Carbon nanostructured adsorbents for the removal of toxic metals from aqueous solution

Tesis (Doctorado en Ciencias Ambientales)"En la actualidad gran parte de los cuerpos de agua superficiales y subterráneos están contaminados por metales tóxicos, lo que implica un riesgo para la salud humana y la biodiversidad de los ecosistemas. Para obtener la calidad del agua establecida en las normas, se requieren tecnologías de purificación y tratamiento cada vez más eficientes. La nanotecnología ha surgido como una alternativa para preservar la calidad de este recurso. En la presente investigación se probaron nanotubos de carbono dopados con nitrógeno oxidados (ox-CNx), para adsorber cadmio y plomo en solución acuosa. La capacidad máxima de adsorción de cadmio (qm) sobre ox-CNx fue 1.8 y 1.4 veces mayor que la de ox-MWNT y carbón activado oxidado (ox-ACF), respectivamente, pero 0.65 veces menor que la de ox-SWNT. Factores como la geometría, la composición química y menor tamaño de partícula de los nanotubos ox-CNx pudieron determinar su mayor capacidad de adsorción de cadmio en relación con ox-MWNT y carbón activado. Además, es posible desorber más del 90% de los metales adsorbidos utilizando soluciones ácidas (pH 2) y reutilizar estos nanotubos (ox-CNx) durante varios ciclos, manteniendo su capacidad de adsorción. La morfología juega un papel determinante en la cinética de adsorción con nanotubos de carbono. Se estudio la cinética de adsorción de cadmio sobre ox-CNx, ox-SWNT y ox-MWNT, por medio de experimentos en lote. El equilibrio se alcanzó en aproximadamente 15, 25 y 180 min para ox-CNx, ox-MWNT y ox-SWNT, respectivamente, con soluciones de cadmio de concentración inicial de 4 mg/L a pH 6. El mecanismo de difusión en el interior de los nanotubos fue más evidente en ox-SWNT. Estos nanotubos son más largos, con diámetro interno más pequeño y se entrelazan formando aglomerados, a diferencia de los ox-MWNT y ox-CNx. El modelo de difusión intraparticular se ajustó mejor a los datos experimentales, que los modelos de pseudo-segundo orden y de difusión externa, con desviaciones menores a 5%. Los coeficientes de difusión calculados con este modelo fueron 4.2E-9, 1.1E-9 y 2.4E-11 cm2/s para nanotubos individuales de ox-CNx, ox-MWNT y ox-SWNT, respectivamente, a una concentración inicial de cadmio de 4 mg/L, a pH 6 y 200 rpm.""Nowadays most bodies of water are polluted by toxic heavy metals, which persist for long periods even at low concentrations. Permissible limits for toxic heavy metals in drinking water are continuously reviewed to protect human health. Accomplishment of established regulations requires the improvement of current technologies and the development of new ones. Nanotechnology has the potential to preserve water quality enabling its reuse, through development of nanoparticles to detect, prevent, and remove toxic heavy metals by adsorption. However, nanoparticles should be immobilized prior to be applied to water treatment to prevent their liberation and negative impact on the environment. Early adsorption studies of toxic metals (cadmium, lead, copper, nickel, zinc and chromium) were performed with oxidized carbon nanotubes of single wall (SWNT) and multiwall (MWNT). Reported results showed that compared to activated carbon, carbon nanotubes had higher adsorption capacity, shorter equilibrium time and the possibility of being regenerated and used through several cycles. In this study, oxidized nitrogen-doped multiwall carbon nanotubes (ox-CNx) showed 1.8 and 1.4 times higher adsorption capacity for cadmium and lead than ox-MWNT and oxidized granular activated carbon (ox-ACF), but 0.65 times lower than for ox-SWNT, at ph 5 and 25 °C. The small size, geometry and surface chemical composition of ox-CNx are the key factors for their higher adsorption capacity than ox-MWNT and activated carbon. Metal-exhausted ox-CNx could be regenerated and reused since more than 90% of the mass of both metals adsorbed was desorbed. Morphology determines adsorption kinetic, as pointed out equilibrium times for cadmium adsorption onto different carbon nanotubes: around 15, 25 and 180 min for oxidized CNx, MWNT and SWNT, respectively, at initial cadmium concentration of 4 mg/L and pH 6. Cadmium adsorption could have a stronger diffusion effect onto the longest and most strongly entangled ox-SWNT, compared to the shorter ox-MWNT and ox-CNx. The intraparticle diffusion model fitted best the experimental kinetic data with lower deviations than 5% and calculated diffusivity coefficients of about 2.4E-11, 4.2E-9 and 1.1E-9 cm2/s, for ox-SWNT, ox-CNx and ox-MWNT, respectively, considered as single nanotubes, at initial cadmium concentration of 4 mg/L, pH 6 and 200 rpm.