Removal of lead from aqueous solution by hydroxyapatite/manganese dioxide composite

Abstract

A novel composite adsorbent, hydroxyapatite/manganese dioxide (HAp/MnO₂), has been developed for the purpose of removing lead ions from aqueous solutions. The combination of HAp with MnO₂ is meant to increase its adsorption capacity. Various factors that may affect the adsorption efficiency, including solution pH, coexistent substances such as humic acid and competing cations (Ca²⁺, Mg²⁺), initial solute concentration, and the duration of the reaction, have been investigated. Using this composite adsorbent, solution pH and coexistent calcium or magnesium cations were found to have no significant influence on the removal of lead ions under the experimental conditions. The adsorption equilibrium was described well by the Langmuir isotherm model, and the calculated maximum adsorption capacity was 769 mg·g⁻¹. The sorption processes obeyed the pseudo-second-order kinetics model. The experimental results indicate that HAp/MnO₂ composite may be an effective adsorbent for the removal of lead ions from aqueous solutions.

Keywords

manganese dioxide / hydroxyapatite / lead / adsorption / composite materials

References

[1] Vilensky M Y, Berkowitz B, Warshawsky A. In situ remediation of groundwater contaminated by heavy- and transition-metal ions by selective ion-exchange methods. Environmental Science & Technology, 2002, 36(8): 1851–1855

[2] Rivera-Utrilla J, Sánchez-Polo M, Gómez-Serrano V, Alvarez P M, Alvim-Ferraz M C M, Dias J M. Activated carbon modifications to enhance its water treatment applications. An overview. Journal of Hazardous Materials, 2011, 187(1–3): 1–23

[3] Wang S, Yu D M. Adsorption of Cd(II), Pb(II), and Ag(I) in aqueous solution on hollow chitosan microspheres. Journal of Applied Polymer Science, 2010, 118(2): 733–739

[4] Chen Y H, Li F A. Kinetic study on removal of copper(II) using goethite and hematite nano-photocatalysts. Journal of Colloid and Interface Science, 2010, 347(2): 277–281

[5] Eloussaief M, Benzina M. Efficiency of natural and acid-activated clays in the removal of Pb(II) from aqueous solutions. Journal of Hazardous Materials, 2010, 178(1–3): 753–757

[6] Hamidpour M, Kalbasi M, Afyuni M, Shariatmadari H, Holm P E, Hansen H C B. Sorption hysteresis of Cd(II) and Pb(II) on natural zeolite and bentonite. Journal of Hazardous Materials, 2010, 181(1–3): 686–691

[7] Liao D, Zheng W, Li X, Yang Q, Yue X, Guo L, Zeng G. Removal of lead(II) from aqueous solutions using carbonate hydroxyapatite extracted from eggshell waste. Journal of Hazardous Materials, 2010, 177(1–3): 126–130

[8] Corami A, Mignardi S, Ferrini V. Copper and zinc decontamination from single- and binary-metal solutions using hydroxyapatite. Journal of Hazardous Materials, 2007, 146(1–2): 164–170

[9] Corami A, Acapito F D, Mignardi S, Ferrini V. Removal of Cu from aqueous solutions by synthetic hydroxyapatite: EXAFS investigation. Materials Science and Engineering B, 2008, 149(2): 209–213

[10] Corami A, Mignardi S, Ferrini V. Cadmium removal from single- and multi-metal (Cd + Pb + Zn + Cu) solutions by sorption on hydroxyapatite. Journal of Colloid and Interface Science, 2008, 317(2): 402–408

[11] Smičiklas I, Dimović I, Mitrić M, Mitrić M. Removal of Co²⁺ from aqueous solutions by hydroxyapatite. Water Research, 2006, 40(12): 2267–2274

[12] Jang S H, Jeong Y G, Min B G, Lyoo W S, Lee S C. Preparation and lead ion removal property of hydroxyapatite/polyacrylamide composite hydrogels. Journal of Hazardous Materials, 2008, 159(2–3): 294–299

[13] Jang S H, Min B G, Jeong Y G, Lyoo W S, Lee S C. Removal of lead ions in aqueous solution by hydroxyapatite/polyurethane composite foams. Journal of Hazardous Materials, 2008, 152(3): 1285–1292

[14] Dong L J, Zhu Z L, Qiu Y L, Zhao J F. Removal of lead from aqueous solution by hydroxyapatite/magnetite composite adsorbent. Chemical Engineering Journal, 2010, 165(3): 827–834

[15] Feng Y A, Gong J L, Zeng G M, Niu Q Y, Zhang H Y, Niu C G, Deng J H, Yan M. Adsorption of Cd (II) and Zn (II) from aqueous solutions using magnetic hydroxyapatite nanoparticles as adsorbents. Chemical Engineering Journal, 2010, 162(2): 487–494

[16] Bogya E S, Barabás R, Csavdári A, Dejeu V, Bâldea I. Hydroxyapatite modified with silica used for sorption of copper. Chemical Paper, 2009, 63(5): 568–573

[17] Liu G, Talley J W, Na C, Larson S L, Wolfe L G. Copper doping improves hydroxyapatite sorption for arsenate in simulated groundwaters. Environmental Science & Technology, 2010, 44(4): 1366–1372

