiled crop. Three maize silages (286 (low, L), 329 (medium, M) and 379 (high, H) g DM per kg fresh weight) plus a concentrate formulated to give isonitrogenous intakes were offered to Holstein-Friesian steers fitted with a cannula in the dorsal sac of the rumen and a 'T' piece cannula in the proximal duodenum in an experiment with a cross-over design that allowed four collection periods. Nutrient flow to the duodenum was estimated using chromium-EDTA. Steers consumed approximately 0(.)6 kg DM per day less of diet L compared with the other two diets (P=0(.)026), resulting in less DM being digested (P=0(.)005) but digestibility did not differ between diets. Similar results were obtained for organic matter. There were no differences between diets in the intake or digestibility of neutral-detergent fibre. Intake, duodenal flow and faecal output of starch were greater for steers offered diets M and H compared with those given diet L (P < 0(.)05). In all diets rumen digestion contributed to over 90% of total digestion of starch, although rumen digestibility declined significantly with advancing maize maturity (P=0(.)002). Molar proportions of acetic acid were higher in diet H (P < 0(.)05) whilst proportions of propionic acid and n-butyric acid were higher in diets M and L. There were no significant differences between diets in mean rumen pH or ammonia concentrations. Mean circulating concentrations of insulin were higher (P=0(.)009) in cattle given diets L and M compared with diet H. There were no differences between diets in the mean circulating concentration of growth hormone, or the frequency, amplitude and duration of growth hormone pulses, or the mean circulating concentrations of IGF-1. Changes in forage composition that accompany advancing maize maturity affect overall silage digestion and circulating concentrations of insulin.