Iron-carbon composite microspheres prepared through a facile aerosol-based process for the simultaneous adsorption and reduction of chlorinated hydrocarbons

Abstract

Iron-carbon (Fe-C) composite microspheres prepared through a facile aerosol-based process are effective remediation agents for the simultaneous adsorption and reduction of chlorinated hydrocarbons. Complete dechlorination was achieved for the class of chlorinated ethenes that include tetrachloroethylene (PCE), trichloroethylene (TCE), cis- and trans-1,2-dicloroethylene (c-DCE, t-DCE), 1,1-dichloroethylene (1,1-DCE) and, vinyl chloride (VC). The Fe-C particles potentially provides multi-functionality with requisite characteristics of adsorption, reaction, and transport for the effective in situ remediation of chlorinated hydrocarbons. The carbon support immobilizes the ferromagnetic iron nanoparticles onto its surface, thereby inhibiting aggregation. The adsorptive nature of the carbon support prevents the release of toxic intermediates such as the dichloroethylenes and vinyl chloride. The adsorption of chlorinated ethenes on the Fe-C composites is higher (>80%) than that of humic acid (<35%) and comparable to adsorption on commercial activated carbons (>90%). The aerosol-based process is an efficient method to prepare adsorptive-reactive composite particles in the optimal size range for transport through the porous media and as effective targeted delivery agents for the in situ remediation of soil and groundwater contaminants.

Keywords

chlorinated ethene / iron-carbon / aerosol / adsorption / reductive dechlorination

References

[1] Matheson L J, Tratnyek P G. Reductive dehalogenation of chlorinated methanes by iron metal. Environmental Science & Technology, 1994, 28(12): 2045–2053

[2] Orth W S, Gillham R W. Dechlorination of trichloroethene in aqueous solution using Fe⁰. Environmental Science & Technology, 1996, 30(1): 66–71

[3] Doong R A, Chen K T, Tsai H C. Reductive dechlorination of carbon tetrachloride and tetrachloroethylene by zerovalent silicon-iron reductants. Environmental Science & Technology, 2003, 37(11): 2575–2581

[4] Lowry G, Reinhard M. Pd-catalyzed TCE dechlorination in groundwater: solute effects, biological control, and oxidative catalyst regeneration. Environmental Science & Technology, 2000, 34(15): 3217–3223

[5] Schrick B, Blough J L, Jones A D, Mallouk T E. Hydrodechlorination of trichloroethylene to hydrocarbons using bimetallic nickel-iron nanoparticles. Chemistry of Materials, 2002, 14(12): 5140–5147

[6] Liu Y, Majetich S A, Tilton R D, Sholl D S, Lowry G V. TCE dechlorination rates, pathways, and efficiency of nanoscale iron particles with different properties. Environmental Science & Technology, 2005, 39(5): 1338–1345

[7] Liu Y, Choi H, Dionysiou D, Lowry G V. Trichloroethene hydrodechlorination in water by highly disordered monometallic nanoiron. Chemistry of Materials, 2005, 17(21): 5315–5322

[8] Elliott D W, Zhang W X. Field assessment of nanoscale bimetallic particles for groundwater treatment. Environmental Science & Technology, 2001, 35(24): 4922–4926

[9] Zheng T, Zhan J, He J, Day C, Lu Y, McPherson G L, Piringer G, John V T. Reactivity characteristics of nanoscale zerovalent iron—silica composites for trichloroethylene remediation. Environmental Science & Technology, 2008, 42(12): 4494–4499

[10] O’Carroll D, Sleep B, Krol M, Boparai H, Kocur C. Nanoscale zero valent iron and bimetallic particles for contaminated site remediation. Advances in Water Resources, 2013, 51: 104–122

[11] Phenrat T, Saleh N, Sirk K, Tilton R D, Lowry G V. Aggregation and sedimentation of aqueous nanoscale zerovalent iron dispersions. Environmental Science & Technology, 2007, 41(1): 284–290

[12] SchrickB, HydutskyB W, BloughJ L, MalloukT E. Delivery vehicles for zerovalent metal nanoparticles in soil and groundwater. Chemistry of Materials, 2004, 16(11): 2187–2193

[13] He F, Zhao D. Preparation and characterization of a new class of starch-stabilized bimetallic nanoparticles for degradation of chlorinated hydrocarbons in water. Environmental Science & Technology, 2005, 39(9): 3314–3320

[14] Phenrat T, Saleh N, Sirk K, Kim H J, Tilton R D, Lowry G V. Stabilization of aqueous nanoscale zerovalent iron dispersions by anionic polyelectrolytes: adsorbed anionic polyelectrolyte layer properties and their effect on aggregation and sedimentation. Journal of Nanoparticle Research, 2008, 10(5): 795–814

[15] He F, Zhao D, Liu J, Roberts C B. Stabilization of Fe-Pd nanoparticles with sodium carboxymethyl cellulose for enhanced transport and dechlorination of trichloroethylene in soil and groundwater. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2007, 46(1): 29–34

[16] He  F,  Zhao  D.  Manipulating the  size  and  dispersibility  of zerovalent iron nanoparticles by use of carboxymethyl cellulose stabilizers. Environmental Science & Technology, 2007, 41(17): 6216–6221

[17] Quinn J, Geiger C, Clausen C, Brooks K, Coon C, O’Hara S, Krug T, Major D, Yoon W S, Gavaskar A, Holdsworth T. Field demonstration of DNAPL dehalogenation using emulsified zero-valent iron. Environmental Science & Technology, 2005, 39(5): 1309–1318

[18] Saleh N, Phenrat T, Sirk K, Dufour B, Ok J, Sarbu T, Matyjaszewski K, Tilton R D, Lowry G V. Adsorbed triblock copolymers deliver reactive iron nanoparticles to the oil/water interface. Nano Letters, 2005, 5(12): 2489–2494

[19] Zhan J, Sunkara B, Le L, John V T, He J, McPherson G L, Piringer G, Lu Y. Multifunctional colloidal particles for in situ remediation of chlorinated hydrocarbons. Environmental Science & Technology, 2009, 43(22): 8616–8621

[20] Sunkara B, Zhan J, He J, McPherson G L, Piringer G, John V T. Nanoscale zerovalentiron supported on uniform carbon microspheres for the in situ remediation of chlorinated hydrocarbons. ACS Applied Materials & Interfaces, 2010, 2(10): 2854–2862

[21] Zhan J, Kolesnichenko I, Sunkara B, He J, McPherson G L, Piringer G, John V T. Multifunctional iron-carbon nanocomposites through an aerosol-based process for the in situ remediation of chlorinated hydrocarbons. Environmental Science & Technology, 2011, 45(5): 1949–1954

[22] Sunkara B, Zhan J, Kolesnichenko I, Wang Y, He J, Holland J E, McPherson G L, John V T. Modifying metal nanoparticle placement on carbon supports using an aerosol-based process, with application to the environmental remediation of chlorinated hydrocarbons. Langmuir, 2011, 27(12): 7854–7859

[23] Zhan J, Sunkara B, Tang J, Wang Y, He J, McPherson G L, John V T. Carbothermalsynthesis of aerosol-based adsorptive-reactive iron–carbon particles for the remediation of chlorinated hydrocarbons. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, 50(23): 13021–13029

[24] Zhan J, Zheng T, Piringer G, Day C, McPherson G L, Lu Y, Papadopoulos K, John V T. Transport characteristics of nanoscale functional zerovalent iron/silica composites for in situ remediation of trichloroethylene. Environmental Science & Technology, 2008, 42(23): 8871–8876

[25] Bleyl S, Kopinke F D, Georgi A, Mackenzie K. Carbo-iron—atailored reagent for in situ groundwater remediation. Chemieingenieurtechnik (Weinheim), 2013, 85: 1302–1311

[26] Busch J, Meißner T, Potthoff A, Oswald S E. Transport of carbon colloid supported nanoscale zero-valent iron in saturated porous media. Journal of Contaminant Hydrology, 2014, 164: 25–34

[27] Mackenzie K, Bleyl S, Georgi A, Kopinke F D. Carbo-iron—an Fe/AC composite—as alternative to nano-iron for groundwater treatment. Water Research, 2012, 46(12): 3817–3826

[28] Lien H L, Zhang W. Nanoscale iron particles for complete reduction of chlorinated ethenes. Colloids and Surfaces. A, Physicochemical and Engineering Aspects, 2001, 191(1–2): 97–105

[29] Muftikian R, Fernando Q, Korte N. A method for the rapid dechlorination of low molecular weight chlorinated hydrocarbons in water. Water Research, 1995, 29(10): 2434–2439

[30] Nyer E K, Vance D B. Nano-scale iron for dehalogenation. Ground Water Monitoring and Remediation, 2001, 2(2): 41–46

[31] Wang C, Zhang W. Synthesizing nanoscale iron particles for rapid and complete dechlorination of TCE and PCBs. Environmental Science & Technology, 1997, 31(7): 2154–2156

[32] Hess D R. Nebulizers: principles and performance. Respiratory Care, 2000, 45(6): 609–622

[33] Phenrat T, Liu Y, Tilton R D, Lowry G V. Adsorbed polyelectrolyte coatings decrease Fe⁰ nanoparticle reactivity with TCE in water: conceptual model and mechanisms. Environmental Science & Technology, 2009, 43(5): 1507–1514

[34] Gossett J M. Measurement of Henry’s law constants for C1 and C2 chlorinated hydrocarbons. Environmental Science & Technology, 1987, 21(2): 202–208

Acknowledgements

Funding from the National Science Foundation (Grant No. 1236089) and the State of Louisiana Board of Regents is gratefully acknowledged.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg