Amine-Modified SBA-15 (Prepared by Co-condensation) for Adsorption of Copper from Aqueous Solutions

During the last few decades, concerns about water shortages and pollution have increased. Consequently, environmental legislations and regulations for wastewater discharge have been issued. The objective of this work was to contribute in developing an efficient dsorbent for removing heavy metal ions from wastewater. The thesis focused on evaluating amine-modified SBA-15 as copper and other heavy metal ions adsorbent, by determining a variety of adsorptive properties with the aim of gaining a deep understanding of its behavior and to outline its advantages and limitations. The influence of synthesis conditions on the mesostructural stability of the resultant materials after different water treatments was systematically investigated. N2 adsorption results indicated that the material prepared via co-condensation and aged at 100 ºC was not stable and lost its ordered mesoporous structure after contacting water even at room temperature. Aging at 130 ºC and addition of inorganic salts resulted in materials that maintained their mesporous structure under different water treatments. The material synthesized in the presence of KCl was used as adsorbent for the rest of the thesis work. It was shown that the structural collapse observed in amine-modified SBA-15 prepared by conventional method when contacted with aqueous solutions is associated with the drying process, and not the treatment itself. This structural collapse was avoided by replacing water with more volatile liquids such as acetone, before drying. Amino-functionalized SBA-15 was tested for the removal of copper ions from aqueous solutions under different temperatures, pH, initial concentrations and agitation speeds. The obtained results indicated that the amino-functionalized SBA-15 was very efficient and equilibrium was achieved in less than 30 min at room temperature. The adsorption capacity increased dramatically with increasing temperature, initial copper concentration and pH. Under suitable conditions, the material exhibited high adsorption capacity even at very low copper concentration. To further investigate the effect of dsorption parameters, a 24 factorial design experiments were used to screen the factors affecting the copper removal efficiency. All the parameters main effects were significant within a 95 % confidence level. Surface composite design was used to develop a reliable model representing the adsorption process. The statistical tests used proved the adequacy of the second order model. Optimization of the factors levels was carried out and the recommended optimum conditions are: copper concentration of 20 mg/L, adsorbent/solution ratio of 1.57 g/L, pH of 6.5, and T = 294 K with 95% copper removal. The effect of regeneration conditions was investigated after three adsorption–desorption cycles, under different batchwise regeneration conditions. Using a composite surface design methodology, the effect of the regeneration conditions on the performance of the adsorbent was investigated. It was found that all the studied parameters have a statistically significant influence on the working dsorption capacity. With respect to structural properties and amine content, none of the factors was found to be significant. Regeneration using EDTA was found to be more efficient than acid treatment. Amino-functionalized SBA-15 was studied as potential absorbent for Cd2 +, Co2 +, Cu2 +, Zn2 +, Pb2 +, Ni2 +, Al3+ and Cr3 +. The adsorption capacity and selectivity of the material were investigated in single and multi-metal solutions. Using very dilute solutions, i.e., 10 ppm, more than 95% of cations were removed, except for Co2+ and Cr3 +, indicatingthe high sensitivity of the current adsorbent. The adsorption capacities in multi-metal solutions were lower than in single-metal ones because of competition between metallic elements for the amine groups. The adsorbent was not affected in the presence of sodium, potassium, and calcium, indicating that the ionic strength does not affect the adsorption properties. Application of this material to remove copper in tap water, river water, and electroplating wastewater was shown to be successful. Dynamic experiments were carried out on the adsorption of copper ions in a laboratory packed-bed of amine-modified SBA-15. Breakthrough curves were analyzed at different flowrates and after two adsorption-desorption cycles. Furthermore, a model based on mass balance was developed and tested for predicting the breakthrough curves under different experimental conditions used. The results suggested that the developed model was in good agreement with the experimental data. Bed regeneration was performed by circulating 0.2 M EDTA solution through the column for 30 min. Résumé Durant les quelques dernières décennies, les préoccupations concernant les pénuries d'eau et la pollution en général ont augmenté. Par conséquent, des législations et des réglementations environnementales pour les rejets d'eaux usées ont été introduites. L'objectif de ce travail était de contribuer au développement d'un adsorbant efficace pour éliminer les ions de métaux lourds des eaux usées. Cette thèse porte sur l'évaluation de SBA-15 modifiée avec des amines comme adsorbant pour le cuivre et d'autres ions de métaux lourds par la détermination d'une multitude de propriétés d'adsorption dans le but d'acquérir une profonde compréhension de son comportement et d’identifier ses avantages et ses limites. L'influence des conditions de synthèse sur la stabilité des matériaux mésoporeux obtenus après différents traitements a été étudié de façon systématique. Les résultats d'adsorption de N2 ont indiqué que le matériel préparé par co-condensation et vieilli à 100 °C n'était pas stable et a perdu sa structure mésoporeuse ordonnée après avoir été en contact avec l'eau même à température ambiante. Le vieillissement à 130 °C, avec ajout de sels inorganiques, a abouti à des matériaux qui ont maintenu leur structure mésoporeuse sous différents traitements en présence d'eau. Le matériau synthétisé en présence de KCl a été utilisé comme adsorbant pour le reste du travail de cette thèse. Il a été démontré que l'effondrement de la structure observé dans la SBA-15 modifiée aux amines, préparée par la méthode conventionnelle en contact avec des solutions aqueuses est associé avec le processus de séchage, et non le traitement lui-même. Cet effondrement de structure a été évité en remplaçant l'eau avec des liquides plus volatils tels que l'acétone, avant le séchage. La SBA-15 amino-fonctionnalisée a été testée pour l'élimination des ions de cuivre des solutions aqueuses à différentes températures, pH, concentrations initiales et vitesses d'agitation. Les résultats obtenus ont indiqué que la SBA-15 amino-fonctionnalisée était très efficace et l'équilibre a été atteint en moins de 30 min à température ambiante. La capacité d'adsorption a considérablement augmenté avec la température, la concentration initiale de cuivre et le pH. Sous des conditions appropriées, le matériau a manifesté une grande capacité d'adsorption, même à des concentrations très faibles en cuivre. Afin d’étudier l'effet des paramètres d'adsorption, un plan factoriel de 24 expériences a été utilisé pour dépister les facteurs affectant l'efficacité d'élimination du cuivre. Tous les effets principaux des paramètres étaient importants à 95% de niveau de confiance. La méthodologie de la surface composite a été utilisée pour développer un modèle fiable qui représente le processus d'adsorption. Les tests statistiques utilisés ont prouvé la pertinence du modèle de second ordre. L’optimisation des niveaux des facteurs a été effectuée et les conditions optimales recommandées sont: la concentration en cuivre de 20 mg/L, le rapport adsorbant/solution de 1.57 g/L, pH de 6.5 et T = 294 K pour l'élimination de 95% de cuivre. L'effet des conditions de régénération a été étudié après trois cycles d'adsorption-désorption, sous différentes conditions de régénération. En utilisant la méthodologie de la surface composite, l'effet des conditions de régénération sur la performance de l'adsorbant a été étudié. Il a été constaté que tous les paramètres étudiés ont une influence statistiquement significative sur la capacité de travail d'adsorption. En ce qui concerne les propriétés structurelles et la teneur en amine, aucun des facteurs n’a été jugé significatif. La régénération à l'aide d'EDTA a été jugée plus efficace que le traitement acide. La SBA-15 amino-fonctionnalisée a été étudiée comme absorbant potentiel de Cd2+, Co2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+, Ni2+, Al3+ and Cr3+. La capacité d'adsorption et la sélectivité du matériau ont été étudiées dans des solutions mono- et multi-métalliques. En utilisant des solutions très diluées, soit 10 ppm, plus de 95% de cations ont été enlevés, sauf pour le Co2+ et Cr3+, indiquant la forte sensibilité de l'adsorbant. Les capacités d'adsorption dans les solutions multi-métalliques étaient inférieures à celles des solutions mono-métalliques en raison de la concurrence entre les éléments métalliques pour les groupes amine. L'adsorbant n'a pas été affecté par la présence de sodium, de potassium et de calcium, ce qui indique que la force ionique n'affecte pas les propriétés d'adsorption. L’usage avec succès de ce matériau pour éliminer le cuivre dans l'eau de robinet, l’eau de rivière et les eaux usées de galvanoplastie a été démontré. Des expériences dynamiques ont été réalisées sur l'adsorption des ions de cuivre par la SBA-15 amine-modifiée sur une colonne à lit fixe de laboratoire. Les courbes de perçage ont été analysées à des débits différents et après deux cycles d'adsorption-désorption. De plus, un modèle basé sur le bilan de matière a été développé et testé pour prédire les courbes de perçage sous les différentes conditions expérimentales utilisées. Les résultats suggèrent que le modèle développé est en bon accord avec les données expérimentales. La régénération du lit a été réalisée en faisant circuler une solution EDTA à 0.2 M à travers la colonne pendant 30 min