[18] Tripathya S S, Bersillona J L, Gopal K. Adsorption of Cd²⁺ on hydrous manganese dioxide from aqueous solutions. Desalination, 2006, 194(1–3): 11–21

[19] Kanungo S B, Tripathy S S, Rajeev. Adsorption of Co, Ni, Cu, and Zn on hydrous manganese dioxide from complex electrolyte solutions resembling sea water in major ion content. Journal of Colloid and Interface Science, 2004, 269(1): 1–10

[20] Zhu Z L, Ma H M, Zhang R H, Ge Y X, Zhao J F. Removal of cadmium using MnO₂ loaded D301 resin. Journal of Environmental Sciences (China), 2007, 19(6): 652–656

[21] Dong L, Zhu Z, Ma H, Qiu Y, Zhao J. Simultaneous adsorption of lead and cadmium on MnO₂-loaded resin. Journal of Environmental Sciences (China), 2010, 22(2): 225–229

[22] Parida K M, Kanungo S B, Sant B R. Studies on MnO₂ chemical composition, microstucture and other characteristics of some synthetic MnO₂ of various crystalline modification. Electrochimica Acta, 1981, 26(3): 435–443

[23] Schwarz J A, Driscoll C T, Bhanot A K. The zero point charge of silica-alumina oxide suspensions. Journal of Colloid and Interface Science, 1984, 97(1): 55–61

[24] Meski S, Ziani S, Khireddine H, Boudboub S, Zaidi S. Factorial design analysis for sorption of zinc on hydroxyapatite. Journal of Hazardous Materials, 2011, 186(2–3): 1007–1017

[25] Shimabayashi S, Tamura C, Nakagaki M. Adsorption of mono- and divalent metal cations on hydroxyapatite in water. Chemical & Pharmaceutical Bulletin, 1981, 29(8): 2116–2122

[26] Tipping E. Cation Binding by Humic Substances. England: Cambridge University Press, 2002

[27] Wang S B, Terdkiatburana T, Tadé M O. Adsorption of Cu(II), Pb(II) and humic acid on natural zeolite tuff in single and binary systems. Separation and Purification Technology, 2008, 62(1): 64–70

[28] Terdkiatburana T, Wang S B, Tadé M O. Competition and complexation of heavy metal ions and humic acid on zeolitic MCM-22 and activated carbon. Chemical Engineering Journal, 2008, 139(3): 437–444

[29] Stötzel C, Müller F A, Reinert F, Niederdraenk F, Barralet J E, Gbureck U. Ion adsorption behaviour of hydroxyapatite with different crystallinities. Colloids and Surfaces B, 2009, 74(1): 91–95

[30] Freundlich H. Colloid and Capillary Chemistry. London: Methuen, 1926, 993

[31] Langmuir I. The constitution and fundamental properties of solid sand liquids. Part-I.Solids. Journal of the American Chemical Society, 1916, 38(11): 2221–2295

[32] Mobasherpour I, Salahi E, Pazouki M. Removal of divalent cadmium cations by means of synthetic nano crystallite hydroxyapatite. Desalination, 2011, 266(1–3): 142–148

[33] Wang C C, Juang L C, Lee C K, Hsu T C, Lee J F, Chao H P. Effects of exchanged surfactant cations on the pore structure and adsorption characteristics of montmorillonite. Journal of Colloid and Interface Science, 2004, 280(1): 27–35

[34] Smičiklas I, Onjia A, Raicević S, Janaćković D, Mitrić M. Factors influencing the removal of divalent cations by hydroxyapatite. Journal of Hazardous Materials, 2008, 152(2): 876–884

[35] Su Q, Pan B, Wan S, Zhang W, Lv L. Use of hydrous manganese dioxide as a potential sorbent for selective removal of lead, cadmium, and zinc ions from water. Journal of Colloid and Interface Science, 2010, 349(2): 607–612

[36] Su Q, Pan B, Pan B, Zhang Q, Zhang W, Lv L, Wang X, Wu J, Zhang Q. Fabrication of polymer-supported nanosized hydrous manganese dioxide (HMO) for enhanced lead removal from waters. Science of the Total Environment, 2009, 407(21): 5471–5477

[37] Phuengprasop T, Sittiwong J, Unob F. Removal of heavy metal ions by iron oxide coated sewage sludge. Journal of Hazardous Materials, 2011, 186(1): 502–507

[38] Heidari A, Younesi H, Mehraban Z. Removal of Ni(II), Cd(II), and Pb(II) from a ternary aqueous solution by amino functionalized mesoporous and nano mesoporous silica. Chemical Engineering Journal, 2009, 153(1–3): 70–79

[39] Yin H, Feng X, Qiu G, Tan W, Liu F. Characterization of Co-doped birnessites and application for removal of lead and arsenite. Journal of Hazardous Materials, 2011, 188(1–3): 341–349

[40] Ho Y S, McKay G. Pseudo-second order model for sorption processes. Process Biochemistry, 1999, 34(5): 451–465

Acknowledgement

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 41372241).

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg