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.

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.

Diphenyllead(IV) thiosemicarbazonates and pyrazolonates: Synthesis and characterization

Cyclization of thiosemicarbazones derived from beta-keto esters and beta-keto amides (HTSC) in the presence of diphenyllead(IV) acetate was explored in methanol solution at room temperature and under reflux. All beta-keto ester TSCs underwent cyclization to give the corresponding pyrazolone (HL), which, except in one case, deprotonated and coordinated the PbPh(2)(2+) moiety to form homoleptic [PbPh(2)(L)(2)] or heteroleptic [PbPh(2)(OAc)(L)] derivatives. Cyclization did not occur with beta-keto amide TSCs and only [Pbph(2)(TSC)(2)] or [PbPh(2)(OAc)(TSC)] thiosernicarbazonates were isolated. The complexes were characterized by IR spectroscopy in the solid state and by (1)H, (13)C and (207)Pb NMR spectroscopy in DMSO-d(G) solution, in which they evolve and decompose with time. Additionally, crystals of p-acetoacetanisidide thiosemicarbazone (HTSC(10)), [PbPh(2)(OAc)(L(5))] center dot MeOH (HL(5) = 2,5-dihydro-3,4-dimethyl-5-oxo-1H-pyrazolone-1-carbothioamide), [PbPh(2)Cl(L(2))] (HL(2) = 2,5-dihydro-5-oxo-3-phenyl-1H-pyrazolone-1-carbothioamide), [PbPh(2)(OAc)(TSC(8))]center dot 2MeOH (HTSC(8) = acetoacetanilide thiosemicarbazone), [PbPh(2)(OAc)(TSC(10))]center dot H(2)O and [PbPh(2)(OAc)(TSC(11))] center dot 0.75MeOH (HTSO(11) = o-acetoacetotoluidide) were studied by X-ray crystallography. The complexes, monomers or dimers with almost linear C-Pb-C moieties, are compared with the corresponding derivatives of Pb(II). (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

PREDICTION OF METAL CATION TOXICITY TO THE BIOLUMINESCENT FUNGUS GERRONEMA VIRIDILUCENS

A correlation between the physicochemical properties of mono- [Li(I), K(I), Na(I)] and divalent [Cd(II), Cu(II), Mn(II), Ni(II), Co(II), Zn(II), Mg(II), Ca(II)] metal cations and their toxicity (evaluated by the free ion median effective concentration. EC50(F)) to the naturally bioluminescent fungus Gerronema viridilucens has been studied using the quantitative ion character activity relationship (QICAR) approach. Among the 11 ionic parameters used in the current study, a univariate model based on the covalent index (X(m)(2)r) proved to be the most adequate for prediction of fungal metal toxicity evaluated by the logarithm of free ion median effective concentration (log EC50(F)): log EC50(F) = 4.243 (+/-0.243) -1.268 (+/-0.125).X(m)(2)r (adj-R(2) = 0.9113, Alkaike information criterion [AIC] = 60.42). Additional two- and three-variable models were also tested and proved less suitable to fit the experimental data. These results indicate that covalent bonding is a good indicator of metal inherent toxicity to bioluminescent fungi. Furthermore, the toxicity of additional metal ions [Ag(I), Cs(I), Sr(II), Ba(II), Fe(II), Hg(II), and Pb(II)] to G. viridilucens was predicted, and Pb was found to be the most toxic metal to this bioluminescent fungus (EC50(F)): Pb(II) > Ag(I) > Hg(I) > Cd(II) > Cu(II) > Co(II) Ni(II) > Mn(II) > Fe(II) approximate to Zn(II) > Mg(II) approximate to Ba(II) approximate to Cs(I) > Li(I) > K(I) approximate to Na(I) approximate to Sr(II)> Ca(II). Environ. Toxicol. Chem. 2010;29:2177-2181. (C) 2010 SETAC

Applying sequential injection analysis (SIA) and response surface methodology for optimization of Fenton-based processes

This work presents the use of sequential injection analysis (SIA) and the response surface methodology as a tool for optimization of Fenton-based processes. Alizarin red S dye (C.I. 58005) was used as a model compound for the anthraquinones family. whose pigments have a large use in coatings industry. The following factors were considered: [H(2)O(2)]:[Alizarin] and [H(2)O(2)]:[FeSO(4)] ratios and pH. The SIA system was designed to add reagents to the reactor and to perform on-line sampling of the reaction medium, sending the samples to a flow-through spectrophotometer for monitoring the color reduction of the dye. The proposed system fed the statistical program with degradation data for fast construction of response surface plots. After optimization, 99.7% of the dye was degraded and the TOC content was reduced to 35% of the original value. Low reagents consumption and high sampling throughput were the remarkable features of the SIA system. (C) 2008 Published by Elsevier B.V.

Evaluation of a carbon paste electrode modified with organofunctionalised SBA-15 nanostructured silica in the simultaneous determination of divalent lead, copper and mercury ions

The performance of a carbon paste electrode (CPE) modified with SBA-15 nanostructured silica organofunctionalised with 2-benzothiazolethiol in the simultaneous determination of Pb(II), Cu(II) and Hg(II) ions in natural water and sugar cane spirit (cachaca) is described. Pb(II), Cu(II) and Hg(II) were pre-concentrated on the surface of the modified electrode by complexing with 2-benzothiazolethiol and reduced at a negative potential (-0.80 V). Then the reduced products were oxidised by DPASV procedure. The fact that three stripping peaks appeared on the voltammograms at the potentials of -0.48 V (Pb2+), -0.03 V (Cu2+) and +0.36 V (Hg2+) in relation to the SCE, demonstrates the possibility of simultaneous determination of Pb2+, Cu2+ and Hg2+. The best results were obtained under the following optimised conditions: 100 mV pulse amplitude, 3 min accumulation time, 25 mV s(-1) scan rate in phosphate solution pH 3.0. Using such parameters, calibration graphs were linear in the concentration ranges of 3.00-70.0 x 10(-7) mol L-1 (Pb2+), 8.00-100.0 X 10(-7) mol L-1 (Cu2+) and 2.00-10.0 x 10(-6) mol L-1 (Hg2+). Detection limits of 4.0 x 10(-8) mol L-1 (Pb2+), 2.0 x 10(-7) mol L-1 (Cu2+) and 4.0 x 10(-7) mol L-1 (Hg2+) were obtained at the signal noise ratio (SNR) of 3. The results indicate that this electrode is sensitive and effective for simultaneous determination of Pb2+, Cu2+ and Hg2+ in the analysed samples. (C) 2008 Published by Elsevier B.V.

Peat humic substances enriched with nutrients for agricultural applications: Competition between nutrients and non-essential metals present in tropical soils

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Banana Peel Applied to the Solid Phase Extraction of Copper and Lead from River Water: Preconcentration of Metal Ions with a Fruit Waste

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

EVALUATION of HEAVY METAL AVAILABILITY IN CONTAMINATED SEDIMENTS FROM THE ILHA SOLTEIRA HYDROELECTRIC DAM on THE PARANA RIVER AT ILHA SOLTEIRA, SP, BRAZIL

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Study on soluble heavy metals with preconcentration by using a new modified oligosilsesquioxane sorbent

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Attachment of 2,2-bipyridine onto a silica gel for application as a sequestering agent for copper, cadmium and lead ions from an aqueous medium

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Determination of metal ions in natural waters by flame-AAS after preconcentration on a 5-amino-1,3,4-thiadiazole-2-thiol modified silica gel.

5-amino-1,3,4-thiadiazole-2-thiol groups attached on a silica gel surface have been used for adsorption of Cd(II), Co(II), Cu(II), Fe(III), Ni(II), Pb(II) and Zn(II) from aqueous solutions. The adsorption capacities for each metal ion were (in mmol.g(-1)): Cd(II)= 0.35, Co(II)= 0.10, Cu(II)= 0.15, Fe(III)= 0.20, Hg(Il)= 0.46, Ni(II)= 0.16, Pb(II)= 0.13 and Zn(II)= 0.15. The modified silica gel was applied in the preconcentration and quantification of trace level metal ions present in water samples (river, and bog water).

Determinação de chumbo em álcool combustível por voltametria de redissolução anódica utilizando um eletrodo de pasta de carbono modificado com resina de troca iônica Amberlite IR 120

Um método envolvendo a pré-concentração e redissolução anódica em condições de voltametria de pulso diferencial empregando um eletrodo de pasta de carbono modificado (EPCM) com uma resina de troca iônica Amberlite IR120 foi proposto para a determinação de íons chumbo em álcool combustível. O procedimento é baseado em um pico de oxidação do analito observado em -0,53 V(vs. Ag/AgCl) em solução de HCl. As melhores condições experimentais encontradas foram: 5% (m/m) da Amberlite IR120 para a construção do eletrodo, solução de HCl 0,1 mol L-1, velocidade de varredura de 10 mVs-1, tempo de pré-concentração de 15 min e amplitude de pulso de 100 mV. Utilizando essas condições, o EPCM apresentou uma resposta linear entre a corrente de pico anódica e a concentração de íons chumbo para o intervalo entre 9,9 x 10-9 e 1,2 x 10-6 mol L-1 e um limite de detecção de 7,2 x 10-9 mol L-1. Valores de recuperação entre 96 % e 102 % foram encontrados para amostras de álcool combustível enriquecidas com Pb2+ em níveis de 10-7 mol L-1. O efeito da presença de outros íons concomitantes sobre a resposta voltamétrica do eletrodo também foi avaliado.

Comportamento fotofísico do antraceno em sistemas micro-heterogêneos argila-surfactantes-íons metálicos

Argilas constituem uma classe de complexos micro-heterogêneos e podem ser utilizados como substrato para adsorção. O seu comportamento de sorção em fase sólida intensificada pela presença de surfactantes, argilas organofílicas, é um importante fenômeno explorado pela tecnologia ambiental para a remoção de compostos orgânicos policíclicos (hidrocarbonetos aromáticos policíclicos, HPA) da água, introduzidos no ambiente por fontes antropogênicas. Este trabalho tem por objetivo estudar o comportamento fotofísico do antraceno, como modelo de HPA, em sistemas micro-heterogêneos argila-surfactantes-íons metálicos (M(II)= Cd(II), Cu(II), Hg(II), Ni(II) e Pb(II); surfactantes: CTACl; SDS; TR-X100). Os estudos foram conduzidos pelo monitoramento na mudança das propriedades de fluorescência estática e na supressão da emissão do antraceno utilizado como sonda fluorescente. Como supressores foram utilizados os cátions metálicos: Cd(II), Cu(II), Hg(II), Ni(II) e Pb(II). O perfil do espectro de fluorescência e os resultados dos ensaios de supressão da fluorescência da sonda permitiram inferir na localização do sítio de solubilização do antraceno nos sistemas micro-heterogêneos estudados e na conseqüente organização dos mesmos.