Effect of co-existing organic compounds on adsorption of perfluorinated compounds onto carbon nanotubes

Abstract

Co-existing organic compounds may affect the adsorption of perfluorinated compounds (PFCs) and carbon nanotubes in aquatic environments. Adsorption of perfluorooctane sulfonate (PFOS), perfluorooctane acid (PFOA), perfluorobutane sulfonate (PFBS), and perfluorohexane sulfonate (PFH_xS) on the pristine multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs-Pri), carboxyl functionalized MWCNTs (MWCTNs-COOH), and hydroxyl functionalized MWCNTs (MWCNTs-OH) in the presence of humic acid, 1-naphthol, phenol, and benzoic acid was studied. Adsorption kinetics of PFOS was described well by the pseudo-second-order model and the sorption equilibrium was almost reached within 24 h. The effect of co-existing organic compounds on PFOS adsorption followed the decreasing order of humic acid>1-naphthol>benzoic acid>phenol. Adsorbed amounts of PFOS decreased significantly in the presence of co-existing or preloaded humic acid, and both adsorption energy and effective adsorption sites on the three MWCNTs decreased, resulting in the decrease of PFOS adsorption. With increasing pH, PFOS removal by three MWCNTs decreased in the presence of humic acid and phenol. The adsorbed amounts of different PFCs on the MWCNTs increased in the order of PFBS<PFH_xS<PFOA<PFOS. The increase of both initial concentrations and the number of aromatic rings of co-existing organic compounds suppressed PFOS adsorption on the MWCNTs.

Keywords

perfluorinated compounds / carbon nanotubes / competitive adsorption / humic acid / perfluorooctane sulfonate (PFOS)

References

[1] Paul A G, Jones K C, Sweetman A J. A first global production, emission, and environmental inventory for perfluorooctane sulfonate. Environmental Science & Technology, 2009, 43(2): 386–392

[2] Zareitalabad P, Siemens J, Hamer M, Amelung W. Perfluorooctanoic acid (PFOA) and perfluorooctanesulfonic acid (PFOS) in surface waters, sediments, soils and wastewater—A review on concentrations and distribution coefficients. Chemosphere, 2013, 91(6): 725–732

[3] Liu C, Chang V W, Gin K Y. Environmental toxicity of PFCs: an enhanced integrated biomarker assessment and structure-activity analysis. Environmental Toxicology and Chemistry, 2013, 32(10): 2226–2233

[4] So M K, Taniyasu S, Yamashita N, Giesy J P, Zheng J, Fang Z, Im S H, Lam P K. Perfluorinated compounds in coastal waters of Hong Kong, South China, and Korea. Environmental Science & Technology, 2004, 38(15): 4056–4063

[5] Skutlarek D, Exner M, Farber H. Perfluorinated surfactants in surface and drinking waters. Environmental Science and Pollution Research International, 2006, 13(5): 299–307

[6] Jin Y H, Liu W, Sato I, Nakayama S F, Sasaki K, Saito N, Tsuda S. PFOS and PFOA in environmental and tap water in China. Chemosphere, 2009, 77(5): 605–611

[7] Moody C A, Martin J W, Kwan W C, Muir D C G, Mabury S A. Monitoring perfluorinated surfactants in biota and surface water samples following an accidental release of fire-fighting foam into Etobicoke Creek. Environmental Science & Technology, 2002, 36(4): 545–551

[8] Zhou Q, Pan G, Shen W. Enhanced sorption of perfluorooctane sulfonate and Cr(VI) on organo montmorillonite: influence of solution pH and uptake mechanism. Adsorption, 2013, 19(2−4): 709–715

[9] Chen X, Xia X, Wang X, Qiao J, Chen H. A comparative study on sorption of perfluorooctane sulfonate (PFOS) by chars, ash and carbon nanotubes. Chemosphere, 2011, 83(10): 1313–1319

[10] Pan G, Jia C, Zhao D, You C, Chen H, Jiang G. Effect of cationic and anionic surfactants on the sorption and desorption of perfluorooctane sulfonate (PFOS) on natural sediments. Environmental Pollution, 2009, 157(1): 325–330

[11] Du Z, Deng S, Bei Y, Huang Q, Wang B, Huang J, Yu G. Adsorption behavior and mechanism of perfluorinated compounds on various adsorbents—a review. Journal of Hazardous Materials, 2014, 274: 443–454

[12] Mota L C, Ureña-Benavides E E, Yoon Y, Son A. Quantitative detection of single walled carbon nanotube in water using DNA and magnetic fluorescent spheres. Environmental Science & Technology, 2013, 47(1): 493–501

[13] Liu H H, Cohen Y. Multimedia environmental distribution of engineered nanomaterials. Environmental Science & Technology, 2014, 48(6): 3281–3292

[14] Chen W, Duan L, Zhu D. Adsorption of polar and nonpolar organic chemicals to carbon nanotubes. Environmental Science & Technology, 2007, 41(24): 8295–8300

[15] Zhao J, Wang Z, Mashayekhi H, Mayer P, Chefetz B, Xing B. Pulmonary surfactant suppressed phenanthrene adsorption on carbon nanotubes through solubilization and competition as examined by passive dosing technique. Environmental Science & Technology, 2012, 46(10): 5369–5377

[16] Wang X L, Liu Y, Tao S, Xing B S. Relative importance of multiple mechanisms in sorption of organic compounds by multiwalled carbon nanotubes. Carbon, 2010, 48(13): 3721–3728

[17] Yang K, Xing B. Adsorption of organic compounds by carbon nanomaterials in aqueous phase: Polanyi theory and its application. Chemical Reviews, 2010, 110(10): 5989–6008

[18] Zhou Y, Wen B, Pei Z, Chen G, Lv J, Fang J, Shan X, Zhang S. Coadsorption of copper and perfluorooctane sulfonate onto multi-walled carbon nanotubes. Chemical Engineering Journal, 2012, 203: 148–157

[19] Kwadijk C J A F, Velzeboer I, Koelmans A A. Sorption of perfluorooctane sulfonate to carbon nanotubes in aquatic sediments. Chemosphere, 2013, 90(5): 1631–1636

[20] Li X, Chen S, Quan X, Zhang Y. Enhanced adsorption of PFOA and PFOS on multiwalled carbon nanotubes under electrochemical assistance. Environmental Science & Technology, 2011, 45(19): 8498–8505

[21] Li X, Pignatello J J, Wang Y, Xing B. New insight into adsorption mechanism of ionizable compounds on carbon nanotubes. Environmental Science & Technology, 2013, 47(15): 8334–8341

[22] Deng S, Zhang Q, Nie Y, Wei H, Wang B, Huang J, Yu G, Xing B. Sorption mechanisms of perfluorinated compounds on carbon nanotubes. Environmental Pollution, 2012, 168: 138–144

[23] Bei Y, Deng S, Du Z, Wang B, Huang J, Yu G. Adsorption of perfluorooctane sulfonate on carbon nanotubes: influence of pH and competitive ions. Water Science and Technology, 2014, 69(7): 1489–1495

[24] Meng P, Deng S, Lu X, Du Z, Wang B, Huang J, Wang Y, Yu G, Xing B. Role of air bubbles overlooked in the adsorption of perfluorooctanesulfonate on hydrophobic carbonaceous adsorbents. Environmental Science & Technology, 2014, 48(23): 13785–13792

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

[26] Kissa E. Fluorinated Surfactants and Repellents. New York: CRC Press, 2001

[27] Li Y H, Di Z, Ding J, Wu D, Luan Z, Zhu Y. Adsorption thermodynamic, kinetic and desorption studies of Pb²⁺ on carbon nanotubes. Water Research, 2005, 39(4): 605–609

[28] Pan B, Xing B. Adsorption mechanisms of organic chemicals on carbon nanotubes. Environmental Science & Technology, 2008, 42(24): 9005–9013

[29] Carter M C, Kilduff J E, Weber W J. Site energy distribution analysis of preloaded adsorbents. Environmental Science & Technology, 1995, 29(7): 1773–1780

[30] Wang F, Shih K. Adsorption of perfluorooctanesulfonate (PFOS) and perfluorooctanoate (PFOA) on alumina: influence of solution pH and cations. Water Research, 2011, 45(9): 2925–2930

[31] Yu Q, Zhang R, Deng S, Huang J, Yu G. Sorption of perfluorooctane sulfonate and perfluorooctanoate on activated carbons and resin: kinetic and isotherm study. Water Research, 2009, 43(4): 1150–1158

[32] Zhang Q, Deng S, Yu G, Huang J. Removal of perfluorooctane sulfonate from aqueous solution by crosslinked chitosan beads: sorption kinetics and uptake mechanism. Bioresource Technology, 2011, 102(3): 2265–2271

[33] Yu Q, Deng S, Yu G. Selective removal of perfluorooctane sulfonate from aqueous solution using chitosan-based molecularly imprinted polymer adsorbents. Water Research, 2008, 42(12): 3089–3097

[34] Lin D, Xing B. Adsorption of phenolic compounds by carbon nanotubes: role of aromaticity and substitution of hydroxyl groups. Environmental Science & Technology, 2008, 42(19): 7254–7259

[35] Chiou C T, Freed V H, Schmedding D W, Kohnert R L. Partition coefficient and bioaccumulation of selected organic chemicals. Environmental Science & Technology, 1977, 11(5): 475–478

Acknowledgements

We thank the National Nature Science Foundation of China (Grant No. 21177070), Tsinghua University Initiative Scientific Research Program (Nos. 20141081174 and 20131089251), and Collaborative Innovation Center for Regional Environmental Quality for financial support.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg